KV总配电所电气一、二次系统部分设计10

PAGEPAGE14中文译文配电所跳闸/直流电源的设计思想和运行经验K.T.Yeung,K.W.Ho香港电气有限公司传输和分配部摘要跳闸/直流电源是电力传输和分配工作最重要的组成部分之一。一个高可靠的跳闸/直流电源是保证正确的保护动作和设备操作所必需的，特别是在故障和扰动的时候。结合新的22kV配电系统的运行，香港电气有限公司（HEC）对它的22kV配电所的跳闸/直流电源设计进行了一个完全的回顾。考虑到我们的22kV网络特性，开关装置和保护的设计，及我们在电池/电池充电器的经验，我们采用了一个系统的方法。通过该方法得到的跳闸/直流电源系统由一个单一的具有特殊特性的48V直流电池/充电器系统，一个压变供电的后备放电单元和各种挑选的自励继电器及专门的保护/控制电路组成。1.引言对输电系统而言，跳闸/直流电源通常从双重甚至三重的电池/充电器系统获得，该系统放置在专用的电池和充电器房，其中的一些还要有空调装置。另外，需要大量日常的维护工作，包括定期浅/深放电，以保证这些电池/充电器系统最高的可靠性。这种设置昂贵、体积大，需要大量的维护工作，很难论证其在大部分配电所使用的可能性。取而代之，配电所一般采用放置于同一个高压间隔间的独立的“免维护”电池和充电器系统。为减少维护量，电池单元的“故障”维护或定期替换正普遍用于处理电池随时间过去的老化问题。一般认为只在系统故障或意外事故时发生的，配电所不到周期和单一的电池故障，通常有严重的后果，直接影响给用户供电。结合22kV系统的投运，HEC对直流和保护系统进行了一个彻底的评论，采用了基于新的22kV的跳闸/直流电源设计的系统方法，该方法考虑到了HEC22kV网络的特性、开关装置和保护的设计及我们在电池/充电器的经验。由此产生的跳闸/直流电源系统由一个单一的具有特殊特性的48V直流电池/充电器系统，一个压变供电的后备放电单元和各种选择的自励继电器及专门的保护/控制电路组成。本文叙述了设计标准和作为设计结果的跳闸/直流电源，开关和保护继电器的细节。过去18个月运行的实际运行经验和教训也会分享。2.设计标准我们新的22kV配电系统中的跳闸/直流电源应该遵循以下设计标准：(1)用于控制/保护的单一的电池/充电器系统——考虑到双重的电池/充电器系统在最初安装和后来维护方面体积太大且太昂贵，大多数配电所应该避免采用。(2)在直流故障时线路和变压器保护不应受影响——如果发生直流供电全部失去的情况，保护也要有效可用。这个要求对供给用户的变压器的保护尤其重要，在直流故障的情形下也必须不被干扰。(3)合适大小的电池容量以适应运行模式——电池容量应该尽可能的小以适应22kV系统的运行模式，考虑到万一故障时相关的系统重置所需的短移/启动时间。(4)不要专门的房间/通风——系统应放置在配电所相同的高压间隔间，配电所不用提供强制通风。(5)除定时的替换外不需要日常的维护——应不需要日常维护例如深/浅放电和加水。(6)小且紧凑——充电器和电池组的物理尺寸应该尽可能的小，以使配电所的大小可以跟11kV配电所差不多。(7)电池性能的自我监视——充电器应该包括自动自我监视功能，以便周期性的检测电池的状况。如果发现任何一个电池容量不足，应该触发报警以替换。(8)远程监视和报警特性——应提供现地和远程报警以通过我们现有的RTU网络来监视电池和充电器系统的性能。(9)电压等级——直流系统的电压等级一方面应该足够小以缩减电池组的大小，另一方面要足够大以降低继电器触点和配线阻抗的灵敏度。3.系统方法通过研究标准和市场上可用的产品，实现设计标准的系统特性/要求列表如下。标准建议用于控制/保护的单一的电池/充电器系统。充电器应该被设计成自动切换的双重单相输入或三相输入，这样失去一相供电将不影响电池充电器的性能。在直流故障时线路和变压器保护不应受影响。馈线单元保护使用常规的电缆附线保护作为主保护。当它是简单的和被动的时，采用电子-机械电缆附线继电器（例如不需要保护电源）。低压过流保护用的一个低压继电器使用在配电变压器低压侧，以提高对变压器高压侧故障和低压侧故障的分辨力，还要给变压器提供后备保护。该继电器一般由低压交流供电。万一故障，该继电器应该在降低灵敏度以自励模式动作。一个压变供电的后备放电单元被设计来提供一个二次跳闸电源给保护电路，以实现跳闸电源的100%冗余。提供4小时20次连续开关操作的电源。就一个储藏室容量为80Ah/C5的电池，电池充电器额定为30A。