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12 變配電所操作電源
12.1 直流操作電源的設計要求
12.1.1直流系統的負荷[66]
110kV及以下變電所的直流負荷可分為經常負荷、事故負荷及沖擊負荷三大類。
經常負荷主要包括經常帶電的繼電器、信號燈、位置指示器及直流常明燈或其他常接入直流系統中的用電設備，一般可取1~2kW。
事故負荷是變電所失去交流電源全所停電時，必須由直流系統供電的負荷，主要為事故照明負荷。事故照明負荷統計見表12?1?1。
變電所的沖擊負荷主要是斷路器的合閘機構在斷路器合閘時的短時（0.1~0.5s）沖擊電流。
12.1.2 10kV及以下變配電所直流操作電源設計原則[5]
12.1.2.1 供一級負荷的配電所或大型配電所，當裝有電磁操動機構的斷路器時，應采用220V或110V蓄電池組作為合、分閘直流操作電源；當裝有彈簧儲能操動機構的斷路器時，宜采用小容量鎘鎳電池裝置作為合、分閘操作電源。
12.1.2.2 中型配電所當裝有電磁操動機構的斷路器時，合閘電源宜采用硅整流，分閘電源可采用小容量鎘鎳電池裝置或電容儲能。對重要負荷供電時，合、分閘電源宜采用鎘鎳電池裝置。
當裝有彈簧儲能操動機構的斷路器時，宜采用小容量鎘鎳電池裝置或電容儲能式硅整流裝置作為合、分閘操作電源。
采用硅整流作為電磁操動機構合閘電源時，應校核該整流合閘電源能保證斷路器在事故情況下可靠合閘。
12.1.3直流系統接線
12.1.3.1 鉛酸蓄電池直流系統[66]
110kV及以下變電所直流系統及直流屏典型設計原則：
（1）直流系統一般采用220V或110V電壓。
（2）接線方式采用單母線分段接線。變電所蓄電池組一般不設端電池。
（3）蓄電池組按GF型固定防酸隔爆式鉛酸蓄電池進行編制。蓄電池容量規格為200，300，400，500，600，800，1000Ah。蓄電池個數根據直流系統電壓等級而定，對220V取104~107個，對110V取52~53個。
（4）直流配電屏的操作和保護設備采用空氣開關或刀開關（組合開關）和熔斷器。屏內母線為絕緣銅母線。直流系統應能承受5~10kA的短路電流。
（5）每段直流母線上均應設絕緣監察和電壓監察裝置。
（6）直流信號饋線有中間繼電器（DZ?810/A型）監視及信號燈監視兩種接線。采用自動空氣開關時，饋線失電監視是利用自動空氣開關的輔助觸點和鈕扣開關組成的信號系統來實現。
（7）事故照明采用由直流母線直接供電，變電所一般無需裝設事故切換裝置。
（8）直流配電屏和充電整流屏的結構采用封閉定型屏（高2260mm，寬800mm，深600mm）。
12.1.3.3 帶電容儲能裝置的整流直流系統[65]
帶電容儲能裝置的整流直流系統在正常運行時，直流電源由硅整流器供給；當系統故障，即交流電源電壓降低或消失時，由電容儲能裝置放電使保護跳閘。優點是投資者，運行維護方便。缺點是可靠性不如蓄電池。
12.1.3.4 帶鎳鎳蓄電池組的整流直流系統[65]
（1）電池組本身是獨立的化學能源，較電容儲能可靠。
（2）采用電池組時不必增設+DM燈母線，信號燈直接接在控制母線回路上，能全面監視控制回路完好情況。
（3）當電動機回路較多時，其低電壓保護可采用不同時限的分批跳閘方式，蓄電池容量也不需加大。
12.1.4.2 鎘鎳蓄電池[66]
（1）鎘鎳蓄電池型式。堿性鎘鎳蓄電池目前有高倍率GNG（GNC）和中倍率GNZ兩種（低倍率國內較少使用）。當沖擊合閘電流是決定因素時，選用高倍率GNG（或GNC）電池是合理的。當事故持續電流大于30A，或者計算選用高倍率蓄電池大于等于60Ah時，選用高倍率蓄電池應作經濟技術比較，以選用更大容量的中倍電池為宜。60Ah以上的高倍率蓄電池只有在特殊場合下選用。
