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摘 要: 电力直流电源在电力系统关系着电网的安全稳定运行，为了使设备正常运行和进行事故处理，可靠的直流电源是必不可缺少的。本文主要对直流电源在电力系统中的重要性，以及充放电设备选择、监控装置设置、系统接线和操作保护设备选择等在直流电源可靠性方面存在的一些问题和解决办法。
关键词:电源; 优化配置
前言
多年以来，人们在直流电源可靠性方面做了大量的理论研究和实践工作，废除了一些落后设备和元器件，改善了系统接线，提高了自动化水平，拥有了先进的技术指标，以及长寿命和少维护的原则，可靠性已大大提高。目前，高频开关电源、电池在线监测、绝缘在线监测在发电厂、变电站中获得了广泛应用。但是在蓄电池选择、充放电设备选择、监控装置设置、系统接线和操作保护设备选择等方面仍然存在一些影响直流电源可靠性的问题。除了设备技术质量方面的问题之外，本文将从设计选型方面对直流电源可靠性方面提出一些问题和解决办法。
直流操作电源系统是发电厂、变电站中不可缺少的二次设备之一,它的可靠性直接影响发电厂和变电站设备的安全可靠运行。为了使设备正常运行和进行事故处理，可靠的直流电源是必不可缺少的，它给在正常运行中的电力设备提供控制、保护、信号电源，使高压断路器可以正常操作，尤其是当电力系统事故交流电源停电时，更需要一套安全可靠的直流电源，它除了给上述负荷供电外，还要给直流电动机、事故照明及UPS等负荷供电，才能保证电力系统的事故处理和恢复供电。
1双充电机双电池直流系统简介
双充电机双电池直流系统原理图如图1 所示。
图1 双充电机双电池直流系统原理图
此直流系统是采用双充电机双电池构成的22 系统 ,因为采用的是双机备份 ,所以一般用在重要不能长时间停电的发电厂、变电站中。此系统由两套充电机、两组蓄电池、两套电池巡检装置、一套微机绝缘装置、两段母线及开关构成。为防止两组蓄电池并列运行 ,造成两组蓄电池之间环流 ,安装了四只隔离二极管(1D1、1D2、2D1、2D2) 。这里需要指出的是尽量不采用两套微机绝缘装置分挂两段母线上 ,而采用两段母线共用一套微机绝缘装置 ,这是因为有些微机绝缘装置工作原理是检查接地时对地注入信号 ,当任何一套充电设备故障时 ,合上Q5 母连开关 ,两段母线合为一段 ,当有接地故障时 ,两套绝缘装置都对接地点注入信号 ,将互相干扰 ,严重影响接地点的正确查找。
1.1充电系统
1.1.1微机控制的可控硅整流器
工作参数。
1.1.2高频开关电源模块(充电模块)与监控装置
充电模块具有体积小 ,重量轻 ,容量大等特点 ,采用 N + 1 备份 ,经济性好 ,可靠性高等特点。充电模块工作原理如图2 所示。
图2 充电模块原理图
三相交流电源经过 EMI滤波器输入到整流电路 ,将交流整流为脉动的直流输出 ,通过无功率因素校正(PFC)电路 ,将脉动的直流转换为平直的直流电源 ,DC／AC高频逆变器将直流转换为高频交流电源 ,通过高频整流电路将高频的 AC转换为高频脉动的直流 ,此直流通过高频滤波输出。其中DC／AC高频变换电路在脉宽调制(PWM)电路的控制下通过调整变换电路的脉冲宽度 ,以实现电压调整(包括稳压和电压整定) 。整个充电模块在微机系统的监控下工作 ,包括模块的保护、电压调整等 ,同时微机实现将充电模块的运行数据上报到监控模块和接受监控模块的控制命令。充电模块的主要功能是实现 AC／DC 变换。充电模块可以在自动(监控模块控制)和手动(人为控制)两种工作方式下工作。高频开关电源模块的通用技术指标如表 1～3 所示
表1 充电模块输入特性表
表2 充电模块输出特性表
表3 充电模块保护特性表
