10kV變電所直流操作電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許茹斐

（華陸工程科技有限責(zé)任公司，西安710000）

1 引言

本文以某化工廠10kV變電所直流操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)介紹了變電所二次回路設(shè)計(jì)中正確選擇直流操作電源系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容。該變電所內(nèi)配置2段10kV母線，每段9個(gè)饋線，有2臺(tái)變壓器。采用220V直流操作系統(tǒng)。

2 直流操作電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 直流電壓選擇

變電所直流電源操作系統(tǒng)電壓應(yīng)根據(jù)用電設(shè)備類型、額定容量、供電距離和安裝地點(diǎn)等確定，本變電采用控制負(fù)荷和動(dòng)力負(fù)荷合并供電的直流電源系統(tǒng)；220V與110V額定電壓相比，可減小電纜的截面面積，降低電纜投資，并且減小蓄電池容量，便于安裝。故該電源系統(tǒng)電壓選用220V。

2.2 直流系統(tǒng)接線方式

本變電所選擇單母線接線形式，具體如圖1所示。

直流系統(tǒng)由1組蓄電池、1組整流器組成，直流母線為單母線接線。正常運(yùn)行時(shí)，充電裝置經(jīng)動(dòng)力直流母線對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，同時(shí)，經(jīng)硅堆降壓裝置向控制直流母線提供負(fù)荷電流，蓄電池的浮充或均充電壓即為動(dòng)力直流母線正常的輸出電壓。

圖1 單母線接線圖

2.3 蓄電池的選擇

2.3.1 蓄電池?cái)?shù)量的計(jì)算

1）按浮充電運(yùn)行時(shí)單體電池正常浮充電電壓值和直流母線電壓為1.05UN（UN=220V）來確定蓄電池?cái)?shù)量，本站選擇閥控式鉛酸蓄電池，單個(gè)電池的浮充電壓Uf=2.25V，蓄電池?cái)?shù)量計(jì)算如下：

蓄電池?cái)?shù)量取值為103個(gè)。

2）校核均衡充電時(shí)直流母線電壓為：

3）校核放電終止時(shí)直流母線電壓為：

放電終止時(shí)直流母線電壓保持在允許范圍內(nèi)，考慮到直流系統(tǒng)中有沖擊負(fù)荷，為滿足沖擊負(fù)荷對(duì)直流母線的電壓要求，故電池?cái)?shù)量選擇103個(gè)。

2.3.2 蓄電池容量的選擇

根據(jù)事故放電電流進(jìn)行容量計(jì)算，這樣按照直流母線的最小允許電壓決定了單個(gè)電池的放電終止電壓。容量根據(jù)電池形式、終止電壓和放電時(shí)間不同，其計(jì)算時(shí)間不同，查表得到容量轉(zhuǎn)換系數(shù)。末期放電電壓為1.87V，換算系數(shù)為KC=0.94h-1，KC1=0.292h-1，KC2=0.29h-1。

按第一階段容量：

按第二階段容量：

隨機(jī)（5s）負(fù)荷計(jì)算容量：

式中，CC1、CC2為蓄電池10h放電率第一階段與第二階段的計(jì)算容量，A·h；CR為隨機(jī)（5s）負(fù)荷計(jì)算容量，A·h；I1、I2為第一階段與第二階段的負(fù)荷電流，A；IR為隨機(jī)（5s）負(fù)荷電流，A；KK為可靠性系數(shù)，取1.4；KC為1min放電時(shí)的容量換算系數(shù)，h-1；KCR為隨機(jī)（5s）負(fù)荷的容量換算系數(shù)，h-1；KC1為各計(jì)算階段中全部放電時(shí)間的容量換算系數(shù)，h-1；KC2為各計(jì)算階段中除第1階梯時(shí)間外放電時(shí)間的容量換算系數(shù)，h-1。

將CR疊加在CC2，…，CCn上，然后進(jìn)行比較，取其大者，即為蓄電池計(jì)算容量。

蓄電池容量為30.74+4.7=35.44A·h，考慮備用選擇63A·h。

2.4 直流饋線單元

所有電路負(fù)載開關(guān)均采用開斷能力大于6kA的直流斷路器，以保證直流負(fù)載側(cè)故障時(shí)對(duì)應(yīng)支路的可靠開斷。其容量與系統(tǒng)的上、下開關(guān)相匹配，保證了開關(guān)動(dòng)作的可靠性和選擇性。

2.4.1 直流斷路器

直流斷路器具有快斷保護(hù)和過流保護(hù)功能，直流斷路器的選擇如下：（1）額定電壓大于或等于回路的最大工作電壓；（2）額定電流應(yīng)大于回路的最大工作電流；（3）直流斷路器的分段能力及短時(shí)耐受電流大于通過直流斷路器的最大短路電流。

2.4.2 斷路器的額定電流

1）充電裝置輸出回路

斷路器額定電流應(yīng)按充電裝置額定輸出電流選擇，即：

式中，IN為直流斷路器額定電流，A；IrN為充電裝置額定輸出電流，A；KK為可靠性系數(shù)，取1.2。

2）斷路器控制、保護(hù)、信號(hào)回路

式中，IN為直流斷路器額定電流，A；KC為同時(shí)系數(shù)，取0.8；Icc為控制負(fù)荷計(jì)算電流，A；Icp為保護(hù)負(fù)荷計(jì)算電流，A；Ics為信號(hào)負(fù)荷計(jì)算電流，A。

2.4.3 蓄電池組出口回路

1）斷路器額定電流按蓄電池的1h放電率電流選擇，即：

式中，I1為蓄電池1h放電率電流，A，鉛酸蓄電池可取5.5I10。

2）按保護(hù)動(dòng)作的選擇性條件，即額定電流應(yīng)大于直流饋線斷路器額定電流的最大選擇之一，即：

式中，Imax為直流饋線中直流斷路器最大的額定電流，A；KC4為配合系數(shù)，一般可取2.0，必要時(shí)取3.0。

2.5 監(jiān)控單元

直流電力系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)包括充電監(jiān)測(cè)、配電監(jiān)測(cè)和絕緣監(jiān)測(cè)。采用分散測(cè)控、集中管理的分布式模式，設(shè)置充電模塊數(shù)量，開關(guān)機(jī)控制，電池自動(dòng)管理保護(hù)。

2.6 總結(jié)

本變電站直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如下：系統(tǒng)電壓為220V；蓄電池采用閥控式密封鉛酸蓄電池，浮動(dòng)充電操作，浮動(dòng)充電電壓為2.35V，電池容量選擇63A·h，n=103，電壓校準(zhǔn)結(jié)果是符合要求的。

電池充電裝置選取2組，每組充電模塊為2個(gè)，共4個(gè)，額定工作電流為10A，每組充電裝置出口電流為9.675A。

蓄電池出口斷路器的額定電流按蓄電池的1h放電率電流和保護(hù)動(dòng)作性進(jìn)行計(jì)算，選擇其中數(shù)值較大者作為斷路器額定電流即為35.75A[3]。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著電網(wǎng)自動(dòng)化水平的不斷提高，直流供電系統(tǒng)作為變電站監(jiān)控和保護(hù)的重要環(huán)節(jié)越來越重要。只有依據(jù)計(jì)算電池及其充電電路的實(shí)際負(fù)載合理設(shè)計(jì)，才能使整個(gè)直流系統(tǒng)在可靠性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性方面得到合理配置。