论文部分内容阅读
摘 要: 电力在电力系统中关系着电网的安全稳定运行，还为各种信息系统提供了通道，成为建设的基础。本文主要对直流电源优化在电力系统中的重要性，以及充放电设备选择、监控装置设置、系统接线和操作保护设备选择等在直流电源可靠性方面存在的一些问题和解决办法
关键词:电源; 优化配置
前言
多年以来，人们在直流电源可靠性方面做了大量的理论研究和实践工作，废除了一些落后设备和元器件，改善了系统接线，提高了自动化水平，拥有了先进的技术指标，以及长寿命和少维护的原则，可靠性已大大提高。目前，高频开关电源、电池在线监测、绝缘在线监测在发电厂、变电站中获得了广泛应用。但是在蓄电池选择、充放电设备选择、监控装置设置、系统接线和操作保护设备选择等方面仍然存在一些影响直流电源可靠性的问题。除了设备技术质量方面的问题之外，本文将从设计选型方面对直流电源可靠性方面提出一些问题和解决办法。
。
1双充电机双电池直流系统简介
1.1充电系统
过去 ,应用较多的充电机为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充电机。目前 ,普遍采用的充电机为由微机控制的可控硅型整流器和高频开关模块型整流器 ,直流电源具有智能化、网络化 ,能够和变电站综合自动化网络连接 ,具有遥测、遥信、遥控、遥调四遥功能。
充电装置一般采用两台相同的充电、浮充电装置 ,一台工作 ,另一台备用 ,每台均能进行充电、浮充电和均衡充电 ,做到一机多功能 ,两台充电装置互为备用。充电过程既恒流充电 - 均衡充电 - 浮充电 ,全由自动装置或微机控制来处理。在任何情况下 ,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。
1.1.1微机控制的可控硅整流器
微机控制的可控硅整流器主回路采用三相全控桥 ,将交流整流形成脉动直流 ,再通过电抗器 ,电容滤波器形成纹波小于 2 %的直流。采样用传感器 ,控制回路以 TC787为核心 ,采用双环反馈 ,控制移相触发器 ,来实现稳流和稳压。全自动兼容手动功能 ,从开机到主充、均充、浮充 ,全自动化切换。整机按编制好的主充电、均充电、浮充电、正常运行、电网解列、恢复送电等程序 ,实行自控制、自诊断、自报警 ,无需人员干预。带有谣信、遥测、遥控、遥调接口 ,与调度中心联网 ,受调度中心控制和操作 ,全面实现了直流电源的无人值班。按键和显示面板直观显示 ,可设定电压、电流值 ,可随时修改充电装置工作参数。
1.1.2高频开关电源模块(充电模块)与监控装置
充电模块具有体积小 ,重量轻 ,容量大等特点 ,采用 N + 1 备份 ,经济性好 ,可靠性高等特点。充电模块工作原理如图2 所示。
图2 充电模块原理图
三相交流电源经过 EMI滤波器输入到整流电路 ,将交流整流为脉动的直流输出 ,通过无功率因素校正(PFC)电路 ,将脉动的直流转换为平直的直流电源 ,DC／AC高频逆变器将直流转换为高频交流电源 ,通过高频整流电路将高频的 AC转换为高频脉动的直流 ,此直流通过高频滤波输出。其中DC／AC高频变换电路在脉宽调制(PWM)电路的控制下通过调整变换电路的脉冲宽度 ,以实现电压调整(包括稳压和电压整定) 。整个充电模块在微机系统的监控下工作 ,包括模块的保护、电压调整等 ,同时微机实现将充电模块的运行数据上报到监控模块和接受监控模块的控制命令。充电模块的主要功能是实现 AC／DC 变换。充电模块可以在自动(监控模块控制)和手动(人为控制)两种工作方式下工作。高频开关电源模块的通用技术指标如表 1～3 所示
监控装置配有标准 RS- 485或 RS- 232接口 ,微机监控接口能和发电厂、变电站综合自动化连接 ,使直流电源的运行状况及时方便的传输到集控中心 ,具有遥测、遥信、遥控和遥调功能。具体指标如表4 所示。
2直流电源的配置
2.1 整流器交流输入回路的数量
