电力直流电源系统设计

./成人高等教育毕业论文<设计>〔电力直流电源系统设计学生姓名学号指导教师学习形式院、系、站点专业年级完成日期年月日XX工业大学继续教育学院附件2：独创性声明本人声明所呈交的毕业论文是本人在导师指导下进行的工作及取得的成果。我声明,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的论文及研究成果,也不包含为获得XX工业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。签字日期：年月日工作单位：XX同智机电控制技术有限公司通讯地址：XX市高新区永和路66号邮编：230000目录中文摘要1英文摘要21绪论31.1直流电源系统概述31.2直流电源系统的现状和发展31.3本次设计任务42直流电源系统设计 52.1交流配电单元62.1.1交流配电单元基本配置62.1.2交流配电单元工作情况62.2整流模块 72.2.1相控整流系统的特点 72.2.2高频开关电源的特点 82.3充电装置 82.3.1充电装置的技术特性要求 82.3.2充电装置的类型及特点 92.4直流配馈电系统 152.4.1直流系统接线 152.4.2直流系统额定电压 162.4.3直流系统馈电网络设计 162.4.4操作保护电器选择 162.5蓄电池组 172.5.1蓄电池的型式 172.5.2蓄电池组的运行 182.5.3蓄电池个数及终止电压的确定 202.5.4蓄电池组数和放电回路 212.5.5蓄电池容量选择 212.6监控装置 222.6.1直流系统监控装置的发展和现状 222.6.2微机监控装置 232.7降压装置 292.8不间断电源系统 312.9通信直流电源 312.10本次设计方案 312.10.1设计内容以及注意的相关问题 312.10.2直流屏屏体设计 352.10.3三个变电站设计方案 362.10.4三个等级变电站设计方案和配置汇总 443结论 47致谢 48参考文献 49.摘要直流电源作为变电站非常重要的一种二次设备,承担着向高压开关、继电保护、自动装置、事故照明等设备提供操作电源和控制电源的任务,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。直流电源系统由整流电源、蓄电池组和馈电部分组成。我国发电厂和变电站中早期的直流系统多为相控式充电装置,配套防酸镉镍蓄电池组或镉镍碱性蓄电池组,需要对蓄电池组和直流电源进行定期维护。上世纪90年代末,电力用开关电源应运而生。应用大功率半导体器件,在一个电路中运行于"开关状态",按一定规律控制开关,对电能进行处理变换而构成的电源,被称为"开关电源"。与传统的相控型直流电源相比,开关电源模块各项性能指标优异,维护方便。随着电力用开关电源技术的不断完善,开关电源将全面替代相控电源,成为电力用直流电源的首选。根据变电站等级的不同,对电力直流操作电源的配置和容量要求也不同。本次设计从系统角度出发,分析目前国内常用的几种电力直流操作电源的配置方式及其系统组成,描述其各组成部分的功能,并设计：1单组电池、单组整流模块、充馈一体；2单组电池、双组整流模块、充馈分开；3两组电池、两组整流模块这三种常用的系统方案,绘制屏面布置图和系统原理图,分别适用于35kV、110kV和220kV变电站。关键词：变电站直流操作电源蓄电池Abstract：Assecondarysubstationequipment,DCpowersupplyisveryimportanttothehighpressureswitch,relayprotection,automaticequipmentsandemergencylight.italsoprovidesoperatingpowerandcontrolpowertootherequipments.Itsperformanceandqualityisdirectlywithdetrimenttotheoperationofequipmentinthepowerplantandsubstation.Itexpoundstheconfigurationofeliminatorsupply,storagebatteryandfeedbackdevice.Intheearlydays,DCoperationpowersupplysysteminthepowerplantandsubstationisphasechargedevice,whichwithanti-acidnickel-cadmiumbatteriesorbasicnickel-cadmiumbatteries.Itmustaircraftfromtimetotime.Inthe1990s,theswitchingpowersupplyappeared.Apowersourceusingalarge—powersemi—conductorpartoperatedinacircuitunder"switchingstatus"。whichcontrolstheswitchbasedonacertainruletotreatandchangetheelectricenergy,iscalleda"switchingpowersource"．Comparedtothetraditionalphase—controlledDCpowersource,themodulesofthisnewpowersourcehaveperfectindexesofitsallperformancesandconvenienceformaintenance．WithcontinuousimprovementofswitchingpowertechnologyinpowerindustrytheswitchingpowersourcewillsubstitutephasecontrolledpowersourcetotallyandbecomethefirstchoiceforDCpowersourceinpowerindustry.Becausethesubstationhavedifferentvoltagestep,soithavedifferentrequestaboutthesettingandthecapabilityoftheDCoperationpowersupplysystem.Inmydesign,Ianalysisthisdifferentrequest,anddescribethefunctioninthesystem.Inaddition,Idevisethreesystemschemes:1>singlegroupofbattery,singlegroupofchargedevice,andputtingchargedevicewithfeedbacktogether;2>singleofgroupbattery,twogroupsofchargedevice,andputtingchargedevicewithfeedbackseparate;3>twogroupsofbattery,andtwogroupsofchargedevice.Thethreeschemeseparateapplyto35kV,110kVand220kVvoltagestepsubstation,Ialsoprotractcorrespondingschematicdiagramandpanelsettingdiagram.Keywords:Transformersubstationdcoperationpowersupplysystembattery.1绪论1.1直流电源系统概述直流系统是应用于水力、火力发电厂,各类变电站和其它使用直流设备的用户,为给信号设备、保护、自动装置、事故照明、应急电源及断路器分、合闸操作提供直流电源的电源设备。