KV变电站直流系统分析与设计__毕业设计.doc

分类号 郑州电力高等专科学校郑州电力高等专科学校 毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文） 题 目 变电站直流系统分析与设计 并列英文题目 Substation Dc System Analysis And Design 系 部 电力工程系 专业 电气自动化技术 姓 名 刘欢雨 班级 电气 1004 指导教师 皮薇薇 职称 讲师 论文报告提交日期 2013 年 6 月 5 日 变电站直流系统分析与设计 1 摘要摘要 在变电站中，直流系统主要由蓄电池组、充电装置、直流馈线屏、直流配电柜、直流电在变电站中，直流系统主要由蓄电池组、充电装置、直流馈线屏、直流配电柜、直流电 源监测装置、直流分支馈线等部分组成，并由此形成一个庞大、遍布变电站的直流电源供源监测装置、直流分支馈线等部分组成，并由此形成一个庞大、遍布变电站的直流电源供 电网络，为继电保护装置、断路器跳合闸、信号系统、直流充电机、电网络，为继电保护装置、断路器跳合闸、信号系统、直流充电机、UPSUPS、通信等等各个子、通信等等各个子 系统提供安全、可靠地工作电源。系统提供安全、可靠地工作电源。 在本次毕业设计中，我主要是对直流系统的功能做了一个了解，对蓄电池的容量的计算在本次毕业设计中，我主要是对直流系统的功能做了一个了解，对蓄电池的容量的计算 与选择做了重要的分析，对充电装置的分析与选择以及对自动开关额定容量的选择。与选择做了重要的分析，对充电装置的分析与选择以及对自动开关额定容量的选择。 关键词：关键词： 直流系统、蓄电池组、不停电电源、充电装置直流系统、蓄电池组、不停电电源、充电装置 AbstractAbstract InIn substation,substation, thethe DCDC systemsystem mainlymainly byby thethe battery,battery, charger,charger, DCDC feederfeeder screen,screen, DCDC powerpower distributiondistribution cabinet,cabinet, DCDC powerpower supplysupply monitoringmonitoring device,device, DCDC branchbranch feederfeeder components,components, andand thusthus formedformed a a large,large, aroundaround thethe substationsubstation DCDC powerpower supplysupply network,network, relayrelay protectionprotection device,device, circuitcircuit breakerbreaker tripping,tripping, signalsignal system,system, DCDC charger,charger, UPS,UPS, communicationcommunication andand soso onon variousvarious subsystemssubsystems toto provideprovide safe,safe, reliablereliable powerpower supply.supply. InIn thisthis graduationgraduation design,design, I I mainlymainly toto thethe DCDC systemsystem functionsfunctions toto dodo anan understanding,understanding, selectionselection andand calculationcalculation ofof thethe capacitycapacity ofof thethe batterybattery mademade importantimportant analysis,analysis, thethe analysisanalysis andand selectionselection ofof chargingcharging devicedevice andand a a selectionselection ofof ratedrated capacitycapacity automaticautomatic switch.switch. Keywords:Keywords: DCDC system,system, battery,battery, uninterruptibleuninterruptible powerpower supply,supply, chargingcharging devicedevice 变电站直流系统分析与设计 2 目录目录 ABSTRACTABSTRACT 1 1 前言前言 5 5 第一章变电站直流系统功能、重要性论述第一章变电站直流系统功能、重要性论述 