直流电源的交流电源一般由交流站用电屏提供 ,如果有两台站用变 ,两路交流电源的切换一般在交流站用电屏内完成 ,这样给直流电源屏输入一回交流进线即可。如果交流站用电屏不具备自动投切功能 ,这样直流电源屏就需输入两回交流进线 ,在直流电源屏内实现自动切换。
2.2 高频开关整流模块和充电设备数量的选择原则
对于相控整流电源 ,一般要求有两套独立的整流系统 ,一套工作 ,一套备用 ,并能自动切换。对于高频开关电源 ,采用 N + 1 模块冗余设置方式 ,这是因为一个模块故障不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。同时 ,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。
根据《火力发电厂、变电站直流系统设计技术规范》(DL／T5044 - 95) ,充电设备的额定电流应为:
Is=0.1C10 + If
式中:Is—充电设备的额定电流
If —直流系统经常负荷电流
C10 —蓄电池10 小时放电电流
2.3 直流母线硅堆降压回路的设置
过去变电站的断路器多为电磁机构 ,合闸电流较大 ,另外 ,蓄电池(220V 系统电池多采用 108 只)在充放电过程中的电压变化较大 ,为满足对直流母线电压水平的要求(220V ±5) ,一般在合闸母线与控制母线之间设置硅堆降压装置。目前 ,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(220V 系统电池多采用104 只) ,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。
2.4 直流配电开关的选择
过去的直流配电系统一般都采用负荷开关加熔断器的形式 ,存在着防护等级低 ,占用空间大 ,维护不便等问题。现在 ,随着国内外直流专用断路器的出现 ,直流系统的配电可以集中布置 ,节省空间和屏位 ,而且也容易接线 ,如采用正面开启式结构 ,更容易进行更换和维护。目前 ,国外生产的小型直流断路器 ,直流分断能力可达 DC250V/10kA ,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 DC250V/50kA , 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。国内个别厂家 ,将小型交流断路器用在直流 220V 的线路中 ,由于其分断能力达不到要求 ,在过负荷或短路的情况下 ,造成开关烧毁或越级跳闸的情况时有发生 ,严重影响直流供电的可靠性。
3 蓄电池系统
3.1 蓄电池容量的选择
选择蓄电池容量的方法有电压控制法和阶梯负荷法 ,一般常用电压控制法 ,按照满足事故全停电状态下的持续放电容量和事故全停电状态下的冲击电流值来选择蓄电池容量。但是应注意在有人值班变电站的设计规范规定全站事故所用电停电时间按 1h 计算 ,而无人值班变电站的设计规范规定全站事故所用电停电时间按 2h 计算 ,这是考虑事故停电后增加维修人员前往变电站的路途时间1 小时。
3.2 蓄电池系统的监控
蓄电池是电源系统的重要组成部分 ,是重要场合供电的“最后一道防线”,因电池问题造成的事故或停机损失远比电池本身价值要高昂得多 ,因此直流电源应配有蓄电池实时监控装置 ,且监控装置能实现和变电站的综合自动化设备连网。蓄电池监控装置应具有电池组电压监测、单电池电压监测电池内阻监测、环境温度监测、充电电流和放电电流监测 ,还同时实现浮充电压报警、内阻事件报警、过放电报警、充电/放电电流过大报警、电池开路报警、电池短路报警等。
4 直流绝缘监测系统
