從幾個角度探討220kV及以下變電所直流系統的設計

摘要：隨著電力系統的飛速發展，保護設備的增多，對直流系統可靠性和穩定性的要求越來越高，直流系統故障將嚴重影響到系統的安全穩定運行。為此，本文針對220K V及以下變電所直流系統的合理設計進行簡要論述。目前220kV及以下變電所直流系統設計已普遍采用高頻開關電源充電模塊，閥控式密封鉛酸蓄電池，系統接線形式一般為單母線分段接線，控制母線與合閘母線合一，直流網絡基本以輻射供電方式為主。

關鍵詞：蓄電池個數 直流系統 直流電纜截面

電力市場的競爭要求我們必須認真分析現有系統的運行管理狀況，不斷總結經驗，并善于跟蹤、學習新的技術發展趨勢，全面提高繼電保護專業管理水平，才能為電網安全運行、企業參與市場競爭注入新的活力。

1 蓄電池個數選擇

目前新設計220kV及以下變電所直流系統普遍采用控制母線與合閘母線合一的形式。在此模式下，每組蓄電池組閥控式密封鉛酸蓄電池個數選擇需綜合考慮正常浮充電時直流系統母線電壓值、直流負荷允許最高電壓值、直流負荷允許最低電壓值，并結合蓄電池廠家推薦的電池單體最佳浮充電壓值、最佳均充電壓值來確定。

一般確定方法分三步：第一步，先根據《電力工程直流系統設計技術規程》DL/T 5044-2004[1]規定“在正常運行情況下，直流母線電壓應為直流系統標稱電壓的105%”和蓄電池廠家推薦的電池單體最佳浮充電壓值計算出電池個數。第二步，按此電池個數根據規程規定“在均衡充電運行情況下，直流母線電壓對控制負荷和動力負荷合并供電的直流系統，應不高于直流系統標稱電壓的110%”計算出電池單體均充電壓值，校核此電壓值是否在廠家推薦的最佳單體均充電壓范圍內。第三步，根據第一步確定的電池個數根據規程規定“在事故放電情況下，蓄電池出口端電壓對控制負荷和動力負荷合并供電的直流系統，宜不低于直流系統標稱電壓的87.5%”計算出電池單體終止電壓值。目前主流閥控式密封鉛酸蓄電池，廠家一般均給出在某一溫度下，一個固定的單體最佳浮充電壓值和一個范圍的單體最佳均充電壓值，也有廠家給出的這兩個值都是一個固定值。比如目前使用量較大的某種進口閥控式密封鉛酸蓄電池，在25℃時廠家推薦最佳浮充電壓2.27V，均充電壓2.35V。按上面的步驟對110V直流系統進行蓄電池個數選擇計算如表1。

表1 蓄電池個數選擇計算表

從表中可看出，蓄電池個數選擇是很難同時滿足這兩個推薦值的，本文認為這種情況應優先滿足最佳浮充電壓值，即蓄電池個數取52只，單體浮充電壓取2.27V，均充電壓取2.33V。

2 直流供電網絡設計

目前新設計220kV及以下變電所直流網絡以輻射供電方式為主，主控室或繼電保護室取消了二次屏柜上的直流電壓小母線，所有二次屏柜直流電源均直接由直流饋線柜輻射供電。每一保護屏均分別從Ⅰ段直流母線、Ⅱ段直流母線各引一路饋線，形成雙路電源供電，雙路電源工作方式有幾種設計方案：方案一，正常時一路工作，另一路作冷備用，兩路電源在保護屏上并接，一套直流系統故障或檢修時，人工手動切換。此方案接線簡單，但如果運行人員不小心同時投上兩路電源饋線開關，將造成兩組蓄電池組并聯運行。方案二，與方案一基本相同，只是在保護屏上增加一單刀雙投開關，可有效避免操作失誤造成兩組蓄電池并聯運行。方案三，在方案一的基礎上，在保護屏增加一自動切換裝置，正常工作時由一路電源供電，另一路電源熱備用，故障時自動切換。此方案接線較復雜，但自動化程度較高。考慮到一套直流系統失電的故障機率較低，本著簡單可靠的原則，本文推薦采用方案二。