6 6 1.1 变电站直流系统的概念及特点.6 6 1.2 直流电源系统的功能重要性及应用 6 6 第二章变电站直流电源技术分析第二章变电站直流电源技术分析 8 8 2.1 充电装置8 8 2.2 蓄电池9 9 2.3 对直流控制电源的基本要求9 9 第三章蓄电池技术分析第三章蓄电池技术分析 1111 3.1 蓄电池的定义与分类 1111 3.2 蓄电池的工作原理概述 1212 3.3 蓄电池的电气特性 1313 3.4 蓄电池的放电特性 1414 3.5 充电方式 1616 第四章第四章 直流系统的接线方式直流系统的接线方式 1717 4.1 直流系统接线分类 1717 4.2 直流系统接线的基本原则和要求 1717 变电站直流系统分析与设计 3 4.3 单母线接线 1818 4.4 单母线分段接线 1919 第五章系统的工作电压第五章系统的工作电压 2020 第六章第六章 计算并选择蓄电池容量计算并选择蓄电池容量 2222 6.1 直流负荷分类 .2222 6.2 发电厂、变电站事故停电时间 .2323 6.3 直流负荷统计（系统工作电压 110V）.2323 6.4 阀控铅酸蓄电池的选择 .2424 第七章第七章 直流充电模块的选择直流充电模块的选择 3232 7.1 高频开关充电模块工作原理 .3232 7.2 充电装置的选择 .3434 第八章第八章 UPSUPS 不间断电源的选择不间断电源的选择3737 8.1 变电站设交流不断电电源的必要性 .3737 8.2 对 UPS 系统的基本要求 .3838 8.3 UPS 的配置方式3838 第九章第九章 通信电源设计通信电源设计 4040 9.1 变电站通信电源 .4040 9.2 通信直流变换器的作用 .4040 9.3 对通信电源的特殊要求 .4040 9.4 DC/DC 通信电源技术指标4141 变电站直流系统分析与设计 4 第十章第十章 各自动开关额定容量的选择各自动开关额定容量的选择 4242 10.1 保护电器选型基本要求 4242 10.2 直流保断路器及开关设备的选择 4343 10.3 控制、保护、信号回路断路器选择 4444 10.4 直流分电柜电源回路 4545 10.5 充电装置输出回路 4545 10.6 蓄电池组出口回路 4545 10.7 直流母线联络电器（隔离开关） 4646 10.8 蓄电池放电回路的断路器 4747 10.9 电气接线图 4848 第十一章第十一章 结论结论 4949 结束语结束语 5050 参考资料参考资料 5151 变电站直流系统分析与设计 5 前言前言 电力控制系统是电力系统和电力设备可靠、高效运行的保证， 所以人们十分关注电力控制技术的发展。经过长期不懈努力，电力 控制技术日臻完善，目前已经达到了十分先进可靠的程度。 电力控制必须具备安全可靠的控制电源。在电力工程中，控制 电源分为两类，一类是直流电源，一类是交流电源。由于直流电源 独立于交流动力电源系统之外，不受交流电源系统事故的影响，具 有安全可靠、运行维护方便等特点，从而得到广泛的应用。在电力 工程中，由于直流电源系统设计不合理、设备选型不当或缺乏正确 的运行管理方法而导致电力设备损坏、系统故事故波及范围扩甚至 造成人身伤亡等事故屡有发生，给电力系统和国家财产造成巨大损 失。所以要求电力系统设计、施工和运行部门必须对直流电源系统 给予高度重视。 变电站直流系统分析与设计 6 第一章第一章 变电站直流系统功能、重要性论述变电站直流系统功能、重要性论述 1.11.1 变电站直流系统的概念及特点变电站直流系统的概念及特点 在变电站中，直流系统主要由蓄电池组、充电装置、直流馈线 平、直流配电柜、直流电源监测装置、直流分支馈线等部分组成， 由此形成一个庞大的遍布变电站的直流电源供电网络。 特点：变电站直流系统是一种独立、安全、稳定、可靠的电源供电 系统，它独立于交流动力电源系统之外，不受交流电源的影响，具 有高度安全可靠、运行维护方便的特点。 1.21.2 直流电源系统的功能重要性及应用直流电源系统的功能重要性及应用 直流系统是独立的重要的操作电源，主要用于开关的控制、继 电保护、自动装置、信号装置、监控系统、事故照明、直流油泵和 交流不停电电源装置等的电源监视和维护直流设备的完好性，对变 电站以及整个电力系统的安全可靠运行十分重要。 各类变电站直流电源系统必不可少，对于不同电压等级的变电 站往往设计不同电压的直流输出，以满足设备运行的需要。 在变电站中，直流电源系统应满足各类负荷中双重化配置 的要求，在变电站内由于被控制设备多，提高直流网络的安全可靠 变电站直流系统分析与设计 7 性至关重要。 直流系统广泛应用于水力、火力发电厂、各类变电站和其它使 用直流设备的用户（如发电厂、变电站、配电站、石化、钢铁、电 气化铁路、房地产等，但是它同样广泛地应用于通信部门、计算机 房、医院、矿井、宾馆以及高层建筑的可靠应急电源用途十分广泛） ， 所以，要求电力系统给予直流电源系统予高度重视。 