变电站直流系统是一个十分庞大的多分支供电系统 ,其常见的故障是一点接地故障。在一般情况下 ,一点接地并不影响直流系统的运行。但如不能迅速找到接地故障点并予以修复 ,又发生另一点接地故障时 ,就可能造成继电器或保护装置的误动作 ,酿成重大事故。过去 ,变电站直流系统一般选用电磁型继电器构成的绝缘监测装置 ,它是利用电桥平衡的原理 ,主要存在以下问题∶当直流系统正负极绝缘电阻同等下降时 ,电桥未失去平衡 , 绝缘监测装置不能发出报警信号; 绝缘监测装置发出报警信号后 ,运行人员需要通过拉路的方法确定接地支路 ,费时费力且存在安全隐患。
如今 ,直流系统配置微机型直流绝缘监测装置。直流监测系统采用平衡桥及不平衡桥相结合的原理 ,检测母线对地绝缘状态。不向直流系统输入信号 ,不受直流馈线对地电容影响。支路检测使用差值计算 ,准确计算出正、负母线接地阻抗及各支路正、负端接地阻抗 ,当检测到接地阻抗值小于设定报警阻抗值时 ,设备给出报警信号及其阻抗值 ,直到报警信号消除为止。该系统具有三种检测方式:自动巡检、平衡巡检、不平衡巡检。用户可根据实际需要设定设备的工作状态。平衡检测是利用平衡电桥及各支路的传感器检测母线及支路的接地情况;不平衡检测是利用不平衡电桥检测;而自动检测主要是利用平衡电桥进行检测 ,当有接地发生时 ,平衡电桥被破坏 ,系统将自动启动不平衡检测 ,以准确检测出接地支路及其接地阻抗值。其基本功能应能完成在线监测直流系统的母线电压和对地绝缘电阻 ,显示母线电压值和正负母线对地绝缘电阻值。当母线电压过高过低或对地绝缘电阻过低时发出相应的告警信号 ,告警门限参数可手工设置。另外 ,监测装置具有支路巡检功能 ,可以在线检测各馈线支路的绝缘电阻 ,通过 RS485 或RS422串口 ,监测装置可以将直流系统正负母线及各支路对地的绝缘电阻值上送至系统监控單元。
结语直流电源是电力系统重要设备,作为发电厂、变电站自动控制、保护、开关分合、事故照明等的重要电源 ,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。特别是在变电站实行无人值班后,要求直流电源的可靠性及自动化程度更高、功能更完善。所以在电力系统中正确配置直流系统对电网的稳定运行和设备安全是至关重要的。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词:电源; 优化配置
前言
多年以来，人们在直流电源可靠性方面做了大量的理论研究和实践工作，废除了一些落后设备和元器件，改善了系统接线，提高了自动化水平，拥有了先进的技术指标，以及长寿命和少维护的原则，可靠性已大大提高。目前，高频开关电源、电池在线监测、绝缘在线监测在发电厂、变电站中获得了广泛应用。但是在蓄电池选择、充放电设备选择、监控装置设置、系统接线和操作保护设备选择等方面仍然存在一些影响直流电源可靠性的问题。除了设备技术质量方面的问题之外，本文将从设计选型方面对直流电源可靠性方面提出一些问题和解决办法。
。
1双充电机双电池直流系统简介
1.1充电系统
过去 ,应用较多的充电机为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充电机。目前 ,普遍采用的充电机为由微机控制的可控硅型整流器和高频开关模块型整流器 ,直流电源具有智能化、网络化 ,能够和变电站综合自动化网络连接 ,具有遥测、遥信、遥控、遥调四遥功能。
充电装置一般采用两台相同的充电、浮充电装置 ,一台工作 ,另一台备用 ,每台均能进行充电、浮充电和均衡充电 ,做到一机多功能 ,两台充电装置互为备用。充电过程既恒流充电 - 均衡充电 - 浮充电 ,全由自动装置或微机控制来处理。在任何情况下 ,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。
1.1.1微机控制的可控硅整流器
