許茹斐
(華陸工程科技有限責(zé)任公司,西安710000)
本文以某化工廠10kV變電所直流操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為例,詳細(xì)介紹了變電所二次回路設(shè)計(jì)中正確選擇直流操作電源系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容。該變電所內(nèi)配置2段10kV母線,每段9個(gè)饋線,有2臺變壓器。采用220V直流操作系統(tǒng)。
變電所直流電源操作系統(tǒng)電壓應(yīng)根據(jù)用電設(shè)備類型、額定容量、供電距離和安裝地點(diǎn)等確定,本變電采用控制負(fù)荷和動(dòng)力負(fù)荷合并供電的直流電源系統(tǒng);220V與110V額定電壓相比,可減小電纜的截面面積,降低電纜投資,并且減小蓄電池容量,便于安裝。故該電源系統(tǒng)電壓選用220V。
本變電所選擇單母線接線形式,具體如圖1所示。
直流系統(tǒng)由1組蓄電池、1組整流器組成,直流母線為單母線接線。正常運(yùn)行時(shí),充電裝置經(jīng)動(dòng)力直流母線對蓄電池進(jìn)行充電,同時(shí),經(jīng)硅堆降壓裝置向控制直流母線提供負(fù)荷電流,蓄電池的浮充或均充電壓即為動(dòng)力直流母線正常的輸出電壓。
圖1 單母線接線圖
2.3.1 蓄電池?cái)?shù)量的計(jì)算
1)按浮充電運(yùn)行時(shí)單體電池正常浮充電電壓值和直流母線電壓為1.05UN(UN=220V)來確定蓄電池?cái)?shù)量,本站選擇閥控式鉛酸蓄電池,單個(gè)電池的浮充電壓Uf=2.25V,蓄電池?cái)?shù)量計(jì)算如下:
蓄電池?cái)?shù)量取值為103個(gè)。
2)校核均衡充電時(shí)直流母線電壓為:
3)校核放電終止時(shí)直流母線電壓為:
放電終止時(shí)直流母線電壓保持在允許范圍內(nèi),考慮到直流系統(tǒng)中有沖擊負(fù)荷,為滿足沖擊負(fù)荷對直流母線的電壓要求,故電池?cái)?shù)量選擇103個(gè)。
2.3.2 蓄電池容量的選擇
根據(jù)事故放電電流進(jìn)行容量計(jì)算,這樣按照直流母線的最小允許電壓決定了單個(gè)電池的放電終止電壓。容量根據(jù)電池形式、終止電壓和放電時(shí)間不同,其計(jì)算時(shí)間不同,查表得到容量轉(zhuǎn)換系數(shù)。末期放電電壓為1.87V,換算系數(shù)為KC=0.94h-1,KC1=0.292h-1,KC2=0.29h-1。
按第一階段容量:
按第二階段容量:
隨機(jī)(5s)負(fù)荷計(jì)算容量:
式中,CC1、CC2為蓄電池10h放電率第一階段與第二階段的計(jì)算容量,A·h;CR為隨機(jī)(5s)負(fù)荷計(jì)算容量,A·h;I1、I2為第一階段與第二階段的負(fù)荷電流,A;IR為隨機(jī)(5s)負(fù)荷電流,A;KK為可靠性系數(shù),取1.4;KC為1min放電時(shí)的容量換算系數(shù),h-1;KCR為隨機(jī)(5s)負(fù)荷的容量換算系數(shù),h-1;KC1為各計(jì)算階段中全部放電時(shí)間的容量換算系數(shù),h-1;KC2為各計(jì)算階段中除第1階梯時(shí)間外放電時(shí)間的容量換算系數(shù),h-1。
將CR疊加在CC2,…,CCn上,然后進(jìn)行比較,取其大者,即為蓄電池計(jì)算容量。
蓄電池容量為30.74+4.7=35.44A·h,考慮備用選擇63A·h。
所有電路負(fù)載開關(guān)均采用開斷能力大于6kA的直流斷路器,以保證直流負(fù)載側(cè)故障時(shí)對應(yīng)支路的可靠開斷。其容量與系統(tǒng)的上、下開關(guān)相匹配,保證了開關(guān)動(dòng)作的可靠性和選擇性。
2.4.1 直流斷路器
直流斷路器具有快斷保護(hù)和過流保護(hù)功能,直流斷路器的選擇如下:(1)額定電壓大于或等于回路的最大工作電壓;(2)額定電流應(yīng)大于回路的最大工作電流;(3)直流斷路器的分段能力及短時(shí)耐受電流大于通過直流斷路器的最大短路電流。
2.4.2 斷路器的額定電流
1)充電裝置輸出回路
斷路器額定電流應(yīng)按充電裝置額定輸出電流選擇,即:
式中,IN為直流斷路器額定電流,A;IrN為充電裝置額定輸出電流,A;KK為可靠性系數(shù),取1.2。
2)斷路器控制、保護(hù)、信號回路
式中,IN為直流斷路器額定電流,A;KC為同時(shí)系數(shù),取0.8;Icc為控制負(fù)荷計(jì)算電流,A;Icp為保護(hù)負(fù)荷計(jì)算電流,A;Ics為信號負(fù)荷計(jì)算電流,A。
2.4.3 蓄電池組出口回路
1)斷路器額定電流按蓄電池的1h放電率電流選擇,即:
式中,I1為蓄電池1h放電率電流,A,鉛酸蓄電池可取5.5I10。
2)按保護(hù)動(dòng)作的選擇性條件,即額定電流應(yīng)大于直流饋線斷路器額定電流的最大選擇之一,即:
式中,Imax為直流饋線中直流斷路器最大的額定電流,A;KC4為配合系數(shù),一般可取2.0,必要時(shí)取3.0。
直流電力系統(tǒng)的監(jiān)測包括充電監(jiān)測、配電監(jiān)測和絕緣監(jiān)測。采用分散測控、集中管理的分布式模式,設(shè)置充電模塊數(shù)量,開關(guān)機(jī)控制,電池自動(dòng)管理保護(hù)。
本變電站直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如下:系統(tǒng)電壓為220V;蓄電池采用閥控式密封鉛酸蓄電池,浮動(dòng)充電操作,浮動(dòng)充電電壓為2.35V,電池容量選擇63A·h,n=103,電壓校準(zhǔn)結(jié)果是符合要求的。
電池充電裝置選取2組,每組充電模塊為2個(gè),共4個(gè),額定工作電流為10A,每組充電裝置出口電流為9.675A。
蓄電池出口斷路器的額定電流按蓄電池的1h放電率電流和保護(hù)動(dòng)作性進(jìn)行計(jì)算,選擇其中數(shù)值較大者作為斷路器額定電流即為35.75A[3]。
隨著電網(wǎng)自動(dòng)化水平的不斷提高,直流供電系統(tǒng)作為變電站監(jiān)控和保護(hù)的重要環(huán)節(jié)越來越重要。只有依據(jù)計(jì)算電池及其充電電路的實(shí)際負(fù)載合理設(shè)計(jì),才能使整個(gè)直流系統(tǒng)在可靠性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性方面得到合理配置。