直流系统是一个独立的电源,它不受发电机、厂用电及系统运行方式的影响,并在外部交流电中断的情况下,保证由后备电源—蓄电池继续提供直流电源的重要设备。它广泛应用于水力、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>,为信号设备、保护、自动装置、事故照明及断路器分、合闸操作提供直流电源,它也同样广泛的应用于通信部门、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。直流系统主要由两大部份组成。一部份是电池屏,另一部份是直流充电屏〔直流屏。电池屏是一个可以摆放多节电池的机柜。电池屏中的电池一般是由2V-12V的电池以9节到108节串联方式组成,对应电的电压输出也就是110V或220V。目前使用的电池主要是阀控式密封免维护铅酸电池。直流屏主要是由机柜、整流模块系统、监控系统、绝缘监测单元、电池巡检单元、开关量检测单元、降压单元及一系列的交流输入、直流输出、电压显示、电流显示等配电单元组成。1.2直流电源系统的现状和发展直流电源系统包括蓄电池组、充电装置以及馈电部分。我国早期的直流电源系统多为相控式充电装置,配套防酸隔爆蓄电池组或镉镍碱性蓄电池组,需要对蓄电池组和直流电源进行定期维护。为提高输配电供电质量,国家大力推进供电工程改造。鉴于开关电源在通信领域的成功应用,电力用直流开关电源也广泛应用于直流系统。随着制造技术的发展,蓄电池经历了从开启式铅酸蓄电池、半封闭铅酸蓄电池、高放电倍率锡镍碱性蓄电池,到目前新一代的免维护阀控式密封铅酸蓄电池几个阶段。充电装置经历了磁饱和充电机、晶闸管整流充电机和高频开关整流装置等阶段,传统的硅整流和可控硅整流设备已逐渐被先进的高频开关整流设备所取代。系统的设计己经由固定式演变成模块化,以适应各种应用场合和设备规模的需求。系统的交流配电单元、直流配电单元和电池配电单元等,与模块整流设备组屏,安装在机架式整流设备内。直流电源可以安装主控制室内,甚至直接安装在高压室内。高频开关整流器采用了模块化设计、N+1配置和热插拔技术,方便了系统的扩容,有利于设备的维护。系统一般都配置了防雷保护和浪涌抑制,有效地防止了雷电冲击和电压的突变、尖峰。1.3本次设计任务本设计从系统角度出发,分析目前国内常用的几种电力直流操作电源的配置方式及其系统组成,描述其各组成部分的功能,并设计35kV、110kV和220kV变电站的典型的直流系统并且绘制屏面布置图和系统原理图。各变电站直流系统设计方案如下：〔135kV变电站：单组电池、单组整流模块、充馈一体；〔2110kV变电站：单组电池、双组整流模块、充馈分开；〔3220kV变电站：两组电池、两组整流模块；2直流电源系统设计直流电源系统主要是由交流配电单元、整流模块、充电模块、直流馈电单元<合闸分路、控制分路>、蓄电池组、监控模块、绝缘监测模块、配电监控模块、降压单元及远程监控计算机组成。有些系统还会配置闪光系统、不间断电源系统和通讯系统。直流电源系统的配置原则：〔1直流电源的电源由交流站用电屏提供,直流电源屏输入两回交流进线,可在直流电源屏内实现自动切换。〔2相控整流电源,有2套独立的整流系统,1套工作,1套备用,并能自动切换；高频开关电源,采用N+1模块冗余设置方式,当1个模块故障时不会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>,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。〔3由于现在新投产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,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,从而使接线和布置简单化且提高了直流系统的供电可靠性。〔4目前的直流配电系统一般都采用直流专用断路器取代以前负荷开关加熔断器的形式,并且直流配电开关采用集中布置正面开启式结构,节省了空间和屏位,提高了防护等级,并易于接线、更换和维护。目前,国外生产的小型直流断路器,直流分断能力可达DC250V／10kA,完全可以满足控制负荷馈电用,大容量的直流断路器,直流分断能力可达DC250V／50kA,可以满足动力负荷馈电用。另外,这些直流断路器可以方便地加装辅助触点和故障报警触点,确保了直流供电的可靠性。接线方式不同,馈电输出也不同,但其基本原理是一致的,如图1所示。图1直流电源系统原理框图2.1交流配电单元2.1.1交流配电单元基本配置直流屏交流配电单元常选用双路互投装置作为输入进线。选用双回路进线可实现直流屏内部的线路互切,以保证直流屏交流供电的稳定性与可靠性。2.1.2交流配电单元工作情况〔1交流输入正常时当系统交流正常输入时,两路交流输入可经交流双路互投装置切换控制电路选择其中一路输入,给各个充电模块供电,再由充电模块将三相交流电转换为220V或110V的直流,经隔离二极管隔离后输出,一方面给电池充电,另一方面给负载供电。监控部分采用集散方式对系统进行监控,充电柜、馈电柜的运行参数、充电模块的运行参数分别由配电监控电路和模块监控电路采集处理,通过串行通信口把处理的信息上报给监控模块,统一处理后显示在液晶屏上。同时,可通过人机交互操作方式对系统进行设置和控制,并可接入远程监控。监控模块还能对每个充电模块进行均/浮充控制、限流控制等,以保证电池的正常充电,延长电池寿命。〔2交流输入停电或异常时当交流输入回路出现故障时,交流备用回路立即投入运行,确保交流输入正常；当两路交流输入回路均出现故障停电或异常时,充电模块停止工作,退出运行,转由蓄电池组给负载供电。监控模块监测电池电压、放电时间,当电池放电到设置的欠压值时,监控模块发出告警。在交流输入恢复正常以后,充电模块开始运行,蓄电池组退出,此时充电模块除了给直流负载正常供电外,还要对蓄电池进行充电。2.2整流模块直流电源普遍采用由微机控制的可控硅型整流器和高频开关模块型整流器,并且智能化,能够和变电站综合自动化网络连接,具有三遥功能,已经完全取代了过去应用较多的磁放大型整流器和由分立元件或集成电路控制的可控硅型整流器。2.2.1相控整流系统的特点〔1三相交流电源经整流变压器隔离、变压、可控硅调压、全桥整流及滤波整形后输出直流电压。通过取样比较、放大及触发器电路,控制可控硅的导通角,得到稳定的输出电压。〔2充电装置采用2台相同的充电浮充电装置,每台均能进行充电、浮充电和均衡充电,做到—机多功能,2台充电浮充电装置互为备用。〔3充电过程即恒流充电—均衡充电—浮充电,全由自动装置或微机控制来处理。〔4任何情况下当电网解列或交流电源失电时,蓄电池组都能无间断地向控制母线供电,确保继电保护、自动装置、高压开关均有控制和操作电源。2.2.2高频开关电源的特点〔1交流电源经滤波整流后,将滤波后的直流电源变换为数十或数千Hz的高频方波或准方波交流电,通过高频变压器隔离后,再高频整流滤波,最后输出直流电压。通过取样比较放大及控制驱动电路,控制变换器中功率开关管的占空比,得到稳定的输出电压。〔2充电方式采用高频开关电源模块,体积小,重量轻,容量大。〔3采用N+1备份,经济性好,可靠性高。〔4模块本体能自动均流,充电电流连续可调,充电方式全部按程序进行,模块可任意并联,并可在线操作。〔5隔离性好,设有完善的自我保护系统。〔6功率因数高,效率高。2.3充电装置充电装置是整个系统中十分重要的组成部分。正常运行时它向蓄电池提供浮充电流,同时向控制、信号、保护、自动装置等常规负荷供电。在蓄电池放电后,向蓄电池提供浮充或均充电能。2.3.1充电装置的技术特性要求〔1应满足蓄电池组的充电和浮充电要求。