监控装置配有标准 RS- 485或 RS- 232接口 ,微机监控接口能和发电厂、变电站综合自动化连接 ,使直流电源的运行状况及时方便的传输到集控中心 ,具有遥测、遥信、遥控和遥调功能。具体指标如表4 所示。
表4 监控功能说明
2直流电源的配置
2.1 整流器交流输入回路的数量
2.2 高频开关整流模块和充电设备数量的选择原则
对于相控整流电源 ,一般要求有两套独立的整流系统 ,一套工作 ,一套备用 ,并能自动切换。对于高频开关电源 ,采用 N + 1 模块冗余设置方式 ,这是因为一个模块故障不影响整组充电设备的正常工作 ,这与单机工作的相控充电设备有着质的不同。同时 ,高频开关整流模块可带电插拔 ,使得故障更换没有时间限制。
根据《火力发电厂、变电站直流系统设计技术规范》(DL／T5044 - 95) ,充电设备的额定电流应为:
Is=0.1C10 + If
式中:Is—充电设备的额定电流
If —直流系统经常负荷电流
C10 —蓄电池10 小时放电电流
2.3 直流母线硅堆降压回路的设置
过去变电站的断路器多为电磁机构 ,合闸电流较大 ,另外 ,蓄电池(220V 系统电池多采用 108 只)在充放电过程中的电压变化较大 ,为满足对直流母线电压水平的要求(220V ±5) ,一般在合闸母线与控制母线之间设置硅堆降压装置。目前 ,变电站的断路器多采用弹簧和液压机构 ,合闸电流较小 ,采用阀控式铅酸免维护蓄电池(220V 系统电池多采用104 只) ,在充放电时电压变化范围小 ,可以不设硅堆降压装置 ,把合闸母线与控制母线合二为一。
3 蓄電池系统
3.1 蓄电池容量的选择
3.2 蓄电池系统的监控
4 直流绝缘监测系统
变电站直流系统是一个十分庞大的多分支供电系统 ,其常见的故障是一点接地故障。在一般情况下 ,一点接地并不影响直流系统的运行。但如不能迅速找到接地故障点并予以修复 ,又发生另一点接地故障时 ,就可能造成继电器或保护装置的误动作 ,酿成重大事故。过去 ,变电站直流系统一般选用电磁型继电器构成的绝缘监测装置 ,它是利用电桥平衡的原理 ,主要存在以下问题∶当直流系统正负极绝缘电阻同等下降时 ,电桥未失去平衡 , 绝缘监测装置不能发出报警信号; 绝缘监测装置发出报警信号后 ,运行人员需要通过拉路的方法确定接地支路 ,费时费力且存在安全隐患。
5 事故照明系统
在发电厂、变电站站内发生事故 ,站用交流全部失电时 ,需要一套事故照明系统给厂房、变电站照明系统提供直流不间断供电 ,以利于站内维修人员及时处理故障。事故照明系统原理图如图 3 所示。事故照明系统选用时 ,一般要根据厂房、变电站照明网络供电 , 厂房、变电站中正常照明网络电压应为 AC380/AC220V ,事故照明电源可由直流电源屏提供 ,其电源电压为DC220V 或DC110V。照明器端电压的偏移 ,一般不应高于额定电压的 105 %; 对视觉要求较高的室内照明为额定电压的 97. 5 %,如中控制室、生产办公楼等; 一般室内、室外工作场所的照明为额定电压的 95 %; 事故照明、道路照明、安全照明及电压为 12～36V 的照明为额定电压的90 %。厂房、变电站中正常照明供电由一台或二台厂/站用电提供 ,先引到交流电源屏再由该屏分配若干回路 ,引至照明配电箱。交流电源屏兼顾其他电气二次设备微机、通讯等供电。事故照明系统应由直流电源屏直流系统供电。事故照明与正常照明可同时运行 ,正常时由所用电源供电 ,事故时应能自动切换到直流母线供电。厂房、变电站的事故照明根据具体情况也可以采用多盏应急灯照明。厂房、变电站照明线路负荷计算 , 应根据照明线路所带负荷具体情况及分支、干线特性进行计算 ,具体公式如下:
