變電站直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)及選型

劉望清

（華自科技股份有限公司）

0 引言

直流系統(tǒng)在變電站中為繼電保護(hù)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、交流不停電電源、事故照明、自動(dòng)裝置等提供電源，還為操作系統(tǒng)提供可靠的操作電源。直流系統(tǒng)的可靠與否，對(duì)變電站的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，是保證變電站正常工作的重要條件。

近年來，直流系統(tǒng)的技術(shù)和設(shè)備發(fā)展迅速，閥控鉛酸蓄電池、智能型高頻開關(guān)充電裝置、微機(jī)型絕緣監(jiān)測裝置、電池巡檢儀、電涌專用后備保護(hù)器等這些設(shè)備安全可靠、技術(shù)先進(jìn)和性能優(yōu)越，促進(jìn)了直流系統(tǒng)的發(fā)展。

本文以某變電站為例，介紹直流系統(tǒng)蓄電池容量計(jì)算、智能型高頻開關(guān)充電裝置額定電流計(jì)算及直流系統(tǒng)主要設(shè)備選型。

1 蓄電池選擇

1.1 直流負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

此變電站為城區(qū)110kV變電站，按照無人值班智能變電站設(shè)計(jì)，直流系統(tǒng)電壓采用220V，配置一組蓄電池，因是無人值班站，蓄電池容量按2h事故放電時(shí)間考慮，蓄電池采用支架方式，安裝在單獨(dú)的蓄電池室內(nèi)。主變?nèi)萘繛?×63MVA，每臺(tái)主變裝設(shè)（1×4.0＋1×6.0）Mvar的容性無功補(bǔ)償設(shè)備，110kV電氣主接線采用單母線斷路器分段接線，出線4回，10kV采用單母線斷路器分段接線方式，出線64回，每臺(tái)主變16回。直流負(fù)荷統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 直流負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

1.2 蓄電池?cái)?shù)量計(jì)算

由于鉛酸蓄電池具有可靠性高、容量大、承受沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)及原材料取用方便等優(yōu)點(diǎn)，故在發(fā)電廠和變配電站得到廣泛采用。鉛酸蓄電池分為防酸防爆式、消氫式及閥控式密封鉛酸蓄電池。閥控式密封鉛酸蓄電池在正常充放電狀態(tài)下處于密封狀態(tài)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：電解液不泄露，也不排放任何氣體；具有常規(guī)性免維護(hù)功能，無需進(jìn)行添加水、調(diào)酸的比重等維護(hù)工作；電池壽命長，25℃浮充電狀態(tài)使用，電池壽命一般可達(dá)l0～15年。基于這些優(yōu)點(diǎn)，本變電站選擇使用閥控式密封鉛酸蓄電池。

蓄電池正常按浮充電方式運(yùn)行時(shí)，為保證直流負(fù)荷供電質(zhì)量，同時(shí)考慮供電電纜壓降，一般按直流母線電壓的1.05倍來選擇蓄電池。即蓄電池?cái)?shù)量：

式中，Un為直流電源系統(tǒng)標(biāo)稱電壓，此站為220V；Uf為單體蓄電池浮充電電壓，V，閥控式密封鉛酸蓄電池的單體浮充電電壓值Uf取2.23～2.27V，通常Uf取2.25。

所以蓄電池?cái)?shù)量n＝1.05×220／2.25≈103。

為保證蓄電池供電的可靠性，此站蓄電池?cái)?shù)量選擇103＋1＝104節(jié)。在確定蓄電池個(gè)數(shù)后，須驗(yàn)算蓄電池在事故放電末期（1min）允許的最低端口電壓應(yīng)不低于蓄電池放電終止電壓（1.75～1.8V）。此變電站共一組蓄電池，蓄電池給控制負(fù)荷與動(dòng)力負(fù)荷合并供電，事故放電末期（1min）允許的最低端口電壓Um的計(jì)算公式如下：

滿足大于畜電池終止放電電壓的要求，此變電站選用104節(jié)2V閥控蓄電池。

1.3 蓄電池容量計(jì)算

根據(jù)蓄電池終止電壓和放電電壓，可以查得此變電站閥控式密封鉛酸蓄電池（單體2V）的容量換算系數(shù)，見表2。

表2 閥控式密封鉛酸蓄電池（單體2V）的容量換算系數(shù)

按蓄電池容量階梯計(jì)算法計(jì)算蓄電池容量，根據(jù)表2找出對(duì)應(yīng)階段各計(jì)算參數(shù)，詳見表3。

表3 各階段計(jì)算參數(shù)