〔2应为长期连续工作制。〔3充电装置应具有稳压、稳流亦限流性能。〔4应具有自动和手动浮充电、均衡充电和稳流、限流充电功能。〔5充电装置的交流电源输入宜为三相制,额定频率为50HZ,额定电压为380〔1±10％V。〔61组蓄电池配套1套充电装置的直流系统,充电装置的交流电源宜设2个回路,运行中1回路工作,另一回路备用。当工作电源故障时,应自动切换到备用电源。2.3.2充电装置的类型及特点〔1可控硅充电模块可控硅充电模块交流输入侧有隔离变压器,使得电网侧的交流干扰减少,对模块的冲击相应减少。缺点是:纹波较大,不能使用于免维护电池；体积大,屏面数增多；在模块备份方面目前只能冷备份,如果时间长,则可能导致冷备份的设备故障；如果控母调压模块为硅链调压装置,则充电模块的纹波将直接传到控母上。基本元件功耗大,温升严重,效率低。〔2高频开关充电模块高频开关电源模块采用脉宽调制<PWM>技术,开关频率可高达20-500kHz,纵向金属氧化物半导体场效应管<MOSFET>,绝缘双极晶体管<IGBT>等新型功率电子元器件的应用,提高了开关频率及技术性能,使直流电源设备体积小、重量轻、精度高。与可控硅整流器相比,技术性能优越。高频开关充电模块与可控硅充电模块性能比较见表1表1.高频开关充电模块与可控硅充电模块性能比较电源类型高频开关充电模块可控硅充电模块交流电源电压380V±20％380V±10％直流输出电压90—160V/190—275V80－160V/190—275V工作频率20—500kHz50Hz稳压,稳流精度<0.5%>1%纹波系数<0.1%>2%动态响应≤200us>100ms噪音40—50db60db效率>90%<75%功率因数>0.92<0.7阀控式铅酸蓄电池的充电,要求有高精度的恒压充电,其稳压精度<1％,电压超过1%会引起过充,过充后内部气压大,阀自动打开,使水分损失,并影响电池寿命,因此配套该种电池,选择高频开关充电模块是合适的。同时,微机型继电保护、监控管理、自动装置等的大量应用,也对电源设备的技术参数提出了较高的要求,而高频开关充电模块能很好地响应这些要求。〔3高频开关模块的基本原理电力用高频开关电源与一般的开关电源在基本原理上基本一致,其组成框图如图2所示。滤波器滤波器一次整流功率因数改善电路DC/DC变换二次整流直流输出交流输入取样电路比较器通断时间比例控制电路图2电力用开关电源组成框图交流输入电压经过滤波器,再经过一次整流与电容平滑后变为直流电压,再经过功率因数改善电路,加到开关元件上,变为脉冲状的交流电压,此交流电压经高频变压器隔离变换后,再经二极管二次整流,由电感和电容滤波后即变为直流输出电压。经过输出取样电路,通过比较电路与基准电压进行比较,其误差电压通过通/断时间比例控制电路控制开关元件的通/断时间,从而调整输出电压。当然还有实现各种保护的附加电路,要符合主回路的控制方式。在电力系统中,直流电源的输出多为220V或110V,无论是输出电压等级还是输出功率都远远高于一般的开关电源。因此在电力用开关电源中,开关元件及二次整流二极管均采用高压大电流的元器件。〔4开关电源系统运行方式根据母线设置情况,开关电源系统可组成三种方式：1单母线方式蓄电池组电池数目不多,均充电时母线电压不会超过控制负荷电压允许范围,合闸母线和控制母线合二为一,每组蓄电池设一组开关电源模块。这种方式多用于高压站和发电厂,如图3所示。开关电源模块开关电源模块开关电源模块···交流输入均流直流负荷蓄电池组图3单母线方式2控制、动力母线分别设置,单组模块方式单组电源模块与动力母线并联,控制负荷通过自动调压装置获得电源。该方式要求自动调压装置具有较高的可靠性,多用于中、低压站,如图4所示。开关电源模块开关电源模块开关电源模块···交流输入均流动力负荷蓄电池组控制负荷动力母线控制母线调压装置图4控制、动力母线分别设置,单组模块方式3控制、动力母线分别设置,双组模块方式将电源模块分成两组,一组输出与动力母线并联,另一组输出与控制母线并联,动力母线和控制母线之间设置自动调压装置,在正常情况下,控制母线负荷由电源模块提供,自动调压装置由于承受反压处于备用状态,只有当交流输入停电或控制母线的所有模块故障时,自动调压装置才投入运行。这种方式多用于较为重要的中、低压站,如图5所示。开关电源模块开关电源模块开关电源模块···交流输入均流动力负荷蓄电池组控制负荷动力母线控制母线调压装置开关电源模块开关电源模块···均流图5控制、动力母线分别设置,双组模块方式〔5高频开关电源模块配置传统的可控硅整流直流电源系统的充电装置采用主从备份方式,当一台充电/浮充电装置发生故障时,一般通过手动方式将备用充电/浮充电装置投入使用,这种备用方式的可靠性差,运行和维护工作量大,充电柜数量多,占地面积大。高频开关电源充电装置采用模块化结构优化设计,备份方式为N＋1热备份,即包括备份模块在内的所有电源模块同时工作,当系统中某一电源模块故障时,该模块自动退出工作而其它模块仍保证系统正常工作,这种备份方式的优点在于可靠性高,系统占地面积小,配置灵活,扩容方便,运行于维护工作量小。高频开关模块数量按如下公式选择：N模块额定电流之和≥最大经常负荷+蓄电池要求的充电电流〔阀控式铅酸电池约为0.1-0.2C。例如:常规110kV的变电所直流系统电压为DC220V,蓄电池的容量为100Ah,则充电电流<0.1C×100Ah>+最大经常性负荷<约10A>=20A。若选用5A的高频电源模块,4只模块就可满足负荷要求<N=4>,再加一个备用模块并联,总共选5只5A的高频开关模块。根据有关方面的规定：1对具有一组蓄电池的直流系统可设1套或2套高频开关电源充电装置；2对具有2组蓄电池的直流系统,可设2套或3套高频开关充电装置；3对具有1组蓄电池设1套高频开关充电装置和具有2组蓄电池设2套高频开关电源充电装置的直流系统,其整流模块应按<N+1>的冗余配置；4对具有1组蓄电池设置,2套高频开关电源充电装置；2组蓄电池设置3套高频开关充电装置；2组蓄电池设置3套高频开关充电装置的直流系统,其整流模块不在按<N+1>冗余配置。220kV变电站的直流系统一般采用2组蓄电池配2套<N+1个模块>或3套<N个模块>的高频开关电源充电装置。35～110kV变电站的直流系统一般选用一组蓄电池配1套<N+1个模块>或2套<N个模块>高频开关充电装置。〔6电力用开关电源的重要技术指标1均流不平衡度由于电力用开关电源模块采用并联运行,电源模块中应包括均流电路实现模块间的功率均匀分配。通常对于电力用电源模块,其负载均分不平衡度应不大于5%。2交流输入范围对于电力用直流电源,交流输入电压范围是一个很重要的指标。输入电压的额定电压因各国不同而异,例如：美国规定的交流输入电压为120V,欧洲为220V～240V,日本为100V及200V,我国为220V及380V。电力部规定直流电源输入交流电压范围为-15%～10%。但由于我国电力设施还不完善,交流电压波动范围较大,尤其在偏远地区的35kV变电站,交流电压波动经常超过上述范围,因此电力用开关电源模块应适当拓宽交流输入范围。3功率因数开关电源由于输入端有整流、电容平波电路,使其输入电流呈尖脉冲状,功率因数通常只有0.6～0.7,将对电网造成谐波污染,造成电力公害,干扰其它用电设备,使测量仪表产生较大误差。为降低电源装置对电网的污染,EMI及EMC的有关标准对不同功率等级电源装置的功率因数及谐波电流值有明确的规定,因此电力用开关电源需加功率因数改善电路。其基本方法有两种：无源功率因数校正〔PFC和有源功率因数校正〔APFC。无源功率因数校正方法是在输入端加入电感量很大的低频电感,并降低滤波电容的容量,以便减小滤波电容充电电流的尖峰,校正后的功率因数能达到0.9以上,一般用于三相输入的大功率的开关电源模块。