照明分支线路负荷计算:
图3 事故照明原理图
6 通信用直流电源
变电站实行无人值班后,变电站的所有信息需要通过通信远动设备可靠迅速地传输到集控站或调度端,因此通信远动设备运行的可靠性显得尤为重要,而通信远动设备供电电源是否能稳定运行是通信远动设备可靠运行的重要环节。
一种方法是通信远动设备的电源是独立的一套电源系统,由 - 48V 充电机、蓄电池组和配电屏组成,有专用的通信电源室,由变电站运行人员负责管理或通过通信端口与上位机相连实现无人值守。这种方法需要单配一组蓄电池。
另一种方法是 ,利用变电站现有的220V直流系统,在直流电源装置上安装两台 - 220V/- 48V10A直流变换器。这样处理通信远动设备的电源问题,具有以下优点:
1)减少了一套通信远动专用的直流电源系统 ,同时也省去了相应的厂房等设施 ,节省了投资和维护费用。
2)两台- 220V/- 48V直流变换器并联运行,互为备用, 直流变换器含有微机接口,和变电站综合自动化通信网相连,具有实时监测功能 ,这也为通信用直流电源提供了可靠保证。
3)控制和保护用直流电源与通信远动用直流电源合二为一,控制和保护用直流电源配备的大容量的蓄电池也为通信用直流电源提供了大容量的后备电源。
4)控制和保护用直流电源是变电站非常重要的设备,操作队人员巡视时重视 ,安全运行可靠性高 ,这也为通信远动用直流电源提供了可靠保证。
7结论
直流电源是电力系统重要设备,作为发电厂、变电站自动控制、保护、开关分合、事故照明等的重要电源 ,其性能和质量的好坏直接关系到电网的稳定运行和设备安全。特别是在变电站实行无人值班后,要求直流电源的可靠性及自动化程度更高、功能更完善。所以在电力系统中正确配置直流系统对电网的稳定运行和设备安全是至关重要的。
参考文献:
1 关根志,贺景亮. 电气设备的绝缘在线监测与状态维修
2 姜丽君. 集成电路物移相触发器《电力电子技术》
3 李中川.《酸蓄电池监测基础知识》
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词:电源; 优化配置
前言
多年以来，人们在直流电源可靠性方面做了大量的理论研究和实践工作，废除了一些落后设备和元器件，改善了系统接线，提高了自动化水平，拥有了先进的技术指标，以及长寿命和少维护的原则，可靠性已大大提高。目前，高频开关电源、电池在线监测、绝缘在线监测在发电厂、变电站中获得了广泛应用。但是在蓄电池选择、充放电设备选择、监控装置设置、系统接线和操作保护设备选择等方面仍然存在一些影响直流电源可靠性的问题。除了设备技术质量方面的问题之外，本文将从设计选型方面对直流电源可靠性方面提出一些问题和解决办法。
直流操作电源系统是发电厂、变电站中不可缺少的二次设备之一,它的可靠性直接影响发电厂和变电站设备的安全可靠运行。为了使设备正常运行和进行事故处理，可靠的直流电源是必不可缺少的，它给在正常运行中的电力设备提供控制、保护、信号电源，使高压断路器可以正常操作，尤其是当电力系统事故交流电源停电时，更需要一套安全可靠的直流电源，它除了给上述负荷供电外，还要给直流电动机、事故照明及UPS等负荷供电，才能保证电力系统的事故处理和恢复供电。
1双充电机双电池直流系统简介
双充电机双电池直流系统原理图如图1 所示。
图1 双充电机双电池直流系统原理图
此直流系统是采用双充电机双电池构成的22 系统 ,因为采用的是双机备份 ,所以一般用在重要不能长时间停电的发电厂、变电站中。此系统由两套充电机、两组蓄电池、两套电池巡检装置、一套微机绝缘装置、两段母线及开关构成。为防止两组蓄电池并列运行 ,造成两组蓄电池之间环流 ,安装了四只隔离二极管(1D1、1D2、2D1、2D2) 。这里需要指出的是尽量不采用两套微机绝缘装置分挂两段母线上 ,而采用两段母线共用一套微机绝缘装置 ,这是因为有些微机绝缘装置工作原理是检查接地时对地注入信号 ,当任何一套充电设备故障时 ,合上Q5 母连开关 ,两段母线合为一段 ,当有接地故障时 ,两套绝缘装置都对接地点注入信号 ,将互相干扰 ,严重影响接地点的正确查找。
