变电站直流系统设计及选型

刘望清

（华自科技股份有限公司）

0 引言

直流系统在变电站中为继电保护、计算机监控系统、交流不停电电源、事故照明、自动装置等提供电源，还为操作系统提供可靠的操作电源。直流系统的可靠与否，对变电站的安全运行起着至关重要的作用，是保证变电站正常工作的重要条件。

近年来，直流系统的技术和设备发展迅速，阀控铅酸蓄电池、智能型高频开关充电装置、微机型绝缘监测装置、电池巡检仪、电涌专用后备保护器等这些设备安全可靠、技术先进和性能优越，促进了直流系统的发展。

本文以某变电站为例，介绍直流系统蓄电池容量计算、智能型高频开关充电装置额定电流计算及直流系统主要设备选型。

1 蓄电池选择

1.1 直流负荷统计

此变电站为城区110kV变电站，按照无人值班智能变电站设计，直流系统电压采用220V，配置一组蓄电池，因是无人值班站，蓄电池容量按2h事故放电时间考虑，蓄电池采用支架方式，安装在单独的蓄电池室内。主变容量为4×63MVA，每台主变装设（1×4.0＋1×6.0）Mvar的容性无功补偿设备，110kV电气主接线采用单母线断路器分段接线，出线4回，10kV采用单母线断路器分段接线方式，出线64回，每台主变16回。直流负荷统计见表1。

表1 直流负荷统计

1.2 蓄电池数量计算

由于铅酸蓄电池具有可靠性高、容量大、承受冲击负荷能力强及原材料取用方便等优点，故在发电厂和变配电站得到广泛采用。铅酸蓄电池分为防酸防爆式、消氢式及阀控式密封铅酸蓄电池。阀控式密封铅酸蓄电池在正常充放电状态下处于密封状态，具有以下优点：电解液不泄露，也不排放任何气体；具有常规性免维护功能，无需进行添加水、调酸的比重等维护工作；电池寿命长，25℃浮充电状态使用，电池寿命一般可达l0～15年。基于这些优点，本变电站选择使用阀控式密封铅酸蓄电池。

蓄电池正常按浮充电方式运行时，为保证直流负荷供电质量，同时考虑供电电缆压降，一般按直流母线电压的1.05倍来选择蓄电池。即蓄电池数量：

式中，Un为直流电源系统标称电压，此站为220V；Uf为单体蓄电池浮充电电压，V，阀控式密封铅酸蓄电池的单体浮充电电压值Uf取2.23～2.27V，通常Uf取2.25。

所以蓄电池数量n＝1.05×220／2.25≈103。

为保证蓄电池供电的可靠性，此站蓄电池数量选择103＋1＝104节。在确定蓄电池个数后，须验算蓄电池在事故放电末期（1min）允许的最低端口电压应不低于蓄电池放电终止电压（1.75～1.8V）。此变电站共一组蓄电池，蓄电池给控制负荷与动力负荷合并供电，事故放电末期（1min）允许的最低端口电压Um的计算公式如下：

满足大于畜电池终止放电电压的要求，此变电站选用104节2V阀控蓄电池。

1.3 蓄电池容量计算

根据蓄电池终止电压和放电电压，可以查得此变电站阀控式密封铅酸蓄电池（单体2V）的容量换算系数，见表2。

表2 阀控式密封铅酸蓄电池（单体2V）的容量换算系数

按蓄电池容量阶梯计算法计算蓄电池容量，根据表2找出对应阶段各计算参数，详见表3。

表3 各阶段计算参数

表3中，Kk为蓄电池可靠系数；Kc为1min放电时的容量换算系数，1／h；Kcr为随机冲击负荷（5s）的容量换算系数，1／h；Kc1为各计算机阶段中全部放电时间的容量换算系数，1／h；Kc2为各计算机阶段中除第1阶梯时间外放电时间的容量换算系数，1／h；Kc3为各计算机阶段中除第1、2阶梯时间外放电时间的容量换算系数，1／h；Kcn为各计算机阶段中最后一个阶梯放电时间的容量换算系数，1／h；Cc1为蓄电池10h放电率第一阶段的计算容量，Ah；Cc2为蓄电池10h放电率第二阶段的计算容量，Ah；Cc3为蓄电池10h放电率第三阶段的计算容量，Ah；Cc4为蓄电池10h放电率第四阶段的计算容量，Ah；Cr为随机负荷计算容量。

根据阶梯容量计算公式，计算各阶段容量。

Kk＝裕度系数×老化系数×温度修正系数＝1.15×1.10×1.10＝1.3915，故Kk按常规取1.40，

得出：

将Cr叠加在Cc2～Ccn中最大的阶段上，然后与C1相比较，取最大值，即为蓄电池的计算容量，得出：

最大计算容量Cc＝Ccm＋Cr＝326.68Ah

根据蓄电池容量规格，此站选用400Ah电池；根据直流负荷情况，利用蓄电池容量阶梯计算法，本变电站最终选择104节2V 400Ah阀控式铅酸蓄电池。

2 智能型高频开关充电装置选择

2.1 智能型高频开关充电模块配置和数量选择

蓄电池配置一组高频开关充电模块，模块输出电流计算公式如下：

根据充电模块输出额定电流Ir及充电模块容量规格，单个智能型高频开关充电模块额定输出电流Ime选择30A比较合适，则：

基本模块个数n1≥Ir／Ime＝（1.0I10～1.25I10＋Ijc）／Ime＝（121.65～131.65）／30。

n1选5，附加模块数量n2＝1（n1≤6），则充电模块数n＝n1＋n2＝6。

根据上述计算，此变电站选择6个30A高频开关电源模块。

式中，I10为铅酸蓄电池10h放电率电流，A；Ijc为经常负荷电流，A；Ime为单个模块额定电流，A；n为高频开关电源模块选择的数量；n1为高频开关电源基本模块选择的数量；n2为高频开关电源附加模块选择的数量。