这个容量由充电器故障期间4小时后备和20次开关操作计算得出。考虑到配电所的地理分布，我们认为4小时后备时间足够安排替换或修理。假设充电器/电池不能在4小时内恢复，还要准备直流配电屏来接入临时直流电源。无需专门的房间/通风。采用密封型阀控铅酸电池以降低维护要求和消除专门电池房和通风系统的需求。采用温度补偿充电器以避免过/低充电和减少产生气体。除定期轮换外无需日常维护。小且紧凑。电池/充电器系统建立在一个独立的小空间，用固体隔离物划分为三个间隔来放置充电模块、4nos.电池和一个配电板。采用独立空间模块以减小尺寸及提高适用性。电池性能自我监视。充电器配备自动测试功能来定时监视电池容量，以便给出电池剩余容量的预警。电池测试器的运行通过RTU监控以保证电池测试按预定进行。远程监视和报警特性。为进行远程监视,电池/充电器系统被设计为当交流电源工作/故障、充电器输出工作/故障、负荷电压高/低、MCB跳闸、接地故障、电池故障、电池测试器故障和电池测试进行中时，通过连接到现有的RTU设备来提供现地/远方报警。电压等级对继电器触点和配线阻抗问题具有较低的灵敏度选择48V直流作为控制和保护电源。48V对继电器触点问题的灵敏度比我们现有的用于11kV配电系统的24V系统的更低，而且比变电站用的110V更便宜、体积更小。一组硅降压器被设计来降低正常的浮充电压(54V)到适合负荷的值（48V±10%）。表14.跳闸/直流电源的特性以下部分将介绍该直流系统主要组成部分更多的细节。I.充电器设计。为了将电池/充电器系统占用的空间最小化，该电池/充电器系统在一个独立的屏柜内构建，以放置充电模块、4nos.电池和一个配电板。该电池充电器屏柜由薄钢板构成，底板装上固体隔离物分为三个间隔，提供BS5490的IP41的保护级别。所有LED、选择器开关和综合仪表都装在前面板门上。同时，屏柜设计成没有后面的通道是操作和维护所必需的。屏柜里的设备仔细的布置以改善散热及减少温度变化使灵敏设备发热。该电池/充电器系统的简化单线图如图1所示，实际布置如图2所示。图1:图2充电器模块。通过研究不同直流电压等级的技术优势和计算利益，48V被挑选为配电系统的控制和保护电压。所设计的充电器以48V时额定连续输出电流30A运行在浮充模式，以使电池一直保持在满充的情况，所有连接的负荷都由良好交流电源情况下的充电器供电。该充电器可以在保持满负荷约10A供电给相连的设备的同时，在8个小时内从电池完全放电的情况下充满电池。为减小尺寸和提高可行性，我们的设计里采用了模块化整流模式充电器。一个模块化充电器可以实现几个目的。第一，它可以大幅度减少充电器更换/修理时间。当发现充电模块有缺陷时，仅仅需要拔出有问题的模块换上好的模块。第二，如果未来发现有必要，它能使用双重的充电器模块来增强系统的可靠性。用少量的改动，可以更容易的完成同样的充电器操作以提高可靠性。充电特性——温度补偿。除一般的电压/电流限制充电电流外，电池充电器还要加入温度补偿充电特性。温度补偿对密封的电池是很重要的，因为密封型铅酸电池的再结合过程会释放热量（产热）。为防止在高环境温度时过充电和低环境温度时充电不足，充电器输出要加入0.05V/℃的负补偿。温度传感器应该安装在正确反映电池组温度的地方。在我们的方案里，传感器装在被认为是发热点的中间电池旁边的墙上。硅降压器。硅降压器一般不装在只设计了浮充运行模式的固定模式充电器上。但是，随着压敏电子继电器的使用和温度补偿的采用，浮充电压会超过电子设备可接受的界限。为避免对精密和敏感的电子设备的任何损坏，一个单独配备的硅降压器被用在电池/充电器系统上，以降低正常浮充电压（54V）到一个适合负荷的值（48V±10%）。降压器的大小和投/切特性（52V/51V）被设计为适合连接在系统的电子继电器的最大允许限制48V±10%。电池测试。为限制维护工作量，电池/充电器系统配备了自动测试功能来定期监视电池，以对电池的剩余寿命给出预警。电池测试被设计为每90天对系统负荷和一个虚拟负荷放电30分钟。为防止测试时由于电池恶化、劣质导线连接等等而导致电压突然崩溃，测试时电池实质上不能断开与充电器的连接。相反，充电器的输出会降低到46.5V，以使电池带上所有的负荷。如果电池电压下降到低于告警电压（47V），测试将停止，充电器电压会上升到带上负荷。一些其他的逻辑，如无交流电源故障、无测试前手动放电等等，也要包括到电池测试电路里以保证得到一致的结果。