1.1充电系统
1.1.1微机控制的可控硅整流器
工作参数。
1.1.2高频开关电源模块(充电模块)与监控装置
充电模块具有体积小 ,重量轻 ,容量大等特点 ,采用 N + 1 备份 ,经济性好 ,可靠性高等特点。充电模块工作原理如图2 所示。
图2 充电模块原理图
三相交流电源经过 EMI滤波器输入到整流电路 ,将交流整流为脉动的直流输出 ,通过无功率因素校正(PFC)电路 ,将脉动的直流转换为平直的直流电源 ,DC／AC高频逆变器将直流转换为高频交流电源 ,通过高频整流电路将高频的 AC转换为高频脉动的直流 ,此直流通过高频滤波输出。其中DC／AC高频变换电路在脉宽调制(PWM)电路的控制下通过调整变换电路的脉冲宽度 ,以实现电压调整(包括稳压和电压整定) 。整个充电模块在微机系统的监控下工作 ,包括模块的保护、电压调整等 ,同时微机实现将充电模块的运行数据上报到监控模块和接受监控模块的控制命令。充电模块的主要功能是实现 AC／DC 变换。充电模块可以在自动(监控模块控制)和手动(人为控制)两种工作方式下工作。高频开关电源模块的通用技术指标如表 1～3 所示
表1 充电模块输入特性表
表2 充电模块输出特性表
表3 充电模块保护特性表
监控装置配有标准 RS- 485或 RS- 232接口 ,微机监控接口能和发电厂、变电站综合自动化连接 ,使直流电源的运行状况及时方便的传输到集控中心 ,具有遥测、遥信、遥控和遥调功能。具体指标如表4 所示。
表4 监控功能说明
2直流电源的配置
2.1 整流器交流输入回路的数量
2.2 高频开关整流模块和充电设备数量的选择原则
对于相控整流电源 ,一般要求有两套独立的整流系统 ,一套工作 ,一套备用 ,并能自动切换。对于高频开关电源 ,采用 N + 1 模块冗余设置方式 ,这是因为一个模块故障不影响整组充电设备的正常工作 ,这与单机工作的相控充电设备有着质的不同。同时 ,高频开关整流模块可带电插拔 ,使得故障更换没有时间限制。
根据《火力发电厂、变电站直流系统设计技术规范》(DL／T5044 - 95) ,充电设备的额定电流应为:
Is=0.1C10 + If
式中:Is—充电设备的额定电流
If —直流系统经常负荷电流
C10 —蓄电池10 小时放电电流
2.3 直流母线硅堆降压回路的设置
过去变电站的断路器多为电磁机构 ,合闸电流较大 ,另外 ,蓄电池(220V 系统电池多采用 108 只)在充放电过程中的电压变化较大 ,为满足对直流母线电压水平的要求(220V ±5) ,一般在合闸母线与控制母线之间设置硅堆降压装置。目前 ,变电站的断路器多采用弹簧和液压机构 ,合闸电流较小 ,采用阀控式铅酸免维护蓄电池(220V 系统电池多采用104 只) ,在充放电时电压变化范围小 ,可以不设硅堆降压装置 ,把合闸母线与控制母线合二为一。
3 蓄電池系统
3.1 蓄电池容量的选择
3.2 蓄电池系统的监控
4 直流绝缘监测系统
变电站直流系统是一个十分庞大的多分支供电系统 ,其常见的故障是一点接地故障。在一般情况下 ,一点接地并不影响直流系统的运行。但如不能迅速找到接地故障点并予以修复 ,又发生另一点接地故障时 ,就可能造成继电器或保护装置的误动作 ,酿成重大事故。过去 ,变电站直流系统一般选用电磁型继电器构成的绝缘监测装置 ,它是利用电桥平衡的原理 ,主要存在以下问题∶当直流系统正负极绝缘电阻同等下降时 ,电桥未失去平衡 , 绝缘监测装置不能发出报警信号; 绝缘监测装置发出报警信号后 ,运行人员需要通过拉路的方法确定接地支路 ,费时费力且存在安全隐患。
