10kV变电所直流操作电源系统设计

许茹斐

（华陆工程科技有限责任公司，西安710000）

1 引言

本文以某化工厂10kV变电所直流操作系统的设计为例，详细介绍了变电所二次回路设计中正确选择直流操作电源系统的相关内容。该变电所内配置2段10kV母线，每段9个馈线，有2台变压器。采用220V直流操作系统。

2 直流操作电源系统的设计

2.1 直流电压选择

变电所直流电源操作系统电压应根据用电设备类型、额定容量、供电距离和安装地点等确定，本变电采用控制负荷和动力负荷合并供电的直流电源系统；220V与110V额定电压相比，可减小电缆的截面面积，降低电缆投资，并且减小蓄电池容量，便于安装。故该电源系统电压选用220V。

2.2 直流系统接线方式

本变电所选择单母线接线形式，具体如图1所示。

直流系统由1组蓄电池、1组整流器组成，直流母线为单母线接线。正常运行时，充电装置经动力直流母线对蓄电池进行充电，同时，经硅堆降压装置向控制直流母线提供负荷电流，蓄电池的浮充或均充电压即为动力直流母线正常的输出电压。

图1 单母线接线图

2.3 蓄电池的选择

2.3.1 蓄电池数量的计算

1）按浮充电运行时单体电池正常浮充电电压值和直流母线电压为1.05UN（UN=220V）来确定蓄电池数量，本站选择阀控式铅酸蓄电池，单个电池的浮充电压Uf=2.25V，蓄电池数量计算如下：

蓄电池数量取值为103个。

2）校核均衡充电时直流母线电压为：

3）校核放电终止时直流母线电压为：

放电终止时直流母线电压保持在允许范围内，考虑到直流系统中有冲击负荷，为满足冲击负荷对直流母线的电压要求，故电池数量选择103个。

2.3.2 蓄电池容量的选择

根据事故放电电流进行容量计算，这样按照直流母线的最小允许电压决定了单个电池的放电终止电压。容量根据电池形式、终止电压和放电时间不同，其计算时间不同，查表得到容量转换系数。末期放电电压为1.87V，换算系数为KC=0.94h-1，KC1=0.292h-1，KC2=0.29h-1。

按第一阶段容量：

按第二阶段容量：

随机（5s）负荷计算容量：

式中，CC1、CC2为蓄电池10h放电率第一阶段与第二阶段的计算容量，A·h；CR为随机（5s）负荷计算容量，A·h；I1、I2为第一阶段与第二阶段的负荷电流，A；IR为随机（5s）负荷电流，A；KK为可靠性系数，取1.4；KC为1min放电时的容量换算系数，h-1；KCR为随机（5s）负荷的容量换算系数，h-1；KC1为各计算阶段中全部放电时间的容量换算系数，h-1；KC2为各计算阶段中除第1阶梯时间外放电时间的容量换算系数，h-1。

将CR叠加在CC2，…，CCn上，然后进行比较，取其大者，即为蓄电池计算容量。

蓄电池容量为30.74+4.7=35.44A·h，考虑备用选择63A·h。

2.4 直流馈线单元

所有电路负载开关均采用开断能力大于6kA的直流断路器，以保证直流负载侧故障时对应支路的可靠开断。其容量与系统的上、下开关相匹配，保证了开关动作的可靠性和选择性。

2.4.1 直流断路器

直流断路器具有快断保护和过流保护功能，直流断路器的选择如下：（1）额定电压大于或等于回路的最大工作电压；（2）额定电流应大于回路的最大工作电流；（3）直流断路器的分段能力及短时耐受电流大于通过直流断路器的最大短路电流。

2.4.2 断路器的额定电流

1）充电装置输出回路

断路器额定电流应按充电装置额定输出电流选择，即：

式中，IN为直流断路器额定电流，A；IrN为充电装置额定输出电流，A；KK为可靠性系数，取1.2。

2）断路器控制、保护、信号回路

式中，IN为直流断路器额定电流，A；KC为同时系数，取0.8；Icc为控制负荷计算电流，A；Icp为保护负荷计算电流，A；Ics为信号负荷计算电流，A。

2.4.3 蓄电池组出口回路

1）断路器额定电流按蓄电池的1h放电率电流选择，即：

式中，I1为蓄电池1h放电率电流，A，铅酸蓄电池可取5.5I10。

2）按保护动作的选择性条件，即额定电流应大于直流馈线断路器额定电流的最大选择之一，即：

式中，Imax为直流馈线中直流断路器最大的额定电流，A；KC4为配合系数，一般可取2.0，必要时取3.0。

2.5 监控单元

直流电力系统的监测包括充电监测、配电监测和绝缘监测。采用分散测控、集中管理的分布式模式，设置充电模块数量，开关机控制，电池自动管理保护。

2.6 总结

本变电站直流系统设计方案如下：系统电压为220V；蓄电池采用阀控式密封铅酸蓄电池，浮动充电操作，浮动充电电压为2.35V，电池容量选择63A·h，n=103，电压校准结果是符合要求的。

电池充电装置选取2组，每组充电模块为2个，共4个，额定工作电流为10A，每组充电装置出口电流为9.675A。

蓄电池出口断路器的额定电流按蓄电池的1h放电率电流和保护动作性进行计算，选择其中数值较大者作为断路器额定电流即为35.75A[3]。

3 结语

随着电网自动化水平的不断提高，直流供电系统作为变电站监控和保护的重要环节越来越重要。只有依据计算电池及其充电电路的实际负载合理设计，才能使整个直流系统在可靠性、稳定性和经济性方面得到合理配置。