表3中，Kk為蓄電池可靠系數(shù)；Kc為1min放電時(shí)的容量換算系數(shù)，1／h；Kcr為隨機(jī)沖擊負(fù)荷（5s）的容量換算系數(shù)，1／h；Kc1為各計(jì)算機(jī)階段中全部放電時(shí)間的容量換算系數(shù)，1／h；Kc2為各計(jì)算機(jī)階段中除第1階梯時(shí)間外放電時(shí)間的容量換算系數(shù)，1／h；Kc3為各計(jì)算機(jī)階段中除第1、2階梯時(shí)間外放電時(shí)間的容量換算系數(shù)，1／h；Kcn為各計(jì)算機(jī)階段中最后一個(gè)階梯放電時(shí)間的容量換算系數(shù)，1／h；Cc1為蓄電池10h放電率第一階段的計(jì)算容量，Ah；Cc2為蓄電池10h放電率第二階段的計(jì)算容量，Ah；Cc3為蓄電池10h放電率第三階段的計(jì)算容量，Ah；Cc4為蓄電池10h放電率第四階段的計(jì)算容量，Ah；Cr為隨機(jī)負(fù)荷計(jì)算容量。

根據(jù)階梯容量計(jì)算公式，計(jì)算各階段容量。

Kk＝裕度系數(shù)×老化系數(shù)×溫度修正系數(shù)＝1.15×1.10×1.10＝1.3915，故Kk按常規(guī)取1.40，

得出：

將Cr疊加在Cc2～Ccn中最大的階段上，然后與C1相比較，取最大值，即為蓄電池的計(jì)算容量，得出：

最大計(jì)算容量Cc＝Ccm＋Cr＝326.68Ah

根據(jù)蓄電池容量規(guī)格，此站選用400Ah電池；根據(jù)直流負(fù)荷情況，利用蓄電池容量階梯計(jì)算法，本變電站最終選擇104節(jié)2V 400Ah閥控式鉛酸蓄電池。

2 智能型高頻開關(guān)充電裝置選擇

2.1 智能型高頻開關(guān)充電模塊配置和數(shù)量選擇

蓄電池配置一組高頻開關(guān)充電模塊，模塊輸出電流計(jì)算公式如下：

根據(jù)充電模塊輸出額定電流Ir及充電模塊容量規(guī)格，單個(gè)智能型高頻開關(guān)充電模塊額定輸出電流Ime選擇30A比較合適，則：

基本模塊個(gè)數(shù)n1≥Ir／Ime＝（1.0I10～1.25I10＋I(xiàn)jc）／Ime＝（121.65～131.65）／30。

n1選5，附加模塊數(shù)量n2＝1（n1≤6），則充電模塊數(shù)n＝n1＋n2＝6。

根據(jù)上述計(jì)算，此變電站選擇6個(gè)30A高頻開關(guān)電源模塊。

式中，I10為鉛酸蓄電池10h放電率電流，A；Ijc為經(jīng)常負(fù)荷電流，A；Ime為單個(gè)模塊額定電流，A；n為高頻開關(guān)電源模塊選擇的數(shù)量；n1為高頻開關(guān)電源基本模塊選擇的數(shù)量；n2為高頻開關(guān)電源附加模塊選擇的數(shù)量。

2.2 智能型高頻開關(guān)充電模塊交流輸入電流計(jì)算

單個(gè)智能型高頻開關(guān)充電模塊交流輸入電流根據(jù)以下公式計(jì)算：

式中，K1為整流器的接線系數(shù)，三相橋式取1.05；K2為交流功率換算成電流時(shí)的系數(shù)，三相380V時(shí)為1.52，單相380V時(shí)為2.63，單相220V時(shí)為2.55；K3為校正系數(shù)，硅整流器可取1.1～1.2，可控硅整流器可取1.2～1.3；Prd為整流器直流輸出額定功率，kW；Urd為整流器直流輸出額定電壓，V；Ird為整流器直流輸出額定電流，A。

故單個(gè)智能型高頻開關(guān)充電模塊交流輸入電流為：

整個(gè)直流系統(tǒng)交流輸入電流為：

根據(jù)計(jì)算，單個(gè)智能型高頻開關(guān)充電模塊交流輸入斷路器電流選用16A交流空氣開關(guān)，直流系統(tǒng)交流輸入進(jìn)線斷路器電流選用100A塑殼斷路器，因電站只配置一組電池一套充電裝置，為保證系統(tǒng)的可靠性，交流進(jìn)線采用雙路交流輸入電源。