有源功率因数校正方法是在输入端加入高频开关管及相应的控制器,控制器通过采集交流输入的电压信号和电流信号,控制开关管的开通与关断,从而使输入电流平均值波形始终跟随输入电压波形,可使功率因数接近于1。美国UnitrodeIC公司已开发成功UC3854等APHC的控制用集成电路。目前国内有源功率因数校正方法主要用于单相输入的电源模块,三相输入的有源功率因数校正方法尚不成熟。4稳压、稳流精度和纹波系数近些年阀控密封铅酸蓄电池得到了广泛的推广普及,其与防酸隔爆蓄电池及镉镍碱性电池相比,具有以下特点：无需添加水和调酸的比重等维护工作,具有免维护功能；不漏液、无酸雾,自放电电流小；电池寿命长,正常温度下的浮充寿命可达10~15年；结构紧凑、密封性好,抗震动性能好；不存在镉镍碱性电池的"记忆效应"。但阀控密封铅酸蓄电池对充电装置的稳压、稳流精度和纹波系数要求严格,不允许过充电和欠充电。作为与之配套的开关电源,电力部有着严格的稳压、稳流精度和纹波系数指标的要求。〔7电力用开关电源的散热方式由于开关电源是由电阻、电容、电力电子器件等按照一定的电路方式组成,在进行功率变换过程中,会产生功率损耗,因此必须进行散热处理,可采用自冷或风冷的散热方式。早期电力用开关电源模块,采用自冷的方式较多,多用于电压等级不高,直流系统容量不大的变电站。随着电力系统高压站及发电厂直流电源也逐步采用开关电源,体积远远小于自冷模块的温控风冷大功率电源模块得到了广泛的应用。电力用直流系统中的负荷包括两个部分：蓄电池组充电电流和控制负荷电流。由于蓄电池组长期处于浮充状态,充电电流很小,加上控制负荷较小,因此整个充电装置长期处于轻载状态。电源模块内部设温度检测装置,用于控制风机,在轻载时,模块内部温度未达到风机启动温度,模块工作在自冷状态；在对蓄电池进行大电流均充电时,模块内部温度上升,风机运转,对模块进行散热。这样既能达到散热效果,也能延长风机的使用寿命。〔8电力用直流开关电源发展方向1软开关技术为使开关电源轻、小、薄,发展趋势是高频化。而高频化使传统的PWM功耗加大、效率降低、噪声增加。因此软开关技术已成为开关电源的发展主流,目前国内已有多家电源厂商研制成功软开关技术的电力用开关电源模块,并投入应用。2热插拔一体化由于电力用开关电源模块均工作在直流电源屏内,为便于屏内走线及安装维护,国内外电力电源厂商已广泛采用模块输入输出热插拔一体化端口,实现火力插拔。3电源模块智能化目前我国电力系统正大力发展变电站、发电厂综合自动化,作为二次设备,电力用直流电源系统也朝着智能化方向发展。直流系统均要求配置监控系统,实现直流系统的智能化管理及蓄电池组的自动维护,同时与上级监控实现通讯。在中、低压站,直流系统通常采用集中监控方式；而在高压站和发电厂,鉴于对可靠性的进一步要求,智能化电源模块应运而生。智能化电源模块内置CPU,可实现自身的智能管理,与系统监控通过通讯总线进行数据交换及命令传递。目前这种智能电源模块已在电力系统中得到应用。2.4直流配馈电系统直流馈电单元是将直流源通过负荷开关送至各用电设备的配电单元。根据负荷的功能不同,馈线回路可分为：控制回路和合闸回路,各回路所用负荷开关均选用直流断路器,分断能力在6kA以上,保证在直流负荷侧发生故障时相应支路可靠分断,其容量与本系统上下级开关相匹配,以保证开关动作的选择性。直流系统线、系统电压、网络设计、操作和保护电器选择是直流馈电系统设计的主要问题。2.4.1直流系统接线电气主接线的形式一般有：单母线及单母线分段、双母线及双母线分段、带旁路母线的单母线和双母线接线、一台半断路器及4/3台断路器接线、变压器母线接线、单元接线、桥形接线等。直流系统接线应力求简单、安全可靠、维护操作方便。在DL/T-1995《火力发电厂和变电所直流系统设计技术规定》中有规定,发电厂和变电站的直流系统应采用单母线或单母线分段接线。单母线接线简单、清晰,但可靠性与灵活性差,一般用在110kV以下的变电站；单母线分段接线可靠性较高,任一段母线出现故障或需要检修都不影响供电,一般都建议220kV和500kV变电站采用单母线分段接线。2.4.2直流系统额定电压在DL/T5044-2004《电力工程直流系统设计技术规程》4.2.1直流系统电压中提到：专供控制负荷的直流系统宜采用110V；专供动力负荷的直流系统宜采用220V；控制负荷和动力负荷合并供电的直流系统采用220V或110V。变电站的直流系统目前大多是控制负荷和动力负荷和并供电的直流系统,因此系统电压采用110V或220V都可以,具体根据实际情况和要求来定。2.4.3直流系统馈电网络设计在DL/T5044-2004《电力工程直流系统设计技术规程》4.6.1中规定：直流网络宜采用辐射供电方式。直流馈电网络宜采用辐射供电方式。小容量<200Ah以下>蓄电池直流系统,由于供电范围小,可以是在蓄电池接入直流母线后直接给负荷分别供电的两级网络系统。中大容量<200Ah以上>的蓄电池直流系统,由于供电范围大,可以在负荷集中处设直流分电柜,由直流分电柜给负荷供电,包括大负荷的再分配,也只形成3～4级的网络系统。幅射馈电网络,对负荷施行单一供电,因而互不影响,分电柜方式也节省了电缆,另外给查找接地、保护设备选择方面均带来方便。2.4.4操作保护电器选择直流回路中,保护电器通常采用熔断器和自动空气断路器。由于自动空气断路器具有外形美观、体积小、易安装、可靠性高等特点,故现在直流系统的馈电开关往往采用自动空气断路器,并带有辅助接点,以供监控单元采集馈出断路器的状态信息。2.5蓄电池组2.5.1蓄电池的型式〔1有关的设计规定在DL/T5044-2004《电力工程直流系统设计技术规程》中关于蓄电池类型的规定有:1大型和中型发电厂,220kV及以上变电所和直流输电换流站宜采用防酸式铅酸电池或阀控式密封铅酸蓄电池。2小型发电厂及110kV变电所宜采用阀控式密封铅酸蓄电池,防酸式铅酸蓄电池,也可采用中倍率镍镉碱性蓄电池。335kV及以下变电所和发电厂辅助车间宜采用阀控式密封铅酸蓄电池,也可采用高倍率镍镉碱性蓄电池。目前变电站直流系统里所用的蓄电池一般都采用阀控式密封铅酸蓄电池。〔2阀控式铅酸密封电池的主要特点蓄电池的种类一般分为铅酸电池,镍镉电池和铅酸免维护电池。20世纪发展起来的阀控式密封铅酸蓄电池,具有安装方便、维护工作量小、不污染环境、可靠性高、电池寿命长等优点,因此近几年在电力系统、电信、铁路等部门被大量使用,逐渐取代了传统的固定式防酸式铅酸蓄电池及其他碱性蓄电池,与高频开关电源配套,成为电力系统变电站典型直流电源系统配置。由于阀控铅酸蓄电池对传统的防酸式铅酸蓄电池做出了重要改进,使其具有体积小、自放电小、维护工作量少、对环境无腐蚀、污染等优良特性,因此它与传统的铅酸蓄电池相比有明显的优点:1免维护。变电站用GFM系列阀控铅酸蓄电池带荷电出厂,安装后即可投人使用,无需配制灌注电解液和长时间初充电。高效率的气体内部再化合,密封反应效率可达90%以上,水损耗很少,在整个使用寿命周期无需加入和调整电液密度。在正常使用条件下,不必担心电解液缺少而影响蓄电池寿命。整流充电装置按阀控铅酸蓄电池出厂充电电压设定,无需值班人员进行操作,只需专业人员定期检测电池端电压和放电容量即可。2密封、安全可靠。阀控铅酸蓄电池采用密封结构,正常使用时无酸液渗出或酸雾溢出,采用安全阀及滤酸片,外遇明火不爆炸。内部压力达到限定值时安全阀自动开启排气,低于限定值时安全阀自动关闭,不会因为过充电造成蓄电电池爆裂。电池可立放,也可卧放使用。3工程造价低、节省投资。阀控铅酸蓄电池不污染设备和环境,可与微机继电保护等控制保护装置同室使用,不需专设蓄电池室,可采用多层次迭放,占地面积小,节约工程投资。另外,由于采用特殊的铅基合金紧装配,避免了活性物质的脱落；采用合理的设计结构,使蓄电池有较长的使用寿命,2V系列可达10~12年,12V系列可达3-5年。