110kV变电站直流电源系统蓄电池容量方法及应用李明

110kV变电站直流电源系统蓄电池容量方法及应用李明

李明

山西省电力公司晋中供电公司变电运维室山西省晋中市030600

摘要：在设计110kV变电站的时候，为了变电站直流系统的可靠性，电气二次设计人员需要严格谨慎计算变电站蓄电池容量。按照最新DL/T5044-2014《电力工程直流电源系统设计技术规程》及《电力工程直流系统设计手册》（第二版）的要求，继电保护及安全自动装置关系着变电站的安全运行，直流系统具有在交流电源失电的情况下还能对站内保护装置、自动装置、事故照明及交流不停电电源装置提供可靠的电源。110kV某变电站按无人值班站设计，蓄电池容量的选择按事故放电2h计算，根据《电力工程直流系统设计技术规程》DL/T5044-2014，可采用110V或220V直流电源系统，本站选用额定电压为220V电源系统，蓄电池组架安装布置在专用直流蓄电池室内，本站直流系统配置需考虑通信电源DC/DC48V模块。

关键词：110kV变电站；直流电源；蓄电池；容量方法；应用；分析

引言：直流电源的故障会导致继电保护及安全自动装置无法动作，进而在系统发生故障时引起保护装置越级跳闸，扩大事故范围。变电站的保护、自动装置及其控制回路、信号回路都需要直流电源稳定可靠的工作，因此，直流电源在变电站中有着举足轻重的地位，确保直流电源系统的可靠运行是变电站安全运行面临的关键问题。

1.直流电源系统接线方式

直流系统接线的基本原则是安全可靠，简单清晰、操作方便，在任何运行方式下，除接线设计上允许外，蓄电池不得与直流母线解列。根据国家规程规范和实际设计工作中的经验，目前110kV变电站直流系统普遍采用双电双充的接线方式，直流系统采用两段母线接线，两段母线之间设联络开关，每段母线各带1套充电装置和1组蓄电池，正常运行时，两段直流母线分别独立运行。对变电站直流电源系统，联络开关可采用隔离开关。这种接线方式造价上高些，但可靠性高，目前大部分110kV变电站广泛采用。

2.直流电源系统配置

2.1充电模块

目前充电装置主要有高频开关模块型和相控式两种。高频开关模块1992年问世，模块电流为5A～50A，技术性能和指标先进，体积小、重量轻、效率高、使用维护方便、自动化水平高，目前已在常规发电厂和变电站中广泛应用。相控式充电装置接线简单、输出功率大、性能稳定、价格相对便宜，同时有较成熟的运行经验，但由于其性能指标和效率方面低于高频开关模块，且体积较大，在常规发电厂和变电站中已较少应用，但在核电常规岛等项目中仍有应用。110kV变电站直流系统采用高频开关模块，充电模块采用N+1热备用方式，模块电流采用10A或20A，充电装置技术特性必须满足蓄电池充电和浮充电要求，长期连续工作，充电装置具有良好的稳流、稳压和限流、低电压充电、灵活可靠的运行方式、自动切换功能以及具有良好的电磁兼容性能，具有安全可靠的抗干扰和防护措施，充电装置内的元器件应选择性能优良、技术先进的产品，要布置安装合理，具有可靠的过载保护性能等。

2.2蓄电池

铅酸蓄电池是电力工程中广泛采用的直流电源装置。它是用铅（Pb）和二氧化硅（PbO2）分别作为负极和正极的活性物质，以硫酸水溶液作为电解的电池。它具有适用温度和电流范围大、储存性能好、化学能和电能转换效率高、充放电循环次数多、端电压高、容量大等优点，因此现在发电厂和变电站基本采用铅酸蓄电池，铅酸蓄电池主要分固定型排气式和阀控式两类。阀控式密封铅酸蓄电池的优点是放电性能好、技术指标先进、占地面积小和维护工作量小等，缺点是使用寿命相对较短，对环境温度要求较高。多年运行经验证明，阀控式密封铅酸蓄电池能够满足发电厂、变电站和直流输电换流站、串补站对直流电源系统安全和可靠运行的要求。固定型排气式铅酸蓄电池由于存在占地面积大、维护工作量大、运行中会产生氢气、伴随着酸雾、需要有防护措施等缺点，目前在常规发电厂、变电站等已经基本不采用。一般采用单体为2V的蓄电池，是因为2V蓄电池的设计寿命相对6V或12V组合电池的设计寿命要长。

3.直流电源系统保护监控

直流电源系统保护电器的配置应根据直流电源系统短路电流计算结果，保证具有可靠性、选择性、灵敏性和速动性，根据蓄电池充电回路、充电装置直流侧出口回路、直流馈线回路及试验放电回路等配置保护电器。保护电器应满足上、下级保护配合的要求，设计时选择性能优良的直流断路器。变电站采用辐射供电方式，各级断路器满足级差配合要求，建议整个变电站直流断路器选用同品牌产品。对直流系统的监控设备主要的故障信号要以硬接点接入后台系统并满足以太网通讯功能，按每组蓄电池配置1台绝缘监测装置，绝缘监测装置不受母线运行方式的影响。

4.直流电源系统负荷

直流负荷按性质分为经常负荷、事故负荷、冲击负荷，本站经常性负荷有电气控制、保护及安全自动装置、逆变器、DC/DC变换模块（48V）；事故负荷有交流不间断电源装置；冲击负荷有高压断路器跳闸及合闸。某站远期为3台63MVA双绕组主变压器，4回110kV电缆出线，110kV采用单母线分段接线，其中#2主变双臂进两段母线。每台主变10kV侧带15回电缆出线，远期最终45回出线，10kV采用单母线双分段四段母线接线。根据电网公司相关文件及要求110kV变电站直流系统需按双充双蓄配置，每组蓄电池的负荷按全站总负荷的100%选择。

5.直流电源系统充电设备选择计算

满足浮充电要求：Ir=0.01I10+Ijc=0.01×30+24.55=24.85（A）满足脱离开直流母线充电要求：Ir=（1.0-1.25）I10=30-37.5（A）满足均衡充电要求：Ir=（1.0-1.25）I10+Ijc=54.55-62.05（A）充电设备的额定输出电压：Ur=nUcm式中Ucm=2.4V，Ur=104×2.4=250（V）高频电源模块配置及数量选择：N=［（1.0-1.25）I10+Ijc］/Ime=3块，Ime单个模块选为额定电流选20A，增加1个附加模块，最终选4块20A充电模块。

总结：变电站直流电源系统非常重要，能够全面保障电网的安全、稳定、连续运行，做设计时，一定要通过严谨计算，根据每个变电站情况，选择可靠的电源电流系统。在运行过程中，总结经验，做好直流电源系统的维护，确保电网运行的可靠性。根据最新规范《电力工程直流系统设计技术规程》DL/T5044-2004推荐的阶梯法的步骤要求，结合110kV某变电的实际情况，进行了详细的计算，最终选定容量为300Ah的蓄电池，同时对充电模块进行了计算，站内的直流电源系统运行稳定正常，未出现任何问题。

参考文献：

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