微机控制的可控硅整流器主回路采用三相全控桥 ,将交流整流形成脉动直流 ,再通过电抗器 ,电容滤波器形成纹波小于 2 %的直流。采样用传感器 ,控制回路以 TC787为核心 ,采用双环反馈 ,控制移相触发器 ,来实现稳流和稳压。全自动兼容手动功能 ,从开机到主充、均充、浮充 ,全自动化切换。整机按编制好的主充电、均充电、浮充电、正常运行、电网解列、恢复送电等程序 ,实行自控制、自诊断、自报警 ,无需人员干预。带有谣信、遥测、遥控、遥调接口 ,与调度中心联网 ,受调度中心控制和操作 ,全面实现了直流电源的无人值班。按键和显示面板直观显示 ,可设定电压、电流值 ,可随时修改充电装置工作参数。
1.1.2高频开关电源模块(充电模块)与监控装置
充电模块具有体积小 ,重量轻 ,容量大等特点 ,采用 N + 1 备份 ,经济性好 ,可靠性高等特点。充电模块工作原理如图2 所示。
图2 充电模块原理图
三相交流电源经过 EMI滤波器输入到整流电路 ,将交流整流为脉动的直流输出 ,通过无功率因素校正(PFC)电路 ,将脉动的直流转换为平直的直流电源 ,DC／AC高频逆变器将直流转换为高频交流电源 ,通过高频整流电路将高频的 AC转换为高频脉动的直流 ,此直流通过高频滤波输出。其中DC／AC高频变换电路在脉宽调制(PWM)电路的控制下通过调整变换电路的脉冲宽度 ,以实现电压调整(包括稳压和电压整定) 。整个充电模块在微机系统的监控下工作 ,包括模块的保护、电压调整等 ,同时微机实现将充电模块的运行数据上报到监控模块和接受监控模块的控制命令。充电模块的主要功能是实现 AC／DC 变换。充电模块可以在自动(监控模块控制)和手动(人为控制)两种工作方式下工作。高频开关电源模块的通用技术指标如表 1～3 所示
监控装置配有标准 RS- 485或 RS- 232接口 ,微机监控接口能和发电厂、变电站综合自动化连接 ,使直流电源的运行状况及时方便的传输到集控中心 ,具有遥测、遥信、遥控和遥调功能。具体指标如表4 所示。
2直流电源的配置
2.1 整流器交流输入回路的数量
直流电源的交流电源一般由交流站用电屏提供 ,如果有两台站用变 ,两路交流电源的切换一般在交流站用电屏内完成 ,这样给直流电源屏输入一回交流进线即可。如果交流站用电屏不具备自动投切功能 ,这样直流电源屏就需输入两回交流进线 ,在直流电源屏内实现自动切换。
2.2 高频开关整流模块和充电设备数量的选择原则
对于相控整流电源 ,一般要求有两套独立的整流系统 ,一套工作 ,一套备用 ,并能自动切换。对于高频开关电源 ,采用 N + 1 模块冗余设置方式 ,这是因为一个模块故障不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。同时 ,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。
根据《火力发电厂、变电站直流系统设计技术规范》(DL／T5044 - 95) ,充电设备的额定电流应为:
Is=0.1C10 + If
式中:Is—充电设备的额定电流
If —直流系统经常负荷电流
C10 —蓄电池10 小时放电电流
2.3 直流母线硅堆降压回路的设置
过去变电站的断路器多为电磁机构 ,合闸电流较大 ,另外 ,蓄电池(220V 系统电池多采用 108 只)在充放电过程中的电压变化较大 ,为满足对直流母线电压水平的要求(220V ±5) ,一般在合闸母线与控制母线之间设置硅堆降压装置。目前 ,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(220V 系统电池多采用104 只) ,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。
2.4 直流配电开关的选择