放电电流、持续时间和最终电压应该设定为与电池特性和设计运行模式一致。必须指出，该测试不会给出电池剩余寿命/容量的定量的数字。但是，通过测试可以确定电池相对良好及大概给出所需的后备容量。测试失败的电池表示它需要更多的检查。图3表示一个良好电池的电压波形，图4表示有缺陷的电池的电压波形。图3:图4:除自动测试外，手动电池测试也可以在现地触发。在手动测试模式，所有的测试逻辑都被旁路。此外，测试单元自检失败会单独报警。而且，给出一对干触点和现地显示“电池测试进行中”来标记电池测试。报警系统。其他的报警如交流电源工作/故障、充电器输出工作/故障、负荷电压高/低、MCB跳闸、接地故障、电池故障、电池测试器故障及电池测试进行中都包括在系统中，这些对现在的充电器来说都相当普通。现地显示供给故障快照，压敏报警有时间延迟以屏蔽假的告警。对于远程监控，这些报警将作为普通报警通过RTU转到我们的系统控制中心。II.配电板电池/充电器系统的配电板也是模块化设计。每个输出电路由MCB保护。任一个输出MCB跳闸都将触发报警到我们的系统控制中心。为了方便在电池/充电器断供期连接一个外部直流电源到MCB板，配电板还包括如图1所示的一个装设了阻流二极管的第二输入隔离装置。这提高了后备的灵活性，如果需要，允许直流电源的并联操作。III.电池因为电池/充电器系统安装在配电所的高压间隔，该处没有安装强制通风设备，所以不能使用在正常工作循环会产生氢气和氧气的充水型电池。一般选择符合IEC60896和BS6290要求的4nos.12V、80Ah/C5的密封型阀控铅酸电池作为直流电源的电池组。密封型阀控铅酸电池被采用是因为它的维护量低和简化变电站设计。因为电池容量增加的花费相对较小，电池组稍微过容量以补偿由于老化而容量减小。IV.压变供电的后备放电单元即使采用了上述的特性，仍然有可能发生出乎意料的直流系统故障。为保证保护功能在直流失去时仍能正确工作，提供了一个第二跳闸电源给线路保护和变压器保护，该电源来自22kV母线压变，带一个后备放电单元以存储足够的能量供给后备跳闸功能。如图5所示，压变供电后备放电单元是一个由无需维护的低压电容组成的简单的被动设备。图5图6图6显示了简化的22kV配电开关装置双跳闸电源方案。正常情况的48V直流跳闸电源和得自压变供电后备放电单元的第二跳闸电源通过一个阻流二极管连接到跳闸电路。跳闸电源正常情况由48V直流电源供应。如果48V直流电源下降到43.2V，电源将由一个转换继电器进行自动转换。因此，只要母线有电，跳闸电源就一直可用。因为线路保护和变压器后备保护有自励继电器，如果配电所直流完全失去，也只会失去控制功能。V.保护考虑事项在我们的22kV配电系统的设计中，各种挑选的自励继电器和专门的保护/控制电路用来给系统提供有效的保护，即使是在配电所的跳闸/直流电源失去时也一样。图7对22kV闭环系统，得到良好证明的自励常规电缆附线保护用作主保护。对配电变压器，高压侧和低压侧都配备了反时间过流和接地故障保护继电器。低压侧继电器由变压器低压侧输出供电。在三相故障，电压完全崩溃的不可靠的场合，继电器还可以在自励模式低灵敏度的工作。加上压变供电的后备放电单元，这个安排会提供一个不间断的保护给变压器，即使在配电站直流消失时也一样。VI.关于实际运行经验的讨论该直流系统已经在我们的系统实施了超过18个月了。系统的工作情况是令人满意的。我们遇到的一些电池测试电路方面的小问题，主要与参数设置有关，并叙述如下。硅降压器的变动正如前面部分所提及的，硅降压器对配备了电池测试电路的固定模式充电器来说是不常见的。在充电器的初始测试中，我们发现硅降压器在电池测试时始终保持连接。另外，硅降压器造成的电压下降被设计成使充电时的输出保持在48V上下。结果，每次测试进行时都会触发“电池故障”和“低电压”报警。在检验后，电池测试固件被修改成在测试期间旁路硅降压器。另外，降压电路里硅二极管的数目也减少，以避免维护时输出低于48V+10%触发低电压报警。电池测试时充电器输出特性在电池测试期间，给充电器加上一个阻碍负荷，这时充电器输出会同时下降。如果电池负载失败，假定由于电池开路、高阻抗连接等等，终端电压将会崩溃，充电器输出应该上升以恢复供电。这个要求需要充电器非常快的响应时间，否则，电压崩溃期间会触发低电压报警，电子继电器会重置。在对各种型号的充电器的初始评估阶段，我们发现一些使用常规的晶闸