5 事故照明系统
在发电厂、变电站站内发生事故 ,站用交流全部失电时 ,需要一套事故照明系统给厂房、变电站照明系统提供直流不间断供电 ,以利于站内维修人员及时处理故障。事故照明系统原理图如图 3 所示。事故照明系统选用时 ,一般要根据厂房、变电站照明网络供电 , 厂房、变电站中正常照明网络电压应为 AC380/AC220V ,事故照明电源可由直流电源屏提供 ,其电源电压为DC220V 或DC110V。照明器端电压的偏移 ,一般不应高于额定电压的 105 %; 对视觉要求较高的室内照明为额定电压的 97. 5 %,如中控制室、生产办公楼等; 一般室内、室外工作场所的照明为额定电压的 95 %; 事故照明、道路照明、安全照明及电压为 12～36V 的照明为额定电压的90 %。厂房、变电站中正常照明供电由一台或二台厂/站用电提供 ,先引到交流电源屏再由该屏分配若干回路 ,引至照明配电箱。交流电源屏兼顾其他电气二次设备微机、通讯等供电。事故照明系统应由直流电源屏直流系统供电。事故照明与正常照明可同时运行 ,正常时由所用电源供电 ,事故时应能自动切换到直流母线供电。厂房、变电站的事故照明根据具体情况也可以采用多盏应急灯照明。厂房、变电站照明线路负荷计算 , 应根据照明线路所带负荷具体情况及分支、干线特性进行计算 ,具体公式如下:
照明分支线路负荷计算:
图3 事故照明原理图
6 通信用直流电源
变电站实行无人值班后,变电站的所有信息需要通过通信远动设备可靠迅速地传输到集控站或调度端,因此通信远动设备运行的可靠性显得尤为重要,而通信远动设备供电电源是否能稳定运行是通信远动设备可靠运行的重要环节。
一种方法是通信远动设备的电源是独立的一套电源系统,由 - 48V 充电机、蓄电池组和配电屏组成,有专用的通信电源室,由变电站运行人员负责管理或通过通信端口与上位机相连实现无人值守。这种方法需要单配一组蓄电池。
另一种方法是 ,利用变电站现有的220V直流系统,在直流电源装置上安装两台 - 220V/- 48V10A直流变换器。这样处理通信远动设备的电源问题,具有以下优点:
1)减少了一套通信远动专用的直流电源系统 ,同时也省去了相应的厂房等设施 ,节省了投资和维护费用。
2)两台- 220V/- 48V直流变换器并联运行,互为备用, 直流变换器含有微机接口,和变电站综合自动化通信网相连,具有实时监测功能 ,这也为通信用直流电源提供了可靠保证。
3)控制和保护用直流电源与通信远动用直流电源合二为一,控制和保护用直流电源配备的大容量的蓄电池也为通信用直流电源提供了大容量的后备电源。
4)控制和保护用直流电源是变电站非常重要的设备,操作队人员巡视时重视 ,安全运行可靠性高 ,这也为通信远动用直流电源提供了可靠保证。
7结论
直流电源是电力系统重要设备,作为发电厂、变电站自动控制、保护、开关分合、事故照明等的重要电源 ,其性能和质量的好坏直接关系到电网的稳定运行和设备安全。特别是在变电站实行无人值班后,要求直流电源的可靠性及自动化程度更高、功能更完善。所以在电力系统中正确配置直流系统对电网的稳定运行和设备安全是至关重要的。
参考文献:
1 关根志,贺景亮. 电气设备的绝缘在线监测与状态维修
2 姜丽君. 集成电路物移相触发器《电力电子技术》
3 李中川.《酸蓄电池监测基础知识》
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。