220kV及以下变电所直流系统的设计研究

摘要：随着电力系统的飞速发展，保护设备的增多，对直流系统可靠性和稳定性的要求越来越高，直流系统故障将严重影响到系统的安全稳定运行。为此，本文针对220k v及以下变电所直流系统的合理设计进行简要论述。目前220kv及以下变电所直流系统设计已普遍采用高频开关电源充电模块，阀控式密封铅酸蓄电池，系统接线形式一般为单母线分段接线，控制母线与合闸母线合一，直流网络基本以辐射供电方式为主。

关键词：蓄电池个数 直流系统 直流电缆截面

电力市场的竞争要求我们必须认真分析现有系统的运行管理状况，不断总结经验，并善于跟踪、学习新的技术发展趋势，全面提高继电保护专业管理水平，才能为电网安全运行、企业参与市场竞争注入新的活力。

1 蓄电池个数选择

目前新设计220kv及以下变电所直流系统普遍采用控制母线与合闸母线合一的形式。在此模式下，每组蓄电池组阀控式密封铅酸蓄电池个数选择需综合考虑正常浮充电时直流系统母线电压值、直流负荷允许最高电压值、直流负荷允许最低电压值，并结合蓄电池厂家推荐的电池单体最佳浮充电压值、最佳均充电压值来确定。

一般确定方法分三步：第一步，先根据《电力工程直流系统设计技术规程》dl/t 5044-2004[1]规定“在正常运行情况下，直流母线电压应为直流系统标称电压的105%”和蓄电池厂家推荐的电池单体最佳浮充电压值计算出电池个数。第二步，按此电池个数根据规程规定“在均衡充电运行情况下，直流母线电压对控制负荷和动力负荷合并供电的直流系统，应不高于直流系统标称电压的110%”计算出电池单体均充电压值，校核此电压值是否在厂家推荐的最佳单体均充电压范围内。第三步，根据第一步确定的电池个数根据规程规定“在事故放电情况下，蓄电池出口端电压对控制负荷和动力负荷合并供电的直流系统，宜不低于直流系统标称电压的87.5%”计算出电池单体终止电压值。目前主流阀控式密封铅酸蓄电池，厂家一般均给出在某一温度下，一个固定的单体最佳浮充电压值和一个范围的单体最佳均充电压值，也有厂家给出的这两个值都是一个固定值。比如目前使用量较大的某种进口阀控式密封铅酸蓄电池，在25℃时厂家推荐最佳浮充电压2.27v，均充电压2.35v。按上面的步骤对110v直流系统进行蓄电池个数选择计算如表1。

表1 蓄电池个数选择计算表

从表中可看出，蓄电池个数选择是很难同时满足这两个推荐值的，本文认为这种情况应优先满足最佳浮充电压值，即蓄电池个数取52只，单体浮充电压取2.27v，均充电压取2.33v。

2 直流供电网络设计

目前新设计220kv及以下变电所直流网络以辐射供电方式为主，主控室或继电保护室取消了二次屏柜上的直流电压小母线，所有二次屏柜直流电源均直接由直流馈线柜辐射供电。每一保护屏均分别从ⅰ段直流母线、ⅱ段直流母线各引一路馈线，形成双路电源供电，双路电源工作方式有几种设计方案：方案一，正常时一路工作，另一路作冷备用，两路电源在保护屏上并接，一套直流系统故障或检修时，人工手动切换。此方案接线简单，但如果运行人员不小心同时投上两路电源馈线开关，将造成两组蓄电池组并联运行。方案二，与方案一基本相同，只是在保护屏上增加一单刀双投开关，可有效避免操作失误造成两组蓄电池并联运行。方案三，在方案一的基础上，在保护屏增加一自动切换装置，正常工作时由一路电源供电，另一路电源热备用，故障时自动切换。此方案接线较复杂，但自动化程度较高。考虑到一套直流系统失电的故障机率较低，本着简单可靠的原则，本文推荐采用方案二。

220kv、110kv配电装置直流供电有采用辐射供电方式的设计，也有采用环网供电方式的设计。采用辐射供电主要优点是：网络接线简单、可靠，易于查找接地故障点；主要缺点是：直流馈线柜需设置较多动力馈线开关，控制电缆用量较大，经济性较差。220kv、110kv配电装置采用环网供电主要优点是：减少控制室与配电装置场地电缆，减少直流馈线柜动力馈线开关，经济上较合理。因为新设计220kv及以下变电所断路操作机构普遍采用弹簧贮能机构，贮能电机功率不大，贮能电机属不经常短时负荷，环网供电在技术上已可满足要求，在变电所也有多年运行经验，所以本文认为220kv、110kv配电装置宜采用环网供电。

3 直流电缆截面选择

向220kv、110kv及10kv配电装置供电的直流电缆，不同电力设计院选择的电缆截面差别较大，不同运行单位的要求也不大一样，在工程中比较常见的截面有4mm2、6mm2、10mm2等。规程只对电磁操作机构合闸回路电缆截面提出明确要求，对目前普遍使用的弹簧贮能机构电机电源直流电缆截面没有提出明确的要求。因为贮能电机功率通常都不大，电缆载流量通常不会对电缆截面选择产生影响，因此本文将从电压降的角度分析弹簧贮能机构电机直流电源电缆截面选择。

断路器弹簧贮能机构贮能电机正常工作的电压范围一般为(-15%～+10%)直流系统标称电压。对控制与动力合并供电的直流系统，在正常浮充运行情况下，直流母线电压为105%标称电压，在事故放电情况下，直流母线电压通常为87.5%标称电压。因此从理论上分析，正常浮充运行情况下，弹簧贮能机构电机直流电源电缆电压降达到20%都可满足要求，但是在事故放电情况下，电压降不能大于2.5%。如果按照后者选择弹簧贮能机构电机直流电源电缆截面，按典型户外敞开布置220kv变电所，最远间隔此电缆长度在200～250m之间，220kv断路器弹簧贮能电机额定功率通常在500～1200w之间，额定电流一般在5～11a，按此条件，根据规程给出公式：

scac=

式中：

scac—计算电缆截面，mm2；

ρ—电阻系数，铜导体0.0184ωmm2/m；

l—电缆长度，m；

ica—回路短时工作电流，a；

up—回路允许电压降，v。

计算出电缆截面达到30mm2以上，这个截面电缆在直流馈线柜和间隔端子箱上接线都比较困难，实际工程中没有使用。如果按电压降20%计算，电缆截面4mm2就满足要求了。断路器弹簧贮能机构，电机一次贮能可满足断路跳闸一次、合闸一次，全所事故停电后，备用电源合闸或恢复供电，利用贮能弹簧剩余能量可满足断路器合闸要求，因此本文认为贮能电机电源电缆截面选择可不考虑事故放电情况，仅按正常浮充电情况考虑即可。设计时，考虑一定的裕量，可按照电压降10%进行选择，计算出电缆截面在6～10mm2之间。

变电所蓄电池个数选择，先按正常浮充电时母线电压要求确定个数，再校验均衡充电时电压是否合理，最后确定蓄电池终止电压。

变电所蓄电池容量的选择，应根据实际直流负荷统计结果通过计算确定，不宜选得太大。变电所配电装置直流电源宜用环网供电。断路器弹簧贮能机构电机电源电缆可按10%电压降进行选择。

参考文献：

[1]电力系统继电保护实用技术问答(第三版)[m].北京：