变电站直流系统分析与设计 8 第二章第二章 变电站直流电源技术分析变电站直流电源技术分析 2.12.1 充电装置充电装置 充电装置的发展： 交流电动机带动直流发电机 磁饱和充电机控制技术（大功率二极管） 可控硅器件（晶闸管） （相控电源） 高频开关电源（ACDC） 1）大功率二极管应用于直流电源上，并用磁饱和控制技术调整直流 输出电压 2）可控硅器件（晶闸管）使电压调整与整流由同一器件完成，通过 控制晶闸管导通角达到调压的目的 3）高频开关电源技术组成的 ACDC 模块转换结构的充电机 高频开关电源与线性电源、相控电源的比较： 1）线性电源：线性电源的主要特点是功率器件工作在放大状态，具 有稳定度高、可靠性好、成本低等优点，但是效率 低、笨重、体积大，只能做中小功率的电源 2）相控电源：是通过控制可控硅的导通角来达到稳压作用，功率因 数比较低、效率低、笨重、体积大 变电站直流系统分析与设计 9 3）高频开关：体积小、效率高、从移动电话的充电器到我们的彩电、 音响供电电源，从路灯到车站电子显示牌这些都用到 了开关电源，电源还有 ACDC、DCDC、DCAC 控制方式：脉宽调制和频率调制 2.22.2 蓄电池蓄电池 蓄电池主要分为酸性蓄电池和碱性蓄电池两大类，在电力系 统直流电源中，阀控密封式铅酸蓄电池占绝大多数 ，对蓄电池 的具体分析在下一章中详解 2.32.3 对直流控制电源的基本要求对直流控制电源的基本要求 1）在设计上，系统设计要简单可靠、同事又能满足运行灵活性 的要求，为此，要正确运用经过实践考验的典型设计和标准 设计。 2）对蓄电池、充电装置、直流屏等设备要选用可靠性高、性能 良好、制造精致、符合各级制造标准、有运行经验或经过主 管部门鉴定的产品。 3）设备的安装环境条件一定要符合设备的要求，特别是蓄电池 的环境条件是否符合安全运行的要求尤为重要。 4）对蓄电池组，要严格按现行规定和蓄电池的技术要求进行安 装及充放电工作。 5）运行中的蓄电池组，要按规程定期检查、正确充放电、及时 变电站直流系统分析与设计 10 消除一切不正常现象，认真进行维护。 变电站直流系统分析与设计 11 第三章第三章 蓄电池技术分析蓄电池技术分析 3.13.1 蓄电池的定义与分类蓄电池的定义与分类 蓄电池是一种储能装置，它把电能转化为化学能储存起来，又 可把储存的化学能转化为电能，这种可逆的转换过程是通过充、放 电循环来完成的，而且可以多次循环使用，使用方便且有较大的容 量。蓄电池按电解液不同可分为碱性蓄电池和酸性蓄电池，发电厂 和变电站广泛应用的是防酸隔爆式、消氢式、阀控密封式（即免维 护）铅酸蓄电池。 铅酸蓄电池正极板的活性物质式二氧化铅()，负极板的活 2 PbO 性物质是绒状铅(Pb)，电解液为稀硫酸。放电时正极板的二氧化铅( )、负极板的绒状铅(Pb)变为硫酸铅()，电解液中的硫酸 2 PbO 4 PbSO 在与正负极产生化学反应后密度下降。充电时正极极板上硫酸铅变 为二氧化铅，负极板上的硫酸铅变为绒状铅，电解液的密度上升。 阀控密封式铅酸蓄电池 阀控电池采用吸液能力强的超细玻璃纤维材料作隔板，具有良 好的干、湿态弹性，使较大的电解液全部被其贮存，而电池内无游 离酸（贫液），或者使用电解液与硅胶组合为触变胶体，正常充、 放电运行状态下处于密封状态，电解液不泄漏，也不排放任何气体， 不需要定期加水或酸，正常时极少维护。 阀控蓄电池是装有密封安全气阀的密封铅酸电池，是一种用气 阀调节的非排气式电池，当电池在异常情况析出盈余气体，或过充 变电站直流系统分析与设计 12 电时产生的气体达到开阀压力时，经过节流阀泄放，随后减压关闭， 它是单向的，不允许空气中的气体进入电池内。 阀控电池可分为单体式（2V），200Ah及以下容量的电池可以组 合成6V（3个2V单体电池组成）。和12V（6个2V单体电池组成）。 本站选取的即为阀控密封式铅酸蓄电池。 3.23.2 蓄电池的工作原理概述蓄电池的工作原理概述 总反应：oHPbsoPbsoHoP 24422 222b 充电： 正极： eHsoHPbooHsoP222b 42224 向负极表面移动. eOHH2 2 1 2o 22 1 负极：. 42 _ 4 e22soHPbHPbso 4 海绵状铅与氧气：.PboOPb 2 2 1 2 Pbo与电解液反应：.oHPbsosoHP 2442 2bo 3 负极总反应式： oHeHO 2 _ 2 244 如上述所述，正极产生的氧气与充电状态下的负极的活性物质 迅速反应生成水，因此水损失很少，而且又是密封的，所以不需要 向里面加水。所以，本变电站采用阀控式密封铅酸蓄电池。 这表明在充电时，分析出离子，水分离出, 1 4 PbSO 2 4 so H 与在移动过程中化合成分子，从而使电解液的密 2 4 So H 42so H 度增加，所以，电解液的密度。可以衡量蓄电池的充电程度。 变电站直流系统分析与设计 13 随着充电的进行，正负极板的活性物质随之增加，在电解液 2 密度增加的前提下，电池的电压升高，因此，也可以用电池 电压判断蓄电池的充电程度。 要保持充电的继续进行，必须要使充电电源电压高于电池电 3 压，以决定电解液中正负离子的移动方向，使电池的内电流 方向由正极流向负极。 放电总反应式： oHPbsosoHPbPbo 24422 222 随着生成水的增加，电解密度随之降低，电池内阻增加，而 内电动势下降，事端电压下降。 特点：1 小电流放电，和形成较慢，不会堵塞极板 4 PbSOo 2 H 4 PbSO 上的空穴，不会堵塞浓度较大的电解液向极板内部扩散， 电动势和内阻变化不大，端电压下降缓慢。 