220kV、110kV配電裝置直流供電有采用輻射供電方式的設計，也有采用環網供電方式的設計。采用輻射供電主要優點是：網絡接線簡單、可靠，易于查找接地故障點；主要缺點是：直流饋線柜需設置較多動力饋線開關，控制電纜用量較大，經濟性較差。220kV、110kV配電裝置采用環網供電主要優點是：減少控制室與配電裝置場地電纜，減少直流饋線柜動力饋線開關，經濟上較合理。因為新設計220kV及以下變電所斷路操作機構普遍采用彈簧貯能機構，貯能電機功率不大，貯能電機屬不經常短時負荷，環網供電在技術上已可滿足要求，在變電所也有多年運行經驗，所以本文認為220kV、110kV配電裝置宜采用環網供電。

3 直流電纜截面選擇

向220kV、110kV及10kV配電裝置供電的直流電纜，不同電力設計院選擇的電纜截面差別較大，不同運行單位的要求也不大一樣，在工程中比較常見的截面有4mm2、6mm2、10mm2等。規程只對電磁操作機構合閘回路電纜截面提出明確要求，對目前普遍使用的彈簧貯能機構電機電源直流電纜截面沒有提出明確的要求。因為貯能電機功率通常都不大，電纜載流量通常不會對電纜截面選擇產生影響，因此本文將從電壓降的角度分析彈簧貯能機構電機直流電源電纜截面選擇。

斷路器彈簧貯能機構貯能電機正常工作的電壓范圍一般為(-15%～+10%)直流系統標稱電壓。對控制與動力合并供電的直流系統，在正常浮充運行情況下，直流母線電壓為105%標稱電壓，在事故放電情況下，直流母線電壓通常為87.5%標稱電壓。因此從理論上分析，正常浮充運行情況下，彈簧貯能機構電機直流電源電纜電壓降達到20%都可滿足要求，但是在事故放電情況下，電壓降不能大于2.5%。如果按照后者選擇彈簧貯能機構電機直流電源電纜截面，按典型戶外敞開布置220kV變電所，最遠間隔此電纜長度在200～250m之間，220kV斷路器彈簧貯能電機額定功率通常在500～1200W之間，額定電流一般在5～11A，按此條件，根據規程給出公式：

Scac=

式中：

Scac—計算電纜截面，mm2；

ρ—電阻系數，銅導體0.0184Ωmm2/m；

L—電纜長度，m；

Ica—回路短時工作電流，A；

△Up—回路允許電壓降，V。

計算出電纜截面達到30mm2以上，這個截面電纜在直流饋線柜和間隔端子箱上接線都比較困難，實際工程中沒有使用。如果按電壓降20%計算，電纜截面4mm2就滿足要求了。斷路器彈簧貯能機構，電機一次貯能可滿足斷路跳閘一次、合閘一次，全所事故停電后，備用電源合閘或恢復供電，利用貯能彈簧剩余能量可滿足斷路器合閘要求，因此本文認為貯能電機電源電纜截面選擇可不考慮事故放電情況，僅按正常浮充電情況考慮即可。設計時，考慮一定的裕量，可按照電壓降10%進行選擇，計算出電纜截面在6～10mm2之間。

變電所蓄電池個數選擇，先按正常浮充電時母線電壓要求確定個數，再校驗均衡充電時電壓是否合理，最后確定蓄電池終止電壓。

變電所蓄電池容量的選擇，應根據實際直流負荷統計結果通過計算確定，不宜選得太大。變電所配電裝置直流電源宜用環網供電。斷路器彈簧貯能機構電機電源電纜可按10%電壓降進行選擇。

參考文獻：

[1]電力系統繼電保護實用技術問答(第三版)[M].北京：中國電力出版社，2000．

[2]電力工程直流系統設計技術規程[S]．