高倍率堿性鎘鎳蓄電池又分為全燒結和半燒結兩種。有試驗證明，在各種恒流放電倍率下，半燒結電池的放電容量及放電電壓均優于全燒結電池。所以采用半燒結電池是經濟合理的。
GNG系列燒結（半燒結）式鎘鎳蓄電池具有充放電電壓平穩、高倍率放電能維持高的端電壓、承受過放電能力強、自放電小及使用壽命長等特點。
（2）鎘鎳蓄電池容量的選擇：
1）階梯負荷計算法：階梯負荷計算法計算公式為
（12?1?15）
式中——溫度為25℃時的額定放電率換算容量，Ah；
——可靠系數，取1.2，包括以下三項；
——使用系數，指蓄電池使用、維護、溫度等補償系數，推薦用1.04；
——設計裕度系數，取1.15；
——蓄電池老化系數，取1.0（鎘鎳電池浮充運行20年，容量100%）；故；
——容量換算系數，是由放電時間、蓄電池工作溫度（標準定為25℃）和蓄電池允許最低電壓在不同倍率放電時實測繪制的關系曲線，1/h。
階梯負荷計算法是將放電時所需的容量分成若干階梯來進行計算，如圖12?1?6。
（12?1?16）
（12?1?17）
（12?1?18）
 
這種方法假想的物理意義是先以容量的蓄電池用開始放電，在第小時時將具有容量的蓄電池并聯接入，使其分擔的電流，然后，在小時時將具有容量的蓄電池并聯接入，使其分擔的電流。總的承擔上述三個階段的蓄電池容量為。
 
仍用上式計算，只不過為負值。但是這樣算出的蓄電池容量總和有時比單獨按初期最大電流放電要小，這是不合理的。因此應分別計算最大電流放電容量和階梯放電容量，選取其中的最大值，就是所求的蓄電池容量。
階梯負荷計算法的計算基礎是放電特性曲線。其計算準確性有賴于此曲線，使用時注意收集及檢驗。此處僅說明其計算方法。
2）電壓控制計算法。電壓控制計算法是先根據事故放電容量進行初步容量選擇，再根據初選的蓄電池容量，查相應的蓄電池一小時事故放電后沖擊放電（合閘電流）曲線，得蓄電池沖擊放電電壓。
a）計算事故容量
（12?1?19）
式中——事故放電容量，Ah；
——事故放電電流，A；
——事故放電時間，h，一般取1h。
b）計算蓄電池容量
（12?1?20）

式中——蓄電池容量，Ah；
——可靠系數，取0.8；
——浮充容量保持值0.9；

——容量利用系數，中倍率取0.5~0.6，高倍率取0.7~0.9。
取值考慮一小時事故放電末期，母線電壓維持在200V以上才能保證可靠合閘。終止電壓要求高時取小值，低時取大值。
根據計算的蓄電池容量，初選出與計算容量相近但較大的蓄電池規格容量。
c）電壓校驗。根據蓄電池的沖擊放電曲線（參見圖12?1?8）選取相應容量蓄電池的沖擊放電曲線。然后根據和從上述沖擊放電曲線查得單只蓄電池電壓，從而可以計算出直流母線的電壓
（12?1?21）
式中——直流母線電壓，V；
——蓄電池個數；
——沖擊放電末期，單只蓄電池的電壓，V，查蓄電池1h事故放電后沖擊放電曲線。
根據公式計算出直流母線電壓，若大于0.85 則認為所選蓄電池容量是正確的。
3）簡化計算法。110kV及以下的變電所通常選用高倍率鎘鎳電池，可以用如下簡化計算法確定其容量：
a）1h放電容量≤；
b）最大合閘沖擊電流≤。
（3）鎘鎳蓄電池個數的選擇。鎘鎳電池均充及浮充電壓較高，起始放電階段特性較軟，電壓下降相對較快。
蓄電池個數選多了，把浮充、均充電壓抬的很高，加大了調壓范圍。個數選少了，事故放電末期的電壓又可能不足。
減少蓄電池個數，提高蓄電池容量（相當于放電倍率減少），也可以保持一定的電壓水平。增加個數，可減少蓄電池容量。
當前許多廠家對高倍率電池選用180個，浮充電壓250V，直接供給合閘母線，降壓至230V供給控制母線。放電終止電壓198V（每個1.1V）。中倍率電池目前產品數量及運行經驗都不很多，由于均充及浮充電壓都比高倍率電池高，選用電池個數有180個和172個兩種。選用172個電池的供電方式與180個高倍率電池供電方式基本相同。選用180個中倍率電池的系統，在合閘母線及控制母線都分別設有降壓硅鏈。