2 大电流放电，电极生成物较快，容易堵塞电极上的孔穴， 电阻和电动势变化较快。 3.33.3 蓄电池的电气特性蓄电池的电气特性 3.3.1蓄电池的额定容量与容量系数 容量特性，蓄电池的容量是表示蓄电池的蓄电能力，是指充足 电的蓄电池以某一放电率开始放电，到端电压为放电终止电压为止， 这个过程中放出的电能 变电站直流系统分析与设计 14 ItC C蓄电池的容量 I 恒定的放电电流 t 从开始放电到放点结束的时间 反应蓄电池从放电开始到规定的放电终止电压的快慢称为放电 率，放电率可以用时率（h率）和电流率（I率）表示。 铅酸蓄电池的额定容量与容量系数 我国电力系统用温度在25摄氏度，10h放电率放出的容量作 10 C 为铅酸蓄电池的额定容量。 蓄电池容量的这种特性用容量系数表示： cc K 10 C C Kcc C任意时率放电时的允许放电容量 蓄电池的额定容量 10 C 3.3.2 影响放电容量的因素以及各因素的作用 影响放电容量的因素有:放电率、电解液密度和电解液的温度。 放电率与蓄电池的容量呈反比关系，放电率越大，蓄电池容量 越小，放电率越小，放电时间越长，蓄电池容量越大。 蓄电池的放电容量与电解液的密度和电解液的温度成正比。电 解液密度越大，温度越高，蓄电池放电容量越大。 变电站直流系统分析与设计 15 3.43.4 蓄电池的放电特性蓄电池的放电特性 3.4.1蓄电池的持续放电特性 为了分析蓄电池长期使用后的损坏程度或充电装置的交流电源 中断不对电池浮充电时，为核对蓄电池的容量，需要对蓄电池进行 核对性放电，放电曲线如图所示： 如图3-1 阀控电池不同倍率的放电特性曲线 结论：放电倍率越小，放电时间越长，电压变化越慢。 1 电池极化作用随电流增大而增大。 2 端电压的变化是由于电池电动势的变化和极化作用等因素 3 造成的。 一般以放出80%左右的额定容量为宜，目的是正极活性物质中保 留较多的粒子，便于恢复充电过程中作为新粒子的结晶中心， 2 PbO 以提高充电电流的效率。 3.4.2 蓄电池的冲击放电特性 变电站直流系统分析与设计 16 冲击放电特性表示在某一放电终止电压下，蓄电池放电初期或 1h放电末期，允许的冲击放电电流，冲击放电电流一般用冲击系数 表示 ch K = ch K 10 ch I I 冲击放电电流 ch I 10率放电电流 10 I 3.53.5 充电方式充电方式 充电方式分类如下：按照充电过程中充电电压和充电电流的变 化情况，充电分为一阶段充电和二阶段充电，按照充电的作用，分 为初充电，均衡充电和浮充充电。按照蓄电池正常运行方式，分为 充放电式和浮充电方式。 由于本次采用蓄电池给直流系统供电，因此采用充电方式为： 初充电，浮充电和均衡充电。 初充电：新安装的蓄电池组进行的第一次充电（定电压、定电 流） 浮充电：1、给经常性负荷供电。 2、补充蓄电池自放电，使蓄电池在满容量状态下处于 备用。 3、维持蓄电池内养循环。 浮充电压一般取2.25V。 浮充电流一般取（1-3）mA/Ah。 变电站直流系统分析与设计 17 均衡充电：为补偿蓄电池在使用过程中产生的电压不平衡现象， 使其恢复到规定的范围内而进行的充电。 均衡充电电压一般取2.35V。 电流不大于（1-1.25）Ah 10 I 第四章第四章 直流系统的接线方式直流系统的接线方式 4.14.1 直流系统接线分类直流系统接线分类 直流系统基本接线单元包括蓄电池单元，充电装置单元，放电 装置单元，母线分段，母线设备和馈线单元等。这些基本单元除蓄 电池、充电装置直流电源外，通常有隔离开关，直流断路器，熔断 器，检测仪表和连线导体等组装构成。 其接线方式有单母线接线，单母分段接线和双母线接线。按照 蓄电池有无端电池又可以分为无端电池接线和有端电池接线。无端 电池接线又分为带降压装置和不带降压装置。根据端电池的投入方 式分为带端电池调压器接线和带端电池自投装置接线。目前应用最 广的是不带任何条条压装置的无端电池接线。 4.24.2 直流系统接线的基本原则和要求直流系统接线的基本原则和要求 基本原则：安全可靠，简单清晰，操作方便，在任何运行方式下， 除接线设计上允许外蓄电池不得与直流母线解列。 为实现基本原则，直直流母线采用单母线或单母线分段接线方 式。尽量避免因接线复杂，操作繁琐而造成运行和操作事故。为提 变电站直流系统分析与设计 18 高运行的可靠性和便于在故障情况下电源设备互相支援。母线之间 应设联络电气。联络电器一般为隔离开关，必要时候也可以用隔离 保护电器。 基本要求： 1蓄电池组和充电装置均应经过隔离电器接入直流系统，一 个回路或含有多个分支回路的主干回路应采用相同型号的 隔离、保护电器。 2铅酸蓄电池组不宜采用降压装置。 3多组蓄电池或多套充电装置不能接在同一段母线上，一段 母线上只能接入一组蓄电池和一套充电装置或一套工作， 一套备用的2组充电装置。 4当一组蓄电池组或一套充电装置接入两段母线时，应通过 隔离和保护电器跨接在两段母线上。 52组蓄电池的直流系统，应满足在运行中两段母线切换时 不中断供电的要求，切换过程中允许两组蓄电池组短时间 并联运行。 6蓄电池组应设置实验放电回路，放电回路应设置隔离保护 电器。 7除特殊要求外，直流系统采用不接地方式。 4.34.3 单母线接线单母线接线 单母线接线的特点：接线简单，清晰可靠。 