阀控铅酸蓄电池以其优良的特性为电力、电信、金融信息等行业的现代化管理创造了有利的电源条件,可减少诸多日常维护工作,为电力系统变电站实现无人值守和微机集中监控提供了有利条件。2.5.2蓄电池组的运行蓄电池的运行方式有浮充方式、均充方式、充电-放电方式、快速充电方式和放电5种:<1>浮充电方式。充电装置既提供给直流母线负载电流,又提供给蓄电池组浮充电流,以维持蓄电池满充电状态。不同类型的蓄电池其浮充电压值不同,在25℃环境温度下,一般按2.25V/单体计算。充电设备的输出浮充电电压值必须保持在±1%的误差之内,纹波比例不大于2%。当环境的平均温度高于25℃时,浮充电压值应减小；反之,则应增大。在不同的环境温度下,浮充电压的校正系数可取士3mw<℃·单体>。对有温度补偿功能的浮充电设备,应对浮充电压值进行调整。一般装设于变电站继电保护室的蓄电池柜,应通过空调装置和柜内通风保持蓄电池的温度值。<2>均充方式。均充方式首先以0.1C恒流限压充电,当蓄电池电压达设定限压值时,再恒压限流充电,达到设定时间后自行停止。此种方式一般在蓄电池放电后进行补充电时采用,也可通过充电设备定期采用均充方式补充蓄电池自放电容量。均恒充电电流一般定为0.1C,均恒充电电压为2.4V/单体,根据蓄电池的不同可按产品说明具体执行。<3>充电--放电方式。充电--放电方式即蓄电池充好电后直接带负荷运行,放电容量接近50%后再充电的方式。循环使用的蓄电池一般采用此种方式,电力系统很少采用此种方式,只是在考核蓄电池容量时采用此种方式。首先将蓄电池接人负荷,按0.1C放电,放电至允许终止电压时再按均充电方式恢复蓄电池容量。<4>快速充电方式。当蓄电池组因某种原因深度放电后,可通过快速充电方式补充蓄电池容量。快速充电的电压可根据蓄电池的性能按均充电压值提高0.7V/单体,但应严格控制时间,一般不大于12h,然后转为浮充方式。快速充电电流应小于0.5C,并控制蓄电池的工作温度不得高于35℃。<5>放电。阀控铅酸蓄电池的放电容量随放电电流<放电率>的变化而变化。放电电流小,蓄电池的放电容量就大；反之,蓄电池放电容量就小。由于深度放电会直接影响蓄电池的使用寿命,因此运行中应避免发生蓄电池深度放电,并根据不同的放电电流确定放电终止电压,以保证蓄电池的放电终止电压。当变电站充电装置因失去交流造成变电站蓄电池大电流放电时,变电站值班人员应设法控制直流系统负荷,避免蓄电池长时间、大电流放电。另外,蓄电池放电容量与环境温度有着密切关系,温度低,放电容量就小；反之,温度高,放电容量就大,但过高的温度会严重损坏蓄电池使用寿命,蓄电池的最佳工作温度为20-25℃。蓄电池组正常应在浮充电方式下运行,即浮充电装置与蓄电池组并联在直流母线上。浮充电装置承担经常负荷,同时以不大的电流向蓄电池浮充电,以补偿自放电的损失。这种方式可以随时保证蓄电池组能在事故停电时的全容量放电。2.5.3蓄电池个数及终止电压的确定〔1个数确定原则1蓄电池组在正常浮充电方式下,直流母线电压应为直流系统额定电压的105％；其它运行方式下直流母线电压不应超出直流用电设备所允许的电压波动范围。2蓄电池的终止电压按各事故放电阶段应满足直流母线最低允许电压来确定。〔2蓄电池个数确定以DC220V直流系统为例1正常浮充电方式下n=1.05U=14\*alphabeticn／Uf=1.05×220/2.25=102.67〔个考虑有一点余量,可取103或104个式中U=14\*alphabeticn:直流系统额定电压V,取220VU=6\*alphabeticf：蓄电池浮充电压,V/个．取2.25V/个；2均衡允电时,直流母线电压；U=103×2.4=247.2<247.5V式中U均衡充电时的母线电压,V,不大干112.5％U=14\*alphabeticn即247.5V；U=3\*alphabeticc电池的均允电压,V/个取2.40V/个3蓄电池的终止电压：U=13\*alphabeticm>0.875U=14\*alphabeticn／n=1.869V、取1.87V式中U=13\*alphabeticm每个电池的终止电压,V/个目前在电力系统中较为普及的阀控密封铅酸蓄电池按单元电压分2V、6V、12V三种。根据计算,通常在DC220V系统中,蓄电池组的个数对于单体2V的蓄电池只能选择在103或104个。但是大多数小型电力工程的220V直流系统的蓄电池均选用200Ah以下蓄电池,大多选用12V或6V组合体蓄电池。采用12V蓄电池时所需要的个数n＝1.05U=14\*alphabeticn/U=6\*alphabeticf=1.05×220/<6×2.25>=17.11〔个式中U=14\*alphabeticn为直流系统额定电V,取220V式中U=6\*alphabeticf蓄电池浮充电压,V/个．取2.25V/个；考虑有一点余量,取n为18个2.5.4蓄电池组数和放电回路DL/T5044-2004《电力工程直流系统设计技术规程》第4.3.2条规定:220-500kV变电所应装设不少于2组蓄电池。110kV及以下变电所宜装设1组蓄电池,对于重要的110kV变电所也可装设2组蓄电池。DL/T5044-2004《电力工程直流系统设计技术规程》中还规定到：每组蓄电池均应设有专门的试验放电回路。试验设备,宜经隔离和保护电器直接与蓄电池组出口回路并联。宜采用移动式设备。蓄电池长期处于浮充电状态运行时,容量会下降,是因为活性物质发生较大的电化学变化所引起的,为保证蓄电池有足够的容量,方法是定期进行核对性充放电对蓄电池活化和对容量进行核对,让电池内正极活性物质中保留较多的Pb02粒子,便于恢复充电过程中作为生长新粒子的结晶中心,以提高充电电流的效率,恢复电池的容量,确保蓄电池始终能运行在90%以上的容量。满足当交流事故停电时,发电厂事故停机和变电所的事故处理时直流负荷的需要。对于已运行三年以上的电池,最好能每年进行一次核对性放电试验,放出额定容量的30—40%.每三年进行一次容量测试,放出额定容量80%。2.5.5蓄电池容量选择选择蓄电池容量首先要进行直流负荷统计,直流负荷按性质可分为:经常性负荷、事故负荷、冲击负荷。经常负荷主要包括变电站内的保护控制、自动化、通讯信号。事故负荷是指变电站在全所停电后,必须由直流电源供电的负荷。在变电站内主要是指事故照明、不间断电源系统<UPS>、通讯备用电源等负荷。冲击负荷是指极短的时间内施加的很大的负荷电流。在35-220kV变电站中这类负荷主要是指电磁操作机构的断路器分合闸电流。据上述三种直流负荷统计,可计算出事故状态下变电站内直流持续放电容量。关于蓄电池放电时间在DL/T5044-2004《电力工程直流系统设计规程》第5.2.2条规定:有人值班变电所,全所交流电源事故停电时间按1h计算,无人值班变电所,全所交流事故停电时间按2h计算。对无人值班变电所,主要是考虑到事故停电后增加维修人员前往变电所的路途时间1h,但对事故照明负荷可按1h小时计算,因为事故照明可采用维修人员手投方式。蓄电池容量选择的计算方法有电压控制法与阶梯负荷法。为保证事故放电初期,放电末期蓄电池仍能保持一点的电压水平,并能再次承受冲击负荷,蓄电池容量还应考虑适当的裕度。根据据算,目前的220kV的变电站,直流系统额定电压取220V,蓄电池选择两组时,蓄电池容量一般为300-400Ah；110kV变电站,直流系统额定电压取220V,蓄电池选择一组时,蓄电池容量一般为100-200Ah；35kV变电站,直流系统额定电压取220V,蓄电池选择一组时,蓄电池的容量一般为100Ah。2.6监控装置2.6.1直流系统监控装置的发展和现状电力系统的直流系统是供给操作、继电保护、动力设备使用的电源,其运行情况的好坏直接影响发电厂和变电站所能否正常运行。变电站的直流系统,是继电保护、自动装置和断路器正确动作的基本保证,其稳定运行对防止系统破坏、事故扩大和设备严重损坏至为重要。如何加强对直流系统运行监视和故障的分析,并采取相应对策,是电力系统需要解决的问题。