500kV无人值班变电站直流电源容量配置的改造方法

汪太平，陈 雪，文东山

（1.国家电网安徽省电力公司 检修公司，安徽 合肥 230061；2.浙江大学 电气工程学院，浙江 杭州 310027）

电力系统中的直流电源部分由蓄电池组、充电设备、直流屏等设备组成。系统正常时，为变电站内的断路器、隔离开关等主设备提供分合闸直流电源，为保护自动化装置、通信设备以及二次回路提供工作电源；系统故障时，如当500kV变电站用电中断的情况下为继电保护及自动装置、断路器跳闸与合闸、通信设备等直流负荷提供工作电源，保障变电站主设备的正常运行［1-2］。它的正常与否直接影响电力系统的安全可靠运行［3-4］。

现有500kV变电站直流电源容量一般按照有人值守变电站考虑，设计时满足事故放电时间1h。随着“三集五大”体系建设的推进，500kV变电站无人值守全面实施，为保障500kV变电站在实施无人值守后变电站直流系统能满足全站设备正常运行2h以上，事故照明正常运行1h以上的用电要求，需要对现有500kV变电站直流系统容量进行技术改造，主要涉及内容包括蓄电池的选择、充电装置容量选择和改造方案的确定［5-8］。

1 500kV有人值班变电站直流电源现状

作为变电站安全可靠运行的重要保障，变电站直流系统以蓄电池作为后备电源为重要设备提供直流电，直流电源蓄电池根据电解液的不同，可分为酸性蓄和碱性蓄电池2种。在20世纪70年代以前变电站中应用的都是开启式铅酸蓄电池，70年代以后，半封闭的铅酸电池逐步得到普遍应用，到80年代中期以后，镉镍碱性电池开始使用。但是，变电站中的镉镍蓄电池组在加工生产环节中无法保证每一个电池的充电、放电的特征一致，而且在使用当中用同一个充电的电源，又必须向同一个负荷放电，导致个别电池性能差越来越大，从而对整个装置的性能产生一定程度的消极影响；同时，镉镍电池组在工作中长时间地处于浮充的状态，浮充电流过大，使得电解液中的水电解质分解成为氢气与氧气，氢气与氧气混合很容易发生爆炸，倘若通风条件较差将会发生大事故。

20世纪90年代发展起来的阀控制式密封铅酸蓄电池，由于具有安装方便、维护工作量小、污染小、可靠性较高等一系列优点，得到较广泛的应用。阀控式密封铅酸蓄电池多采用超细玻璃纤维隔膜、紧装配集极板、贫电液结构，也有采用管式正极板和专用隔板胶体电解液的富电液结构的，其基本原理都是使气体在极板间转移，促进再化合反应。减压阀的作用是保持电池内部有一定压力。这类蓄电池具有防酸式铅酸蓄电池的优点，而且基本上不需要维护，由于没有酸雾和气体排除，可以和成套直流电源柜一起安装在主控室，现在已经被广泛应用于各类变电站中，是无人值班变电站首选蓄电池。500kV变电站站内直流系统一般采用2组600Ah阀控式密封铅酸蓄电池。使用时，一般每组52只，额定电压采用110V，实现保护操作电源的双重化。供断路器操作、继电保护、事故照明、远动UPS、直流常明灯等用电，采用主、分屏供电方式［9］。

2 直流负荷统计及容量选择

2.1 直流负荷

在选择合适的蓄电池容量之前要先统计变电站的直流负荷，并且参照直流系统设计规程确定各种直流负荷的计算时间。500kV变电站直流负荷主要包括保护装置、测控装置、事故照明、UPS电源以及各电压等级断路器跳合闸等类型设备用电。

2.2 蓄电池容量选择

变电站直流系统的重要性决定了直流电源必须有很高的稳定性和可靠性，电压质量和电源容量均应在最严重的事故情况下保证用电设备的可靠工作。因此，蓄电池容量计算在改造设计中显得尤为关键。选择蓄电池容量的方法有电压控制法和阶梯负荷法，由于阶梯负荷法具有较高的精度，笔者按负荷阶梯分段计算，取其中计算容量最大者，当有随机负荷（冲击负荷）时，随机负荷单独计算所需容量，并叠加在第1段以外的计算容量最大的放电阶段［10-12］。

蓄电池10h放电率计算容量和随机负荷计算容量分别为

式（1）、（2）中 CC为蓄电池放电率计算容量（Ah）；I1，I2，…In为各阶段事故负荷电流（A）；KC1，KC2，…KCn为各阶段负荷容量换算系数（1／h）；KCR为随机负荷容量换算系数（1／h）；KK为可靠系数，计算蓄电池容量时，不论使用哪种算法，都要对容量储备情况做好分析，选择可靠系数KK。