变电站直流系统分析与设计 19 优点：由于浮充电器接在直流母线上，所以当蓄电池回路刀 开关被误断开时，直直流母线不至于失去电源 。 缺点：1套充电装置装在直流母线上，所以浮充电，均衡充 电和核对性充电都必须通过直流母线进行。当蓄电池 要求定期进行核对性充放电或均衡充电而充电电压较 高，无法满足直流负荷要求时不能采用这种接线。 适用范围：适用于110KV以下小型变（配）电站和小容量发电厂 以及大容量发电厂的辅助车间。 4.44.4 单母线分段接线单母线分段接线 特点：蓄电池组经过分段开关接至两段母线，2套充电装置分别 接到两段母线，提高供电可靠性，与单母线接线相比， 接线复杂，但是更灵活。分段开关设保护原件，可限制 故障范围，提高供电可靠性。 适用范围：适用于220KV及以上的中小型变电站和小容量发电厂。 综上所述：本变电站为110KV变电站的直流系统，故接线方式为单母 线分段接线。一组蓄电池组和两套充电装置。 变电站直流系统分析与设计 20 第五章第五章 系统的工作电压系统的工作电压 在电流工程中，直流系统的电压等级分为 220V、110V、48V、24V，常用的有220V、110V，一些用于弱电控制， 信号的直流系统采用48V. 220V与110V的比较 1）220V直流电压 优点：选用的电缆截面积小、节省有色金属、降低电缆投资 缺点：1 对绝缘水平要求较高 2 大量采用中间继电器，由于其线圈线径较小，易发生短线 事故，切断线后难以检测查明，造成保护装置拒动或误动。 3 在发电厂或变电站中，采用220V的直流电压时，往往使得 作用可能直流网络过于庞大和复杂使得直接姐弟故障查找 困难，而且直流网络过大，系统对地的电容增大，当出现 一点接地时，由于电容放电导致某些装置误动作 2）110V直流电压 优点：1 所需蓄电池的个数少，占占地面积小，安装维护方便 变电站直流系统分析与设计 21 2 绝缘水平要求较低 3 电压水平低、从而相对降低了继电器触点断开时所产生的 干扰电压幅值并减小了对电子元件构成的保护和自动装置 的干扰 缺点：1 电压水平低，使直流负荷电流成倍增加，从而所需电缆截 面积相应增大 2 对相同容量的负荷，110V和220V用的蓄电池个数约增加一 倍 综上所述，本变电站直流工作电压取110V 变电站直流系统分析与设计 22 第六章第六章 计算并选择蓄电池容量计算并选择蓄电池容量 6.16.1 直流负荷分类直流负荷分类 6.1.1 按功能分类 直流负荷按功能分，有控制负荷和动力负荷两种。 1）控制负荷。用于电气和热工的控制、信号装置和继电保护、 自动装置以及仪器仪表等小容量负荷称为控制负荷。这类 负荷在发电厂、变电站中数量多、范围广，但容量小。 2）动力负荷。在变电站中中，交流不间断电源装置、远动通信 电源装置、直流照明等大功率负荷称为动力负荷。 6.1.2 按性质分类 直流负荷按性质分为经常负荷、事故负荷和冲击负荷。 1）经常负荷。要求直流电源在电力系统正常和事故工况下均应 可靠供电的负荷。 2）事故负荷。发电厂或变电站在交流电源消失后，全厂（站） 停电状态下，必须有直流电源供电的负荷。 3）冲击负荷。冲击负荷是指在极短的时间内施加的很大的负荷 变电站直流系统分析与设计 23 电流，如断路器的合闸电流等，冲击负荷出现在事故初期 （1min）称为初期冲击负荷，出现在事故末期或事故过程中 的瞬时冲击负荷（5s）称为随机负荷。 6.26.2 发电厂、变电站事故停电时间发电厂、变电站事故停电时间 发电厂、变电站事故停电时间按下述原则选取： 1）长期运行实践证明，与电力系统连接的发电厂和有人值 班变电站，在全厂（站）事故停电后 30min 左右即可恢 复厂（站）用电，但是为了保证事故处理有充裕时间， 计算蓄电池容量的事故放电时间按 1h 计算。 2）不与电力系统连接的孤立发电厂，在短时间很难立即处 理恢复厂用电，因此事故停电时间按 2h 计算。 3）直流输电换流站操作相对复杂和无人值班的变电站，发 生事故时维修人员前往变电站的路途时间可能超过 1h, 事故停电时间均按 2h 计算。 本变电站为有人值班变电站，因此事故放电时间按 1h 处理。 6.36.3 直流负荷统计表（系统工作电压直流负荷统计表（系统工作电压 110V110V）表表 6-16-1 事故放电时间及放电电流（A） 初期持续时间(h)随机 序号负荷名称装置容 量 （KW） 负荷 系数 计算容 量 （KW） 负荷 电流 （A） 经常 电流 （A）1（min ） 0.515s 1经常复合30.82,421.8221.8221.8221.8221.82 2事故照明21218.1818.1818.1818.18 3通信 DC-DC 转26.1826.1826.1826.1826.18 变电站直流系统分析与设计 24 换 4断路器操作7.5+4 5UPS 电源30.61.816.3616.3616.3616.36 6电流统计（A）I 48 I 82.54 I 82.54 I 82.54 r I 11.5 7容量统计 Cs（Ah） 41.2741.27 8容量累加 （Ah） 41.2782.54 6.46.4 阀控铅酸蓄电池的选择阀控铅酸蓄电池的选择 阀控铅酸蓄电池组电池个数的选择。蓄电池个数按以下条件选 择。 