过去,电力系统的各个变电站都有人值守,可以对直流设备的运行状态进行定期检查,因而可以及时发现并处理其出现的异常现象,保证变电站的安全稳定运行。目前,电力系统推广无人值班变电站,虽然调度中心可以通过远动通道获取变电站运行情况的实时信息,但是对于直流部分只能得到少量的重要信息。它不能反映直流系统运行的详细信息,特别是它不能发现系统刚刚开始出现异常运行的情况,直到长期异常运行发展为故障时才上发调度,此时,事故已经开始扩大,如果能在异常现象刚出现时就及时发现并及时处理,就可以避免异常情况扩大。所以需要设备维护人员对其进行定期检查。此外,对直流设备运行的控制也是由维修人员进行现场操作的。变电站多,维护人员少,显然无法保证按期按量完成。在这种情况下,直流监控系统应运而生。它的主要作用就是把各个变电站的直流设备信息送到监控中心,供其查询,同时监控中心也可以向各站发送控制命令。这样,维护人员不但可以在监控中心对直流设备进行远方监控,还可以及时发现设备运行的不正常状态,及时处理,而不等其发展演变成事故。所以,直流监控系统的建立,可以节省人力物力,提高工作效率。电力操作电源由传统的相控电源逐步向模块化的高频开关电源转变,监控方面,随着控制技术,微处理技术和通信技术的发展,电力操作电源正有模拟化的监控,保护向数字化、模块化、智能化转变,适应了电力系统综合自动化,变电站无人值守的发展趋势。由于发电厂、变电所及电力调度部门均采用了计算机监测、监控技术。直流电源系统是电力工程中电气系统的一个组成部分。它对保证电力系统自动化装置的应用和可靠性起到重要作用。它的技术条件、基本参数、基本功能、安全性能、结构工艺等均应满足DL/T856—2003《电力用直流电源监控装置》电力行业标准的要求,行业标准规定监控的主要内容有充电电压、电流稳定运行的自动调整,浮充转均充或均充转浮充的按运行方式自动转换,主要直流断路器的运行状态和事故报警,直流母线电压的正常显示和异常报警,直流系统绝缘状态监测,蓄电池在线检测,逆变放电的自动调整等。2.6.2微机监控装置<1>微机监控装置的功能1实现电源系统的自动化管理监控装置应能采集、显示直流系统的故障告警及重要的开关量,如蓄电池回路空气开关〔熔断器的状态。监控装置应能测量、显示直流系统的模拟量,如直流母线电压、蓄电池充放电电流等。监控装置应能控制整流器开关机及蓄电池充电状态的转换,能根据蓄电池的容量状况控制整流器对蓄电池组分别进行恒流均充、恒压均充和恒压浮充。监控装置应能根据需要自主调整整流器的输出电压。当直流系统中的电池品牌及数量确后,该电池组的浮充和均充电压也成为定值。但由于目前广泛采用的阀控式密封铅酸蓄电池对温度较为敏感,此功能主要用于在浮充状态下,对蓄电池组实现温度补偿,有利于延长电池的寿命。2蓄电池充放电的最优化管理。监控装置应能根据采集的信号,判断蓄电池组的状态,自主调整充电状态,避免过充和欠充。3实现电源系统的"四遥"功能为了实现变电站的无人值守,作为变电站重要的二次设备,直流系统的运行情况需通过变电站站内监控上传至主站。为此,智能直流系统的监控装置需具备与上位机通讯的功能,通常监控装置采用串行口通讯方式,与变电站综合自动化装置实现通讯。常用的串行口通讯方式为RS232、RS422、RS485,现场总线也初见端倪。通讯双方采用相同的通讯方式及相同的通讯参数,如波特率、校验方式等,同时按照约定的通讯规约,即可实现数据传递。所谓"四遥"是指遥信、遥测、遥控和遥调。a.遥测系统母线电压、负载总电流,电池电压、电池充放电电流,各充电模块的输出电压、输出电流,母线对地绝缘情况b.遥信电池组熔断器通断状态；电池电压欠压、过压；电网电压过高、过低；合闸控制母线过/欠压,充电模块故障,硅链故障、避雷器故障等c.遥控控制充电模块开/关机、浮/均充转换d.遥调充电模块输出电流无级限流控制<根据监控单元的命令,在10%～100%范围内调节充电模块输出电流的限流点>；充电模块输出电压调节控制<根据监控单元的命令,调节充电模块输出电压的大小>。其中遥信是指将直流系统的重要开关量和告警量通过通讯口上传至上位机。遥测传送的是直流系统的模拟量。而遥控则是指直流监控装置接收上位机指令,进行整流器的开关操作和蓄电池组充电状态的改变。由于直流系统监控装置应具有自主管理功能,为避免错误的操作,"遥控"和"谣调"功能在直流装置与变电站当地监控实现通讯时也可省略。〔2微机监控装置硬件设计1监控装置功能分类直流系统的监控装置应包括单片机系统、信号测量功能模块、信号控制模块、人机交互功能模块和远动通讯功能模块。其中单片机系统包括单片机基本系统和扩展部分,单片机基本系统一般采用微处理器作为CPU,如8位51系列微处理器、16位196系列微处理器及32位MC68300系列微处理器,目前较为流行的DSP随着其价位的下调,也可考虑。作为监控装置的核心,CPU的选择可根据监控装置的功能进行选择,满足监控装置的要求即可。其扩展部分包括存储器和接口扩展,存储器指RAM、EPROM、EEPROM,可根据所采用的微处理器的类型和系统的要求,对存储器进行相应的扩展。其接口也是根据系统需要扩展,8255、8251等专用功能芯片都是常用的接口扩展电路。信号测量功能模块,是直流系统与其监控装置相互联系的不可缺少的部分。信号数据采集的被检测信号有多种类型,如模拟量、频率量、开关量、数字量等。开关量和数字量可由CPU或其扩展接口电路直接采集,模拟量通过各种传感器,经过放大、整形、转换〔电流电压变换、模数转换、电压频率转换后输入到CPU。监控装置应能采集直流系统中重要的开关量,例如：直流系统在交流输入端需安置避雷器,其提供常开或常闭触点,可选择其中一对触点由监控装置采集,在系统遭雷击后,避雷器触点动作,监控装置就可实时采集到其变化情况。图6即为开关量采集的典型电路。图6中开关量采集电路采用与CPU电源隔离的24V,被监测对象提供一组触点〔通常为常开触点,分别接至24V的GND和采集点。正常时,光耦TLP521原边无电流通过,CPU采集TLP521副边为高电平。当该组触点动作时,光耦原边有电流流过,发光二极管亮,指示信号状况,同时光耦副边变为低电平,CPU通过总线驱动器可采集到被监测对象的开关量的变化情况。图6开关量采集典型电路采集直流系统的各种模拟量,为监控装置实现自动管理是信号测量采集功能模块的基本功能。通常测量模拟量的电路,可采用A/D转换及V/F变换电路。图7为模拟量采集的典型电路。图7为模拟量采集的典型电路监控装置的控制信号功能模块是监控装置与控制对象相互联系的重要部分。监控装置对采集的直流系统的数据进行运算处理后,输出相应的控制信号。单片机主要输出3种形态的信号：数字量、开关量和频率量,上述信号可由CPU直接产生,若需模拟量控制信号,可通过数模转换或频率电压变换得到。以上输出信号再由各种驱动电路来驱动相应执行器实现控制功能。图8和9为典型的开关量输出和模拟量输出电路。图8开关量输出典型电路图9模拟量输出典型电路智能型直流系统的监控装置应配备人机交互设备,它是监控系统与操作人员间交互窗口,是整个系统与外界联系的纽带和界面。一个安全可靠的监控系统必须具有方便灵活的交互功能,它既能及时反映系统运行的重要状态,又能在必要时实现适当的人工干预。人机交互功能模块通常包括键盘〔按键或BCD码拨号盘等、显示器〔LED数码管、LCD液晶显示器或CRT等、打印机及报警系统等部分。监控系统中的远动通讯模块,担负着直流系统与其他智能设备间信息交换的功能,目前串行通讯方式在直流系统的监控装置中得到广泛应用。2监控装置类型根据直流系统的具体情况,其监控装置通常采用多机系统构成分布式控制,除主机外可设置多种下位从机完成各种各样的检测控制,主机和从机间配备RS232、RS422或RS485接口进行数据传送。