2.2 智能型高频开关充电模块交流输入电流计算

单个智能型高频开关充电模块交流输入电流根据以下公式计算：

式中，K1为整流器的接线系数，三相桥式取1.05；K2为交流功率换算成电流时的系数，三相380V时为1.52，单相380V时为2.63，单相220V时为2.55；K3为校正系数，硅整流器可取1.1～1.2，可控硅整流器可取1.2～1.3；Prd为整流器直流输出额定功率，kW；Urd为整流器直流输出额定电压，V；Ird为整流器直流输出额定电流，A。

故单个智能型高频开关充电模块交流输入电流为：

整个直流系统交流输入电流为：

根据计算，单个智能型高频开关充电模块交流输入断路器电流选用16A交流空气开关，直流系统交流输入进线断路器电流选用100A塑壳断路器，因电站只配置一组电池一套充电装置，为保证系统的可靠性，交流进线采用双路交流输入电源。

2.3 充电装置输出电流计算

断路器额定电流按充电装置额定输出电流选择，即：

式中，In为充电装置输出回路断路器额定电流；Im为充电装置额定输出电流；Kk为可靠系数，取1.2，得出：

根据计算，充电装置输出断路器额定电流选用225A塑壳断路器。

3 断路器和电涌保护器选择

3.1 蓄电池组出口回路

蓄电池组出口回路采用熔断器，因熔断器简单、经济，与下一级保护容易配合，且有明显的断点，检修和维护都比较方便。熔断器额定电流按以下2种情况中电流最大者选择。

1）熔断器额定电流按阀控式铅酸蓄电池的5.5倍10h放电率电流选择，即：

式中，In为蓄电池组出口回路断路器额定电流，A；I10为蓄电池10h放电率电流。即：

2）熔断器额定电流按保护动作选择性条件选择，熔断器或断路器额定电流应大于2倍及以上直流母线馈线中最大断路器的额定电流，即：

此站直流母线馈线中最大断路器的额定电流为交流不停电电源，断路器电流为40A。

取以上两种情况中电流最大者为熔断器额定电流，所以熔断器电流要大于220A，根据熔断器容量规格，此变电站熔断器选用300A。因事故放电初期（1min）放电电流比较大，所以还要校验事故放电初期（1min）放电电流。

300A＞120.08A（Icho），满足要求。

值得注意的是：此处熔断器应选用G特性低压熔断器。G特性指的是全范围分断，即从约定熔断电流直至短路分断电流范围内的电流都能分断。同时蓄电池组总出口熔断器还应有报警触点，报警信号可靠上传至监控系统。此处蓄电池组总出口回路也可以用断路器，如果采用断路器，应选择仅带有过载保护和短延时保护脱扣短的断路器，还应考虑与下级断路器的配合。

3.2 试验放电装置的额定电流计算

铅酸蓄电池一般按1.0I10放电，考虑到装置额定电流需要有一定的范围和裕度，故选择时可按1.0I10～1.30I10选择，本变电站按1.2I10选择试验放电装置的额定电流。

即In≥1.2×40＝48A

根据计算，试验放电装置断路器选择50A。

3.3 馈线断路器

馈线断路器选用带有瞬时保护和反时限过电流保护的标准二段式直流断路器。馈线断路器额定电流按设备计算电流的1.2倍即可。

3.4 电涌保护器及电涌专用后备保护器

目前普遍使用熔断器和微型断路器做电涌后备保护器，但熔断器和微型断路器短路分断能力低，容易引起电涌保护器SPD起火，且电涌耐受能力差。浪涌专用后备保护装置，是近年来出现的防雷专用装置，其工作原理是根据雷电流和工频电流传输速度的不同，通过内部电路设计，实现对瞬态电流和工频电流进行区分，并通过不同的路径对其进行分流。浪涌专用后备保护装置在电网异常时，当工频电流达到很小电流（3A）时，可快速 （0.1s内）切断工频电流，保护电涌保护器SPD不起火，同时耐受高冲击电流，使雷电流顺利泄放入地。直流系统选用C级防雷，选用20kA／4P电涌保护器及电涌专用后备保护器即可。

根据上面的计算和选型，做出直流系统原理结构图，详见下图所示。

图 直流系统原理结构图

4 结束语

直流系统在变电站的作用很重要，直流系统故障有可能会影响到电网的稳定和设备的运行。根据现在110kV变电站对直流系统可靠性要求的进一步提高，及蓄电池运行维护的需要，重要的110kV变电站已要求配置2组蓄电池，虽然经济成本大幅提高，但运行可靠性得到了很大提高，且运行方式灵活，维护起来方便。