蓄电池正常按浮充电方式运行，为保证直流负荷供电质量，考 虑 供电电缆压降等因素，将直流母线电压提高5Un，蓄电池 个数N为 (6-1) f N U U N 05 . 1 式中 N 蓄电池个数； 直流系统的额定电压； N U 单体蓄电池的浮充电电压，阀控蓄电池浮充电电压 f U 为2.232.27V，一般取2.25。 蓄电池放电终止电压校验。在确定蓄电池的个数以后，还应验 算蓄电池在事故放电末期允许的最低端口电压值不应低于蓄电池 D U 放电终止电压（1.751.8V）。根据有关规定，动力负荷母线允 Z U 许的最低电压值不低于87.5。考虑直流母线到蓄电池间电缆压 N U 降在事故放电时按1计算，因此，对于动力负荷专用蓄电池组， N U 变电站直流系统分析与设计 25 事故放电末期允许的最低端口电压值 （6-2） N U U N ZD 885 . 0 对于控制负荷与动力负荷合并供电的蓄电池组，事故放电末期允 许的最低端口电压 （6-3） N U U N ZD 875 . 0 6.4.1 蓄电池容量的选择 用电压控制法计算蓄电池容量： 根据变电站的直流负荷特点，计算出事故停电时所需的蓄电池 持续放电容量。 根据事故放电时间以及要求的蓄电池最低放电电压，将事故放 电容量换算成蓄电池的额定容量，即是铅酸蓄电池10h率的放电容量 （6-4） cc sx rel K C KC 10 式中蓄电池10h放电率计算容量，Ah； 10 C 可靠系数，取1.4； rel K 事故全停状态下持续放电时间x（h）的放电容量； sx K 容量系数。 cc K 容量系数是以额定容量C10为基准的放电容量的标么值。持续 cc K 放电时间和电池最低电压端电压值由图31可查得。 选择于计算容量相近并大于计算容量得制造厂标准蓄电池容量 作为选择容量。 在蓄电池可能出现得各种运行状态下，校验直流母线电压是否 变电站直流系统分析与设计 26 满足要求。 首先校验事故放电初期(1min)承受冲击放电电流时蓄电池所能 保持的电压 （6-5） 10 0 0 10 . 1 I I K ch ch 式中事故放电初期（1min）冲击放电电流值A； 0ch I 事故放电初期（1min）冲击放电系数； 0ch K 蓄电池10h放电率标称电流，A。 10 I 计算出的在图3-2中的“0”曲线查出的单体电池放电电压 0ch K 值，计算蓄电池组出口端电压为 ch U D U 如图所示： 其中实线为电池未脱离浮充系统的端电压,虚线为电池刚脱离浮 充系统的电压。 图3-2浮充曲线 变电站直流系统分析与设计 27 (6-6) chD NUU 式中 蓄电池组的单体电池个数；N 承受冲击放电时的单体电池的放电电压，V。 ch U 然后校验任意事故放电阶段末期，承受冲击放电电流时，蓄电 池所能保持的电压。由 （6-7） 10 10 . 1 tI C K sx m （6-8） 10 10 . 1 I I K chx chx 式中 任意事故放电阶段，10h放电率电流倍数，即 m K 放 电系数； -x事故放电容量； sx C x任意事故放电阶段时间，h； t事故放电时间，h； x事故放电末期冲击放电系数； chx K x事故放电末期冲击放电电流值，A； chx I 计算出的放电系数和冲击放电系数，在图3-2中可根据 m K chx K 值查出相应的曲线，在该曲线上再用值（图3-2中）查 m K 10 I chx K ch K 出单体蓄电池放电电压值，计算蓄电池组出口端电压为 ch U D U （6-9） chD NUU 式中在任意事故放电阶段的蓄电池组出口端电压，V； D U 在任意事故放电阶段的单体电池放电电压，V。 ch U 由式（6-6）和式（6-9）计算出的端电压值应不小于负荷允许 变电站直流系统分析与设计 28 的要求值。 如不能满足要求，将蓄电池的容量加大一级，继续校验，直到 母线电压满足为止。 6.4.2 蓄电池参数选择 参考数值表如下： 表 6-2 铅酸蓄电池组的单体 2V 电池参数参考表 系统标称电压 （V） 系统电压 110V(V) 浮充电 压 均充电 压 蓄电池 个数 浮充时 母线电 压 均充时 母线电 压 放电终 止电压 母线最 低电压 2.232.3352115.51211.8587.5 表 6-3 阀控式密封铅酸蓄电池(贫液)(单体 2V)的容量选择系数表 容量系数和容量换算系数 CC K C K 放电终止电压 1.87V(放电时 间 1h) 0.6880.520 6.4.36.4.3 容量计算容量计算 （1）个数：按浮充电运行时，根据式（6-1）计算 =51.79 取整数52 f N U U N 05 . 1 （2）均衡充电电压：对于控制负荷与动力负荷合并供电 变电站直流系统分析与设计 29 V33 . 2 521101 . 1 10 . 1 N U U N C （3）根据式（6-3）计算蓄电池放电最低端电压 V N U U N ZD 85 . 1 5211075.80 75.80 满足大于蓄电池的要求。 （4） 持续事故放电容量 h .4.5821)6.3168.1268.1182.821(ACS 由事故持续1h及放电到最低电压1.87V查表6-2得0.668所 cc K 以 Ah K C KC CC S rC 5.9167 688 . 0 4.582 4 . 