针对电力工程直流系统的实际运行情况,通常监控装置可分为基本的3个部分：直流系统基本监控、绝缘监测装置,蓄电池测试仪。3直流系统基本监控作为直流系统监控装置中核心部分,基本监控承担了系统检测、蓄电池管理、数据传送等多种基本功能。目前在规模较大的直流系统中,基本监控也可采用分布式结构,如在整流模块的内部设置CPU,将与整流模块相关的一部分监控电路移至整流模块内部,而监控装置则通过串行总线对整流模块实施数据采集和管理。4绝缘监测装置变电站直流系统是不接地系统,当直流系统发生接地时会引起继电保护的误动或拒动以及直流电动机的异常甚至损坏。直流操作电源需要配置绝缘监测装置,监测直流系统的接地故障与绝缘水平。过去,往往使用绝缘监察继电器来完成对直流母线绝缘状况的在线监测,这种继电器具有体积小,安装方便的特点,但只能反映整个直流系统的绝缘水平,不能确定具体的故障回路,需要逐个拉开回路来确定接地故障点。查找故障十分困难。现在变电站内使用的微机直流系统接地巡检仪,除可监视母线电压与绝缘外,还可以对各直流接地支路进行判断,直流系统的接地信息可通过串行口传送至本地监控或后台的监控计算机。正常情况下,系统各支路对地绝缘电阻相近且较高,大于允许绝缘电阻值,装置报警回路不动作,仅进行常规工作,如正负母线电压,正负母线绝缘电阻的巡回检测,显示。在支路或母线接地时或绝缘电阻降低超过允许值时,装置报警并显示相应回路绝缘电阻值,查找接地故障非常方便。5蓄电池测试仪蓄电池测试仪是专门为蓄电池的智能化管理设计的,可对蓄电池的各种状态进行监测,它作为智能型直流系统的扩充配置,原理和监控单元一致,不同之处在于其测量对象是蓄电池组及每一组元<单元电池>。可对蓄电池的电压、电流、温度及容量进行实时检测,通过大屏幕汉字液晶显示实时观察蓄电池的单体信息,整组信息和故障信息,具有电池过压、电池欠压、回路过流、电池亏容、电池过温、整组欠压等告警功能,并设有串行通信接口,可将信息传给监控单元。根据这些信息,再结合科学的合理的充放电技术,可保证蓄电池不会过充或过放电,有利于延长电池的使用寿命。2.7降压装置降压单元就是降压稳压设备,是合母电压输入降压单元,降压单元再输出到控母,调节控母电压在设定范围内〔110V或220V。当合母电压变化时,降压单元自动调节,保证输出电压稳定。降压单元也是以输出电流的大小来标称的。降压单元目前有两种,一种是有级降压硅链,一种是无级降压斩波。有级降压硅链有五级降压和七级降压,电压调节点都是3.5V,也就是说合母电压升高或下降3.5V时降压硅链就自动调节稳定控母电压。无级降压斩波就是一个降压模块,它比降压硅链体积小,它没有电压调节点所以输出电压也比降压硅链要稳定,还有过压、过流、和电池过放电等功能。不过目前无级降压斩波技术还不是很成熟常发生故障,所以还是降压硅链使用较广泛。当然也可采用高频开关式斩波调压模块,但随着变电所开关设备的合闸电流大幅度减小,微机测控保护模块就地布置,缩短了控制距离,通过适当增大蓄电池容量,当计算蓄电池终止电压满足要求时,可取消降压装置,因此目前采用硅链调压更为实用。2.8不间断电源系统不间断电源系统：UPS[UninterruptiblePowerSystem<orSupply>]：是由电池组、逆变器和其他电路组成,主要是为了变电站的某些重要设备、如后台机、自动化设备通、信设备提供不间断的交流电源。UPS正常工作时由交流电源供电,经整流、逆变后提供稳压的交流输出,当所内交流电源消失后,由变电站内的直流系统或UPS自带的蓄电池向逆变器提供直流电,经逆变后输出稳压稳频的交流电源。以往变电站采用自带蓄电池的UPS,这种UPS存在价格贵、维护量大、故障高等不足,特别是UPS自带的蓄电池,往往长期不使用,缺乏维护,是变电站内的一个隐患。因此,近年来人们开始采用专为电力系统设计的不带专用蓄电池组而是利用站内变电直流系统的"USP",也叫后备USP,这中实际上是交流逆变器,其优势在于：可与变电站内的直流超作电源系统配置使用,挂靠直流母线,直接利用站内直流蓄电池,比自带蓄电池USP供电方案更节约投资、减少系统维护、降低运行成本,逆变器可直接安装在直流屏内,结构紧凑、配线简单、比自带蓄电池的USP供电方案更节省空间。2.9通信直流电源在实际设计过程中,经常有建设单位要求讲通讯电源和保护电源合一,这样可省去通信电源的专用蓄电池组,节省资金,缩小占地面积,减少日常对蓄电池的维护工作量。工作原理是从直流系统的合闸母线经过<N+1>个直流变换模块<如DC220V/DC48V>变换为DC48V。模块数量根据通信设备的经常负荷计算。2.10本次设计方案2.10.1设计内容以及注意的相关问题〔1设计三种常用的直流系统方案：1单组电池、单组整流模块、充馈一体；2单组电池、双组整流模块、充馈分开；3两组电池、两组整流模块。分别适用于35kV、110kV和220kV变电站。变电所直流系统设计常用的设计示意图如下图。图10变电所直流系统示意图图10变电所直流系统示意图〔2在设计过程中应注意的几个相关问题1具有两组跳闸线圈的断路器〔主要用于220kV及以上系统,跳闸回路的电源来自不同的直流母线。《电力系统继电保护及安全自动装置反事故措施要点》指出："有两组跳闸线圈的断路器,其每一跳闸线圈回路应分别由专用的直流熔断器供电"。这样还不够,还要使每组熔断器从相互彼此独立的直流控制母线取得工作电源,只有这样才能保证,在站内发生事故,同时一条直流母线失压的情况下,断路器仍有一组跳闸线圈能正常工作,确保断路器在事故情况下能够可靠掉闸,把事故限制在最小的范围内。2具有保护双重化配置的出线、母线及变压器,保护电源应取自不同的直流母线。3对于只有一套保护和断路器只有一个跳闸线圈的单元〔一般用于110kV及以下电压等级变电所,其保护电源及断路器控制电源取应自同一直流母线。在这种情况下,高压断路器操作电源和保护工作电源可以共用一对熔断器,从而简化二次接线,提高可靠性。4对于装设单套保护和单跳闸线圈断路器的控制保护单元,上级断路器和保护与下一级断路器和保护的电源应取自不同的直流母线。对于220kV变电站的中低压侧,以及110kV〔包括110kV以下电压等级的变电所中,每个保护控制单元一般情况下均装设一套完整的保护,例如：高压输电线路保护,一般由一套完整的主保护和一套完整的后备保护组成,高压微机线路保护装置的主保护和后备保护一般情况下共用同一个保护机箱,110kV及以下电压等级的断路器一般仅设计一个跳闸线圈。图11是某110kV变电所部分后备保护配置图〔仅标出需上下级配合的后备保护,35kV各出线装设有三段式过电流保护〔电流速断保护、限时电流速断保护、过电流保护；10kV各出线装设有两段式过电流保护〔电流速断保护、过电111111311511图11保护配置图501III501III371372I5725711#主变流保护；主变压器中、低压侧均装设一段三时限过电流保护〔短时限跳本侧母线分段开关,中时限跳本侧变压器主进开关,长时限跳变压器三侧开关,分别作为中、低压侧母线故障的主保护及各出线的远后备保护；变压器高压侧装设一段过电流保护,动作后跳变压器三侧开关,作为变压器本体及各侧引出线的后备保护及中低压侧母线的远后备保护。在变压器的设计及运行过程中,应将变电所中、低压侧各出线保护电源和开关〔包括母联控制电源取自Ⅰ段〔或Ⅱ段直流母线,变压器中、低压侧开关和后备保护的电源取自Ⅱ段〔或Ⅰ段直流母线,变压器高压侧断路器和后备保护的电源取自Ⅰ段〔或Ⅱ段直流母线。母联开关母联开关1＃充电机2＃充电机电池组电池组绝缘监察绝缘监察图12直流系统接线图RD131151131251211111235kV各出线10kV各出线这样安排解决了一次设备的保护和其远后备保护的直流电源要分开,已确保设备的保护或控制失去直流电源的情况下,上一级的远后备保护能够充分发挥作用,保证故障的最终切除。2.10.2直流屏屏体设计直流屏的选型是直流系统设计的一个重要组成部分。