2.3 充電裝置輸出電流計(jì)算

斷路器額定電流按充電裝置額定輸出電流選擇，即：

式中，In為充電裝置輸出回路斷路器額定電流；Im為充電裝置額定輸出電流；Kk為可靠系數(shù)，取1.2，得出：

根據(jù)計(jì)算，充電裝置輸出斷路器額定電流選用225A塑殼斷路器。

3 斷路器和電涌保護(hù)器選擇

3.1 蓄電池組出口回路

蓄電池組出口回路采用熔斷器，因熔斷器簡單、經(jīng)濟(jì)，與下一級(jí)保護(hù)容易配合，且有明顯的斷點(diǎn)，檢修和維護(hù)都比較方便。熔斷器額定電流按以下2種情況中電流最大者選擇。

1）熔斷器額定電流按閥控式鉛酸蓄電池的5.5倍10h放電率電流選擇，即：

式中，In為蓄電池組出口回路斷路器額定電流，A；I10為蓄電池10h放電率電流。即：

2）熔斷器額定電流按保護(hù)動(dòng)作選擇性條件選擇，熔斷器或斷路器額定電流應(yīng)大于2倍及以上直流母線饋線中最大斷路器的額定電流，即：

此站直流母線饋線中最大斷路器的額定電流為交流不停電電源，斷路器電流為40A。

取以上兩種情況中電流最大者為熔斷器額定電流，所以熔斷器電流要大于220A，根據(jù)熔斷器容量規(guī)格，此變電站熔斷器選用300A。因事故放電初期（1min）放電電流比較大，所以還要校驗(yàn)事故放電初期（1min）放電電流。

300A＞120.08A（Icho），滿足要求。

值得注意的是：此處熔斷器應(yīng)選用G特性低壓熔斷器。G特性指的是全范圍分?jǐn)?，即從約定熔斷電流直至短路分?jǐn)嚯娏鞣秶鷥?nèi)的電流都能分?jǐn)?。同時(shí)蓄電池組總出口熔斷器還應(yīng)有報(bào)警觸點(diǎn)，報(bào)警信號(hào)可靠上傳至監(jiān)控系統(tǒng)。此處蓄電池組總出口回路也可以用斷路器，如果采用斷路器，應(yīng)選擇僅帶有過載保護(hù)和短延時(shí)保護(hù)脫扣短的斷路器，還應(yīng)考慮與下級(jí)斷路器的配合。

3.2 試驗(yàn)放電裝置的額定電流計(jì)算

鉛酸蓄電池一般按1.0I10放電，考慮到裝置額定電流需要有一定的范圍和裕度，故選擇時(shí)可按1.0I10～1.30I10選擇，本變電站按1.2I10選擇試驗(yàn)放電裝置的額定電流。

即In≥1.2×40＝48A

根據(jù)計(jì)算，試驗(yàn)放電裝置斷路器選擇50A。

3.3 饋線斷路器

饋線斷路器選用帶有瞬時(shí)保護(hù)和反時(shí)限過電流保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)二段式直流斷路器。饋線斷路器額定電流按設(shè)備計(jì)算電流的1.2倍即可。

3.4 電涌保護(hù)器及電涌專用后備保護(hù)器

目前普遍使用熔斷器和微型斷路器做電涌后備保護(hù)器，但熔斷器和微型斷路器短路分?jǐn)嗄芰Φ?，容易引起電涌保護(hù)器SPD起火，且電涌耐受能力差。浪涌專用后備保護(hù)裝置，是近年來出現(xiàn)的防雷專用裝置，其工作原理是根據(jù)雷電流和工頻電流傳輸速度的不同，通過內(nèi)部電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬態(tài)電流和工頻電流進(jìn)行區(qū)分，并通過不同的路徑對(duì)其進(jìn)行分流。浪涌專用后備保護(hù)裝置在電網(wǎng)異常時(shí)，當(dāng)工頻電流達(dá)到很小電流（3A）時(shí)，可快速 （0.1s內(nèi)）切斷工頻電流，保護(hù)電涌保護(hù)器SPD不起火，同時(shí)耐受高沖擊電流，使雷電流順利泄放入地。直流系統(tǒng)選用C級(jí)防雷，選用20kA／4P電涌保護(hù)器及電涌專用后備保護(hù)器即可。

根據(jù)上面的計(jì)算和選型，做出直流系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖，詳見下圖所示。

圖 直流系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)束語

直流系統(tǒng)在變電站的作用很重要，直流系統(tǒng)故障有可能會(huì)影響到電網(wǎng)的穩(wěn)定和設(shè)備的運(yùn)行。根據(jù)現(xiàn)在110kV變電站對(duì)直流系統(tǒng)可靠性要求的進(jìn)一步提高，及蓄電池運(yùn)行維護(hù)的需要，重要的110kV變電站已要求配置2組蓄電池，雖然經(jīng)濟(jì)成本大幅提高，但運(yùn)行可靠性得到了很大提高，且運(yùn)行方式靈活，維護(hù)起來方便。