1 选择蓄电池的额定容量200Ah。 10 C 6.4.4 参数校验 1)蓄电池持续放电电压水平校验 事故放电期间蓄电池放电系数为： 1 4.54 201 154.821 . 1 10 tI C KK s relf 由蓄电池持续放电曲线可知，单体蓄电池放电末期电压 VU75 . 1 df 蓄电池组端电压 NdfD UUNU%5 .879175. 152. 故不满足要求。 把蓄电池的额定容量改为=300Ah C C 则 变电站直流系统分析与设计 30 事故放电期间蓄电池放电系数为： 03 . 3 301 154.821 . 1 10 tI C KK s relf 由蓄电池持续放电曲线可知，单体蓄电池放电末期电压 VU88 . 1 df 蓄电池组端电压 NdfD UUNU% 5 . 8776.9788 . 1 52. 故满足要求，取=300Ah C C 2）冲击电压水平的校验 校验事故初期（1min）承受冲击放电电流时蓄电池所能保持 得电压，根据 03 . 3 30 54.82 1 . 1 10 I I KK cho relcho 查图3-2的“0”曲线得到单体电池电压值1.98V ch U 即521.98102.96（V），为额定电压的93.6% chD NUU 大于87.5%。 N U N U 故校验合格 校验事故放电末期（1h）承受冲击放电电流时蓄电池所能保 持的电压，根据 03 . 3 30 54.82 1 . 1 10 I I KK cho relcho 冲击系数 42 . 0 30 5 . 11 1 . 1 10 chf I I KK chf rel 变电站直流系统分析与设计 31 查图3-2中，由3.03和0.42查得单体电池电压值 10 IKm 10 I chx K 1.75V，小于放电终止电压且蓄电池端口电压小于87.5%， ch U N U 不符合要求。因此，将容量加大一级继续校验。 选择蓄电池的额定容量为=400Ah。 C C 校验事故放电末期（1h）承受冲击放电电流时蓄电池所能保持的 电压， 放电系数为 27 . 2 40 54.82 1 . 1 10 tI C KK s relf 冲击系数 32 . 0 40 5 . 11 1 . 1 10 chf I I KK chf rel 查图3-2中，由2.27和0.32查得单体电池电压值 10 IKm 10 I chx K 1.83V，即V，为额定电压的 ch U16.9583 . 1 52 chD NUU 86.5。不满足要求，故选取蓄电池容量为=500Ah。 N U C C 校验事故放电末期（1h）承受冲击放电电流时蓄电池所能保持的 电压， 放电系数为 82 . 1 50 54.82 1 . 1 10 tI C KK s relf 冲击系数 25 . 0 40 5 . 11 1 . 1 10 chf I I KK chf rel 查图3-2中，由1.82和0.25查得单体电池电压值 10 IKm 10 I chx K 变电站直流系统分析与设计 32 1.86V，即V，为额定电压的 ch U 7 . 9686 . 1 52 chD NUU 87.9。 N U 符合要求，故蓄电池容量选取=500Ah C C 第七章第七章 直流充电模块的选择直流充电模块的选择 7.17.1 高频开关充电模块工作原理高频开关充电模块工作原理 高频开关电源主要由主电路、开关控制电路等组成： 主电路 从交流电网输入、直流输出的全过程，包括： 1 输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机 产生的杂波反馈到公共电网。 2 整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供 下一级变换。 3 逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的 核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。 4 输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。 控制电路 一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆 变电站直流系统分析与设计 33 变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电 路提供的资料，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保 护措施。 检测电路 除了提供保护电路中正在运行中各种参数外，还提供各种显示 仪表资料。 辅助电源 提供所有单一电路的不同要求电源。 高频开关充电模块由交流输入滤波、整流单元、高频逆变单 （DC/AC） 、直流输出滤波、PWM 脉宽调制单元和监控单元等组成。 交流电输入到模块后首先进入输入滤波电路，去除交流电上的 干扰，然后经过全波整流电路交换成高压直流电（500V 左右） ，再 由 DC/AC 高频逆变电路变换成 20kHz 可调脉宽的高频脉冲电，经过 主功率变压器的降压，再由高频整流电路整流成直流电，最后经过 滤波处理输出稳定的直流电。 