张学彬 马峦
云南华电福新能源发电有限公司 云南 昆明 661100
摘要：随着现代科学技术，尤其是计算机技术和通信技术的发展，电力系统向着综合自动化、网络集中化的方向发展，这对变电站直流系统的稳定性和可靠性提出了更高的要求。因此，研究变电站直流系统的设计，分析直流系统中可能遇到的异常问题，针对不同类型的直流系统异常提出解决方案具有重要意义。
关键词：变电所；直流系统设计；关键因素
1直流系统的结构
（1）充电机。充电机是变电站直流系统的重要部件之一，其功能是将来自所用电系统的交流电通过整流之后变成直流电，为直流母线供电，从而为蓄电池充电，可以把充电机看作是直流系统的电源。（2）蓄电池。蓄电池是储能元件，当外部交流电失去时，充当直流系统的后备电源。以往使用较多的是固定铅酸蓄电池，但是有着体积大、运行维护复杂的缺点，已逐渐退出了市场。目前主流产品是阀控密封铅酸蓄电池，这种电池的优点比较明显：体积小，容量高而且免维护直流系统充电模块有相控充电机和高频开关电源充电机两种。（3）监控装置。监控模块的功能是测量、显示和控制直流电源充电模块的交流、直流电压，直流输出电流和蓄电池端电压。监控模块可分为分布式和集中式。（4）蓄电池巡检仪。蓄电池巡检仪能检测蓄电池的运行状态，原理与监控单元相同，但测量的是蓄电池组及每一单节电池。可实时监测蓄电池的电流、电压等信息，并能显示单个蓄电池、整组蓄电池的信息和故障信息。当电池出现欠压、过压、过温、回路过流时及时告警，同时将信息传给监控单元。电力运维人员可以在日常巡视中，查询这些信息，再进行定期的充、放电，可延长蓄电池的使用期限。（5）开关设备。由于直流空气开关灭弧性好、动作快，所以当前变电站直流系统的开关设备基本上全部采用直流空气开关，在需要的直流回路中，保护采用自动空开和熔断器。（6）降压装置。合闸母线和控制母线通过降压硅链相连，合母电压通过硅链降压后，为控母提供电压。降压硅链是由多只大功率硅整流二极管串接而成，PN结（二极管）可以产生基本恒定的压降，改变接入的PN结数量就可以调节压降的程，这样就相当于调节电压。
2变电所直流系统设计的关键因素
2.1充电装置的选择
（1）充电装置类型的选取。充电模块主要有晶闸管型和高频开关型两类。晶闸管型接线简单，输出功率且较廉价，一般在老旧变电站使用广泛。而高频开关型是随着电网技术发展而兴起的，性能更优良，有以下一些优点：输出精度高、失真小、稳压稳流、效率高。所以，在新建的变电站已广泛使用此类。（2）接线方式的选择。充电装置由N+1个高频开关模块组成，来确保某个模块故障不影响整组充电设备的正常工作，模块个数一般在3—7个之间。一般来说有一组蓄电池的直流电源系统可配置一套或两套高频开关电源充电模块。配置两组蓄电池的直流系统，需要两套或三套高频开关电源充电模块。那么，蓄电池和高频开关充电装置数量相同的配置，需要对整流模块按N+1进行冗余配置。高频开关充电装置比蓄电池多一套配置的直流电源系统，则不用对整流模块进行冗余配置。因此，35千伏、110千伏变电站的直流电源系统一般为一组蓄电池配一套(N+1)个模块或者两套(N个模块)高频开关电源充电装置。220kV变电站的直流电源系统有两组蓄电池，那么配套两套(N+1个模块)或三套(N个模块)的高频开关电源充电装置。多块模块并列运行时，应具有良好均流性能，在总输出额定电流条件下，均流不平衡度应小于5%。
2.2蓄电池的选择
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：
n=1.05UN/Uf=1.05×220/2.25=102.667（1）
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：
UN1=2.35×103=242.05V=1.10UN（2）
3）校核放电终止时直流母线电压为：
UN2=1.87×103=0.8755UN＞0.875UN（3）
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：
（4）
按第二阶段容量：
（5）
随机（5s）负荷计算容量：
（6）
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。
2.3直流母线电压的选择
变电站直流系统的电压有220V和110V两种。在以往一般采用220V，是因为那时候的断路器采用电磁型操作机构，合闸电流大，那么电缆的截面也需要相应增加，故采220V可以比110V的电缆截面缩小一半。近年来，断路器的操作机构采用液压式或弹簧，合闸电流被大大降低，当直流电压为220伏时，合闸电流在2.5A以内；直流电压为110V是，合闸电流为5A以内，这样采用普通的控制电缆就可以。
2.4直流系统接线方式的选择
一般直流系统的接线方式有以下4种：1)配备一组蓄电池和一套充电装置，采用单母线分段接线或单母接线。蓄电池和充电装置都连于单母，或分别接在I段和II段母线。2)配备一组蓄电池和两套充电装置，采用单母线分段方式。两套充电装置分别接在两段母线上，蓄电池组接在两段母线上。3)配备两组蓄电池和两套充电装置，采用两段单母方式。蓄电池组和充电装置分别接于不同母线段，两段直流母线之间应设联络电器。4)配备两组蓄电池和三套充电装置，采用两段单母方式，其中2组蓄电池和2套充电装置应分别接于不同母线段，第3套充电装置通过隔离和保护电器跨接在两段母线上或经切换电器分别接至2组蓄电池。
2.5直流馈电网络的选择
变电站直流系统馈电网络有两类，一种是环形供电方式，另一种是辐射供电方式。直流控制、动力负荷都采用环形供电网络，通过动力和控制小母线，在各直流负荷之间形成环形供电网络，每个环的电源回路接到两段母线上。其网络优点是电缆量少，一般用于小型变电站，缺点是网络路径较长，电压降明显，尤其是发生直流接地故障时，查找故障点比较困难，故为确保故障查找方便，目前的新式变电站很少采用环形网络。辐射形供电网络则从直流柜上的直流母线直接对负荷供电，显然供电可靠性高，发生直流接地时，因为接线逻辑清晰，比较容易查找方便。辐射形供电网络一般需要配置直流主屏和馈电分屏，分屏的进线电源为双电源考虑。
3结束语
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。只有对直流系统进行合理设计，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。
参考文献
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