电力直流电源系统设计

电力直流电源系统设计LT
目录
中文摘要 (1)
英文摘要 (2)
1 绪论 (3)
1.1直流电源系统概述 (3)
1.2直流电源系统的现状和发展 (3)
1.3 本次设计任务 (4)
2 直流电源系统设计 (5)
2.1交流配电单元 (6)
2.1.1 交流配电单元基本配置 (6)
2.1.2 交流配电单元工作情况 (6)
2.2 整流模块 (7)
2.2.1相控整流系统的特点 (7)
2.2.2高频开关电源的特点 (8)
2.3充电装置 (8)
2.3.1充电装置的技术特性要求 (8)
2.3.2充电装置的类型及特点 (9)
2.4直流配馈电系统 (15)
2.4.1直流系统接线 (15)
2.4.2直流系统额定电压 (16)
2.4.3直流系统馈电网络设计 (16)
2.4.4操作保护电器选择 (17)
2.5蓄电池组 (17)
2.5.1蓄电池的型式 (17)
2.5.2蓄电池组的运行 (18)
2.5.3蓄电池个数及终止电压的确定 (20)
2.5.4蓄电池组数和放电回路 (21)
2.5.5蓄电池容量选择 (22)
2.6监控装置 (22)
2.6.1直流系统监控装置的发展和现状 (22)
2.6.2 微机监控装置 (24)
2.7降压装置 (29)
2.8不间断电源系统 (31)
2.9通信直流电源 (31)
2.10本次设计方案 (31)
2.10.1设计内容以及注意的相关问题 (31)
2.10.2直流屏屏体设计 (35)
2.10.3三个变电站设计方案 (36)
2.10.4 三个等级变电站设计方案和配置汇总 (44)
3 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：
As secondary substation equipment, DC power supply is very important to the high pressure switch, relay protection, automatic equipments and emergency light .it also provides operating power and control power to other equipments. Its performance and quality is directly with detriment to the operation of equipment in the power plant and substation. It expounds the configuration of eliminator supply, storage battery and feedback device. In the early days, DC operation power supply system in the power plant and substation is phase charge device，which with anti-acid nickel-cadmium batteries or basic nickel-cadmium batteries. It must aircraft from time to time. In the 1990s, the switching power supply appeared.
A power source using a large—power semi—conductor part operated in a circuit under “switching status”。

which controls the switch based on a certain rule to treat and change the electric energy，is called a “switching power source”．Compared to the traditional phase—controlled DC power source，the modules of this new power source have perfect indexes of its all performances and convenience for maintenance．With continuous improvement of switching power technology in power industry the switching power source will substitute phase controlled power source totally and become the first choice for DC power source in power industry.
Because the substation have different voltage step, so it
have different request about the setting and the
capability of the DC operation power supply system. In
my design, I analysis this different request, and describe
the function in the system .In addition, I devise three
system schemes: 1) single group of battery, single group
of charge device, and putting charge device with
feedback together; 2) single of group battery, two groups
of charge device, and putting charge device with
feedback separate; 3) two groups of battery, and two
groups of charge device. The three scheme separate apply
to 35kV, 110kV and 220kV voltage step substation, I also
protract corresponding schematic diagram and panel
setting diagram.
Keywords: Transformer substation dc operation power supply system battery
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：
（1）35kV变电站：单组电池、单组整流模块、充馈一体；
（2）110kV变电站：单组电池、双组整流模块、充馈分开；
（3）220kV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DC250 V／10 kA，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DC250 V／50 kA，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。

交流配电单元
配电监控单元
1#整流
模块
N#整流
模块
监控
单元
电池组
重要的
交流负荷
降
压
硅
链
绝缘监视
逆变模块
1#AC380
2#AC380
合闸分路
控制分路
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。

（6）1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—275V 80－160V/190—275V 工作频率20—500kHz 50Hz
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—50db 60db
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。

图2 电力用开关电源组成框图
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
滤波器
一次整流
功率因数
改善
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
多用于高压站和发电厂，如图3所示。

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。

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
开关电源
·交流
均
直流
蓄电
开关电源
开关电源
·交流
均
动力
蓄电
控制
动力控制
调压装置
开关电源
开关电源
·交流
均
动力
蓄电
控制
动力
控制
调压装置
开关电源
均
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Unitrode IC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。