过去的直流配电系统一般都采用负荷开关加熔断器的形式 ,存在着防护等级低 ,占用空间大 ,维护不便等问题。现在 ,随着国内外直流专用断路器的出现 ,直流系统的配电可以集中布置 ,节省空间和屏位 ,而且也容易接线 ,如采用正面开启式结构 ,更容易进行更换和维护。目前 ,国外生产的小型直流断路器 ,直流分断能力可达 DC250V/10kA ,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 DC250V/50kA , 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。国内个别厂家 ,将小型交流断路器用在直流 220V 的线路中 ,由于其分断能力达不到要求 ,在过负荷或短路的情况下 ,造成开关烧毁或越级跳闸的情况时有发生 ,严重影响直流供电的可靠性。
3 蓄电池系统
3.1 蓄电池容量的选择
选择蓄电池容量的方法有电压控制法和阶梯负荷法 ,一般常用电压控制法 ,按照满足事故全停电状态下的持续放电容量和事故全停电状态下的冲击电流值来选择蓄电池容量。但是应注意在有人值班变电站的设计规范规定全站事故所用电停电时间按 1h 计算 ,而无人值班变电站的设计规范规定全站事故所用电停电时间按 2h 计算 ,这是考虑事故停电后增加维修人员前往变电站的路途时间1 小时。
3.2 蓄电池系统的监控
蓄电池是电源系统的重要组成部分 ,是重要场合供电的“最后一道防线”,因电池问题造成的事故或停机损失远比电池本身价值要高昂得多 ,因此直流电源应配有蓄电池实时监控装置 ,且监控装置能实现和变电站的综合自动化设备连网。蓄电池监控装置应具有电池组电压监测、单电池电压监测电池内阻监测、环境温度监测、充电电流和放电电流监测 ,还同时实现浮充电压报警、内阻事件报警、过放电报警、充电/放电电流过大报警、电池开路报警、电池短路报警等。
4 直流绝缘监测系统
变电站直流系统是一个十分庞大的多分支供电系统 ,其常见的故障是一点接地故障。在一般情况下 ,一点接地并不影响直流系统的运行。但如不能迅速找到接地故障点并予以修复 ,又发生另一点接地故障时 ,就可能造成继电器或保护装置的误动作 ,酿成重大事故。过去 ,变电站直流系统一般选用电磁型继电器构成的绝缘监测装置 ,它是利用电桥平衡的原理 ,主要存在以下问题∶当直流系统正负极绝缘电阻同等下降时 ,电桥未失去平衡 , 绝缘监测装置不能发出报警信号; 绝缘监测装置发出报警信号后 ,运行人员需要通过拉路的方法确定接地支路 ,费时费力且存在安全隐患。
如今 ,直流系统配置微机型直流绝缘监测装置。直流监测系统采用平衡桥及不平衡桥相结合的原理 ,检测母线对地绝缘状态。不向直流系统输入信号 ,不受直流馈线对地电容影响。支路检测使用差值计算 ,准确计算出正、负母线接地阻抗及各支路正、负端接地阻抗 ,当检测到接地阻抗值小于设定报警阻抗值时 ,设备给出报警信号及其阻抗值 ,直到报警信号消除为止。该系统具有三种检测方式:自动巡检、平衡巡检、不平衡巡检。用户可根据实际需要设定设备的工作状态。平衡检测是利用平衡电桥及各支路的传感器检测母线及支路的接地情况;不平衡检测是利用不平衡电桥检测;而自动检测主要是利用平衡电桥进行检测 ,当有接地发生时 ,平衡电桥被破坏 ,系统将自动启动不平衡检测 ,以准确检测出接地支路及其接地阻抗值。其基本功能应能完成在线监测直流系统的母线电压和对地绝缘电阻 ,显示母线电压值和正负母线对地绝缘电阻值。当母线电压过高过低或对地绝缘电阻过低时发出相应的告警信号 ,告警门限参数可手工设置。另外 ,监测装置具有支路巡检功能 ,可以在线检测各馈线支路的绝缘电阻 ,通过 RS485 或RS422串口 ,监测装置可以将直流系统正负母线及各支路对地的绝缘电阻值上送至系统监控單元。
结语直流电源是电力系统重要设备,作为发电厂、变电站自动控制、保护、开关分合、事故照明等的重要电源 ,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。特别是在变电站实行无人值班后,要求直流电源的可靠性及自动化程度更高、功能更完善。所以在电力系统中正确配置直流系统对电网的稳定运行和设备安全是至关重要的。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。