按全国电气工程标准技术委员会直流电源分委员会和电力规划设计总院对直流系统结线没汁及新型直流屏的研制要求,直流屏应具有创新的设汁思想、结线简单、可靠、元器件选型先进、监测手段功能齐全、屏体体结构合理、造型新颖、防护等级高、耐受短路电流强度大、组屏使用灵活方便等优点。而且采用屏前屏后开门,便于维修。在运行中不需要全停电就可更换任一几器件。〔1设计规定DL/T5044-2004《电力工程直流系统设计规程》关于直流柜的规定有：1直流电源柜采用加强型结构,防护等级不低于IP20,即要求"能防止手指或长度不大于80mm的类似物休触及壳内带电部分、运行部件,能防止直径大于12mm的固体异物进人壳内。直流柜外形尺寸都采用800mm×600mm×2260mm<宽×深×高>。2直流柜分为直流电源进线柜、直流馈线柜、充电装置柜、蓄电池柜以及直流分电柜。3直流柜正面可按模数分隔为多个功能单元格,各自独立,通过插件或插头实现相互的联系。每一单元格集中布置1格单元设备,操作设备布置在中央,测量表记可布置在侧上方。4直流电源成套装置包括蓄电池组、充电装置、直流馈线。根据体积大小,可以合并或分别设柜,直流电源成套装置可布置在电气控制室,但室内应保持良好通风。当直流成套装置中蓄电池采用阀控式铅酸蓄电池组时,蓄电池容量在200Ah以上时宜设专门用的蓄电池室。5直流柜上直流系统的测量表计配置在DL/T5044-2004《电力工程直流系统设计规程》关于直流系统表计配置有下列规定：蓄电池组、充电和浮充电装置的输出回路应装设直流电流表；直流主母线、直流分电屏母线、蓄电池组和充电浮充电装置的输出回路应装设直流电压表。而当直流系统设有微机监控装置时,直流柜上的测量表计可仅装设直流母线电压表。〔2屏体设计方案直流电源系统装置由充电屏,馈电屏和电池屏组成,采用直流电源成套装置,屏体采用组合式结构,外壳防护等级不低于IP20,基本尺寸为2260〔高×800〔宽×600〔深。出于接线最短,最简单的原则将充电屏和电池屏相邻放置,馈电屏与充电屏相邻放置。充馈电屏和电池屏的实际数目将根据不同的设计内容要求来定。2.10.3三个变电站设计方案〔135kV变电站在本次设计中,35kV变电站直流系统的主接线为单母线形式,辐射式的供电网络,直流系统电压为DC220V。充电装置选择高频开关模块,开关电源系统组成方式为控制、动力母线分别设置,单组模块方式。设计内容对此等级变电站屏体的要求是充馈合一,即充电屏和馈电屏合二为一,充电装置和馈电装置放置在同一面屏内。若蓄电池容量较小,一面电池屏内可放置5层,每层4块电池,共计20块中小容量和体积的电池。在35kV变电站直流系统里,蓄电池组数为1组,其由18块12V阀控式密封铅酸蓄电池组成,电池容量为100Ah。根据设计规定,测量表计配置有控母,合母电压表、蓄电池放电回路浮充电流表和交流转换电压表。这些测量表计放在充馈电屏的最上层,35kV变电站直流系统中的绝缘监测装置选用的是简易型的,配置有降压装置,其类型为降压硅链,同时系统配置了闪光继电器,这三个装置和测量表记一起都放在充馈电屏的第一层。第二层放置微机监控装置。第三层放置高频开关充电模块。由2.4.2.2.3关于高频开关电源模块配置的内容中可得,高频开关模块数量的计算公式为：N模块额定电流之和≥最大经常负荷+蓄电池要求的充电电流<阀控式铅酸电池约为0.1-0.2C>,一般在35kV变电站的最大经常性电流为5A左右,根据此公式,可算出N块模块额定电流之和为15A,一般模块的额定电流有5A,10A,20A,40A等各种规格。本次设计中均采用额定电流为10A的高频开关电源模块。由此可得N＝2,采用〔N＋1备份的方式,高频开关模块的数目选择为3块。一般一面充电柜内可安装2-8快模块,每层可放4块模块,在这选择的模块数为3,故只需设计一层模块层即可。接下两层放置合母,控母的断路器和指示灯,合母的放一层,控母的放一层,断路器选择自动空气断路器。35kV变电站直流系统的馈电回路,控母设计为8路,合母为6路,直流断路器,指示灯的数目与之匹配。最后两层是其他的一些装置,例如防雷保护装置、双路自动切换、直流断路器,交流断路器等。综合以上所述,本次设计的35kV变电站直流系统直流屏屏面布置图如图所示图1335kV变电站直流屏屏面布置图屏面布置图上各个装置的代号和名称见表2表235kV直流屏明细栏代号名称PV1控母电压表PV2合母电压表PV3交流转换电压表PA1蓄电池放电回路浮充电流表SA1降压装置转换开关SA2交流电压转换开关KA1闪光继电器KA2绝缘监测装置HHL闪光装置指示灯SB1闪光装置按钮开关B1蜂鸣装置JK监控模块MK1-MK3高频开关充电模块QFK1-8控母断路器HLK1-8控母指示灯QFH1-6合母直流断路器HLH1-6合母指示灯QF1交流断路器QF2交流断路器QF3交流断路器QS1直流断路器QS2直流断路器QH双路自动切换F1防雷保护装置<2>110kV变电站在本次设计中,选择单母线为110kV变电站直流系统的主接线形式,供电网络为辐射型,直流系统电压为DC220V。充电装置选择高频开关模块,开关电源的组成方式为控制,动力母线分别设置,双组模块方式。设计内容对此等级变电站屏体的要求是充馈分开,即充电屏和馈电屏分别设置,充电装置放一面屏,馈电装置放一面屏。110kV变电站我所配置的蓄电池和35kV的一样为18块12V组合体电池,类型为阀控式密封铅酸蓄电池,组数同样为一组。不同的是电池容量选为200Ah,蓄电池容量变大了,体积也相应的变大了,通常一面屏放不下18块这样的组合体电池,需设两面屏。测量表记和其他装置的配置和35kV变电站的基本相同。不同的地方有：1.绝缘检测装置选择为接地巡检型,不再是简易型；2.高频开关模块的配置不同。110kV变电站为N+1备份形式。其中一部分模块提供给控制母线,剩余部分提供给合闸母线。根据所选定的电池容量〔200Ah,变电站最大经常性负荷〔约为10A和模块的额定电流〔10A,由公式计算得出,N为3,两套装置N×2=6,选择4个模块提供给合闸母线,2块模块给控制母线。因为对110kV变电站的设计要求是充馈电屏分开,因此馈电回路的装置将要被单独放置在馈电屏中,馈电屏的第一层,放置接地巡检装置。接下来放置合母和控母的直流断路器和指示灯,断路器的类型也为自动空气断路器。110kV变电站的馈电回路,控母的设置为16路,合母设置为8路,断路器和指示灯的数目与此匹配。充电屏的屏面布置与35kV变电站相似。综合所述,得出本次设计的110kV变电站直流屏屏面布置图如图12。图14110kV变电站直流屏屏面布置图屏面布置图上各个装置的代号和名称见表3表3110kV直流屏明细栏代号名称PV1控母电压表PV2合母电压表PV31#交流电压表PV42#交流电压表PA1蓄电池放电回路浮充电流表SA11#交流电压转换开关SA22#交流电压转换开关KA1闪光继电器KA2接地巡检装置HHL闪光装置指示灯JK监控模块MK1-MK6高频开关充电模块QFK1-12控母断路器HLK1-12控母指示灯QFH1-6合母直流断路器HLH1-6合母指示灯QF1交流断路器QF2交流断路器QF3交流断路器QS1直流断路器QS2直流断路器QH双路自动切换F1防雷保护装置FU1-4熔断器<3>220kV变电站在本次设计中,选择单母线分段作为220kV变电站直流系统主接线的形式,供电网络为辐射型,直流系统电压为DC220V。设计内容对屏体的要求是：两组电池、两组充电机。220kV变电站所用的蓄电池设计为104块容量为300Ah的2V单体阀控式密封铅酸蓄电池,配置两组。根据前面写到的有关的技术要求,一般电池容量大于200Ah时,宜设专门用的蓄电池室。故在本次设计中不再设专门的电池屏。一般220kV的馈电回路比较多馈电装置也就比较多,在此次设计中,每段母线合母馈电回路为12路,控母为16路,不可能和充电装置放置在