计算KK时，需考虑裕度系数Kr、温度修正Kt和老化系数Ka3个方面。

1）蓄电池在充、放电过程中，会受到许多因素的影响。特性曲线与计算数据中，可能存在误差和难以计算的负荷情况，为此，蓄电池容量计算过程中，要添加一个裕度系数Kr，取为1.2。

2）蓄电池额定容量为环境温度放电和终止放电电压中的容量。当环境温度发生变化时，蓄电池的电解液会发生改变，放电容量也会和额定值产生偏离，因此，常用温度修正Kt代表可能的不利环境因素，一般取为1.08。

3）蓄电池初期使用时，其容量会上升，但随着使用期限的增长容量又会逐步下降，一旦下降至80%的额定容量后，蓄电池便不能再使用，于是，常用老化系数Ka表示蓄电池老化情况，一般取为1.08。

KK=Kr·Kt·Ka，根据以上Kr，Kt，Ka的取值，KK=1.2×1.08×1.08=1.39，故此可靠系数KK为1.4。

2.3 充电装置容量选择

充电装置有浮充电和均衡充电2种运行方式，浮充电方式运行时带全站负荷同时给蓄电池提供浮充电流；均充电方式运行时带全站负荷同时给蓄电池提供均充电流。除此之外，新安装的蓄电池或大修中更换的蓄电池组第一次充电时，需要满足初充电要求［13-14］。根据设计规程规定及运行经验，直流充电装置额定电流IC只需考虑蓄电池均充电流和全站经常性负荷电流（I10为蓄电池10h率放电电流，Ijc为直流系统的经常性负荷电流），则

1）满足浮充电要求：

2）满足均衡充电要求：

3）满足初充电要求：

3 实例分析

3.1 蓄电池容量计算

以安徽境内某500kV变电站为例，经测试统计，其直流负荷数据如表1所示，冲击电流（Ich）按母差动作断路器数统计，跳闸电流参照西门子开关。根据表1数据，可进行蓄电池容量计算。

表1 安徽某变电站直流负荷数据Table 1 DC load of a substation in Anhui province

第1阶段负荷容量换算系数KC1取0.78，第2阶段负荷容量换算系数KC2取0.3，随机负荷容量换算系数KCR取0.9，根据式（1）

根据计算结果，为使变电站直流系统能满足全站设备2h、事故照明1h以上的用电要求，需要采用2组1 000Ah阀控铅酸蓄电池。

3.2 充电装置容量计算

充电装置容量计算时，若满足浮充电要求，根据式（3），则有IC=0.01×100+（38.78+34.09）=73.87A；若满足均衡充电要求，系数取1.12，根据式（4），则有IC=1.12×100+72.87=184.87A；若满足初充电要求，系数取1.12，根据式（5），则有IC=1.12×100=112A。

取计算结果较大者即IC=184.87A作为充电装置的计算电流。综合计算结果，选用充电设备额定电流为200A，充电装置型式及容量为110／115V，6×40=240A。

3.3 改造方案

先拆除1＃蓄电池组，同时退出1＃蓄电池原充电机，将两面直流馈线屏间的联络开关合上，由另外一组蓄电池同时带直流1，2段负荷，由原直流系统为2＃蓄电池组充电。

安装新系统的1＃蓄电池组和充电机，待新系统1＃充电机柜安装完成后，由新系统充电机为1＃蓄电池充电；同样方法退出2＃蓄电池，将原系统退出的1＃蓄电池组与2＃蓄电池组重新排列并接组成新系统的2＃蓄电池组，安装新系统的2＃蓄电池组和充电机，待新系统2＃充电机柜安装完成后，由新系统充电机为2＃蓄电池充电；硬件改造完成后升级软件。

4 结语

直流电源是电力系统中的重要设备，作为变电站自动控制、保护、开关分合、事故照明等的重要电源，其容量及其他性能的好坏直接关系到电网的稳定运行和设备安全。在变电站实行无人值班后，要求直流电源具有更高的可靠性。在实施500kV变电站无人值班中，应充分考虑各直流负荷的用电情况，计算出满足实际需要的蓄电池容量和充电装置容量，在改造过程中按照直流系统不中断供电的原则实施，从而使直流系统改造更完善、更稳定。基于安徽某500kV变电站直流系统改造的实际案例，笔者分析了500kV无人值班变电站直流电源容量配置方案，是相关理论知识结合工程实践的一次成功运用。

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