PWM 脉宽调制电路根据输入交流电、输出直流电和负载的变化 情况，自动调节高频开关的脉冲宽度，使输出电压稳定在允许的范 围内。同时 PWM 脉宽调制电路执行监控单元的控制信号。交流检测 电路检测输入交流电的情况，如果交流电异常，它立即送出控制信 号关闭脉宽调制电路，同时将异常信息送监控单元处理和显示。 前馈信号试试跟踪交流电的变化，并将变化信息送 PWM 脉宽调 制电路，使它能及时根据输入交流电调整输出电压，提高模块的响 变电站直流系统分析与设计 34 应速度。 直流检测电路检测输出直流电的变化，将电压和电流信息反馈 到监控单元和脉宽调制电路。如果直流电出现异常，它立即送出控 制信号给脉宽调制电路，并将异常信息送监控单元处理和显示。 监控单元一方面采集充电模块工作状态和参数，将这些信息通 过串口上送 SCADA/DCS,同时在面板上显示输出电压和电流；另一方 面接受 SCADA/DCS 或面板控制开关的指令，对充电模块进行控制： 开、关机、均、浮充转换，限流点设置，输出电压调整。 模块面板上有控制开关、状态指示灯和数码管显示，它们是充 电模块与人交流的窗口，显示充电模块的输出电压或电流值，指示 均、浮充状态和各种保护告警状态。通过控制开关来设置、控制充 电模块的工作方式和地址，调整其输出电压。 充电模块的外部发生短路时，充电模块能自动降低输出电压和 电流，使输出电流限制在 4A 左右。该特性可以有限防止外部事故损 坏充电模块和事故的进一步扩大。 充电模块的输出电压一旦超过充电模块内部设置的过压保护点， 充电模块便自动关机，锁死输出，只有重新开机才能启动输出。因 为过电压可能会损坏用电设备，所以一旦发生过电压，应该检查过 压的原因并排除故障后，才能重新开机。 7.27.2 充电装置的选择充电装置的选择 7.2.1 充电装置额定电流选择（铅酸蓄电池） 变电站直流系统分析与设计 35 满足浮充电要求： 1 A32.2282.215001 . 0 01 . 0 10IIIjcr 满足初充电要求： 2 A5050125 . 1 0 . 1 100IIIr 满足均衡充电要求： 3 A32.7232.225025 . 1 0 . 1 100IIIIjcr 注：为直流系统经常负荷电流； jc I 为铅酸蓄电池 10h 放电率电流； 10 I 为充电装置额定电流。 r I 故选定充电装置的额定电流为 100A。 7.2.2 充电装置输出电压选择 8 . 1244 . 252 UU cmr 为充电装置的额定电压； r U 为充电末期单体蓄电池电压。 cm U 7.2.3 充电装置高频开关电源充电模块数量选择 配电装置额定电流为满配置并联整流模块的额定电流之和， 220V 整流模块的额定电流:5、10、20、30、40A.110V 整流模块的额 定电流：10、20、30、40、50. 每组蓄电池配备一组高频开关电源模块，其模块选择方法如下： 基本模块数量： 21 nnn 变电站直流系统分析与设计 36 I I I II n me jc me 1010 1 25 . 1 0 . 1 附加模块的数量： 。当7n当2n 当当6n当1n 12 12 式中 为铅酸蓄电池 10h 放电率电流，A； 10 I 为经常负荷电流，A； jc I 为单个模块额定电流，A； me I 为高频开关电源模块选择的数量，当模块数量不为整数n 时，可取临近值，但模块数量宜 3。 ，取整数 3394 . 2 30 82.21500 . 1 1 n n=3+1=4 故选取单个模块额定电流为 30A 的充电装置，一共需要 4 个模 块。 变电站直流系统分析与设计 37 第八章第八章 UPSUPS 不间断电源的选择不间断电源的选择 8.18.1 变电站设交流不断电电源的必要性变电站设交流不断电电源的必要性 交流不间断电源系统的英文缩写为UPS(Uninterrupted power supply)，即不间断电源，是一种含有储能装置，以逆变器为主要组 成部分的恒压恒频的不间断电源。 主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其它电力电子设备 提供不间断的电力供应。当市电输入正常时，UPS 将市电稳压后供 应给负载使用，此时的 UPS 就是一台交流市电稳压器，同时它还向 机内电池充电；当市电中断( 事故停电 )时, UPS 立即将机内电池 的电能,通过逆变转换的方法向负载继续供应 220V 交流电，使负载 维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。 这些设备对交流工作电源的质量和供电联系性要求都很高。如， 标准计算机要求电源在下列范围内变化：电压在2%，频率在 变电站直流系统分析与设计 38 1%，波形失真不大于5min。目前变电站的所用电系统提供的 380/220交流电源，不能满足这一要求。因此，在现代大中型变电站 中应设有不间断电源系统，供计算机及其他静态电路构成的设备之 用。 8.28.2 对对 UPSUPS 系统的基本要求系统的基本要求 (1)保证在变电所正常运行和事故停电状态下为电子计算机,自 动化仪表,继电保护等设备,提供不间断的交流电源. (2)在变电所全停电的情况下,UPS满负荷,连续供电的时间不得 少于一小时