12.1.5充電器的選擇及容量計算方法
12.1.5.1 鉛酸蓄電池的充電及浮充電裝置[66]
蓄電池的正常充電和浮充電運行可共用一套硅整流裝置，它除在正常情況下向直流網絡的經常負荷供電外，同時還對蓄電池進行浮充電，并作為均衡充電和事故放電后的充電之用。
（1）充電設備的額定電流。充電設備的電流包括蓄電池組的最大充電電流和直流系統的經常負荷電流，在變電所中蓄電池組的最大充電電流可采用10h放電率的放電電流。
充電設備的電流為
（12?1?22）
式中——充電設備的額定電流，A；
——蓄電池的10h放電率容量，Ah；
——直流系統的經常負荷，A。
（2）充電設備輸出電壓的范圍。蓄電池在充電末期，其電壓可能達2.7V，故充電設備的最高電壓應為
（12?1?23）
式中——蓄電池總數。
實際上，對220V蓄電池組 V；110V蓄電池組 V。
因此，充電設備的容量按下式計算
（12?1?24）
式中——充電設備的容量，kW；
——充電設備的電壓，V；
——充電設備的電流，A。
充電設備輸出電壓的調節范圍對變電所有端電池直流電壓為110V時，一般選用90~150V；220C時，一般選用180~310V。對變電所無端電池直流系統電壓為110V時選用55~165V；220V時選用110~330V。
（3）浮充電設備。浮充電設備的容量按蓄電池組的經常負荷電流及自放電電流來選擇。其工作電壓應與充電設備相同，以便均衡充電。
浮充電設備的工作電流為
（12?1?25）
式中——浮充電流，A；
——事故負荷電流，A；
——經常負荷電流，A。
浮充電設備的容量按下式計算
（12?1?26）
式中——浮充電設備的容量，kW；
——浮充電電壓，V，對變電所110V直流系統取115V，對220直流系統取230V。
當充電設備和浮充電設備共用一套硅整流裝置時，可不必進行浮充電設備容量的計算。
12.1.5.2 鎘鎳蓄電池的充電及浮充電裝置[66]
（1）裝置的型式。當前我國充電、浮充電裝置主要有兩大類型。
1）磁飽和電抗器型。磁飽和電抗器與整流變壓器串聯，通過改變電抗器的電感量，使電抗器兩端的壓降變化，整流輸出的電壓也就隨之變化，實現穩壓穩流的目的。此方案系統簡單，使用可靠，用戶容易掌握。
2）晶閘管整流型。通過改變晶閘管的導通角來實現直流調壓，達到穩壓、穩流的目的。此方案控制觸發電路較復雜，電子元件多，在元件質量不能保證的條件下，故障幾率較多。它的主要特點是容量大、速度快。隨著晶閘管技術的不斷完善，其技術性能也日趨完善。
（2）裝置的配置。充電和浮充電（包括均衡充電）裝置，有兩種配置方式。一種為充電裝置和浮充電裝置分別設置，各起各的作用，不能互相備用；一種是充電和浮充電裝置共用一套設置，同時具有充電和浮充電的功能，裝有兩套時，可以互相備用。
一般高倍率鎘鎳電池，容量在40Ah以下，其充電電流在10A及以下。而控制母線要求供電電流為15~20A，且充電整流器與浮充電整流器的性能要求也不一樣，故可分別設置。當蓄電池容量在20Ah及以下，且控制母線與蓄電池之間帶有電子開關時，一般再加有合閘硅整流器，供正常情況下合閘之用。
對于中倍率鎘鎳電池，一般選用容量均在100Ah以上，其允許充電電流較大，充電整流器可以與浮充電整流器共用。但為了提高供電可靠性，也呆以分別設置整流器，這樣可以互為備用。
（3）裝置的參數要求。充電及浮充電（包括均衡充電）設備輸入交流一般為三相三線制，對重要的變電所，一般均為兩回路（一工作，一備用），額定電壓380V±10%。充電設備的容量及其調壓范圍應滿足蓄電池的要求，一般充電電流為0.2 A，電壓為180~330V（或340V），充電的穩流精度小于等于±5%。浮充電穩壓精度小于等于±2%，其紋波系數不應大于2%。