12 變配電所操作電源
12.1 直流操作電源的設(shè)計(jì)要求
12.1.1直流系統(tǒng)的負(fù)荷[66]
110kV及以下變電所的直流負(fù)荷可分為經(jīng)常負(fù)荷、事故負(fù)荷及沖擊負(fù)荷三大類。
經(jīng)常負(fù)荷主要包括經(jīng)常帶電的繼電器、信號(hào)燈、位置指示器及直流常明燈或其他常接入直流系統(tǒng)中的用電設(shè)備，一般可取1~2kW。
事故負(fù)荷是變電所失去交流電源全所停電時(shí)，必須由直流系統(tǒng)供電的負(fù)荷，主要為事故照明負(fù)荷。事故照明負(fù)荷統(tǒng)計(jì)見表12?1?1。
變電所的沖擊負(fù)荷主要是斷路器的合閘機(jī)構(gòu)在斷路器合閘時(shí)的短時(shí)（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(shè)計(jì)原則[5]
12.1.2.1 供一級(jí)負(fù)荷的配電所或大型配電所，當(dāng)裝有電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的斷路器時(shí)，應(yīng)采用220V或110V蓄電池組作為合、分閘直流操作電源；當(dāng)裝有彈簧儲(chǔ)能操動(dòng)機(jī)構(gòu)的斷路器時(shí)，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(dāng)裝有電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的斷路器時(shí)，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(chǔ)能。對(duì)重要負(fù)荷供電時(shí)，合、分閘電源宜采用鎘鎳電池裝置。
當(dāng)裝有彈簧儲(chǔ)能操動(dòng)機(jī)構(gòu)的斷路器時(shí)，宜采用小容量鎘鎳電池裝置或電容儲(chǔ)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(dòng)機(jī)構(gòu)合閘電源時(shí)，應(yīng)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(tǒng)接線
12.1.3.1 鉛酸蓄電池直流系統(tǒng)[66]
110kV及以下變電所直流系統(tǒng)及直流屏典型設(shè)計(jì)原則：
（1）直流系統(tǒng)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(shè)端電池。
（3）蓄電池組按GF型固定防酸隔爆式鉛酸蓄電池進(jìn)行編制。蓄電池容量規(guī)格為200，300，400，500，600，800，1000Ah。蓄電池個(gè)數(shù)根據(jù)直流系統(tǒng)電壓等級(jí)而定，對(duì)220V取104~107個(gè)，對(duì)110V取52~53個(gè)。
（4）直流配電屏的操作和保護(hù)設(shè)備采用空氣開關(guān)或刀開關(guān)（組合開關(guān)）和熔斷器。屏內(nèi)母線為絕緣銅母線。直流系統(tǒng)應(yīng)能承受5~10kA的短路電流。
（5）每段直流母線上均應(yīng)設(shè)絕緣監(jiān)察和電壓監(jiān)察裝置。
（6）直流信號(hào)饋線有中間繼電器（DZ?810/A型）監(jiān)視及信號(hào)燈監(jiān)視兩種接線。采用自動(dòng)空氣開關(guān)時(shí)，饋線失電監(jiān)視是利用自動(dòng)空氣開關(guān)的輔助觸點(diǎn)和鈕扣開關(guān)組成的信號(hào)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。
（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(shè)事故切換裝置。
（8）直流配電屏和充電整流屏的結(jié)構(gòu)采用封閉定型屏（高2260mm，寬800mm，深600mm）。
12.1.3.3 帶電容儲(chǔ)能裝置的整流直流系統(tǒng)[65]
帶電容儲(chǔ)能裝置的整流直流系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，直流電源由硅整流器供給；當(dāng)系統(tǒng)故障，即交流電源電壓降低或消失時(shí)，由電容儲(chǔ)能裝置放電使保護(hù)跳閘。優(yōu)點(diǎn)是投資者，運(yùn)行維護(hù)方便。缺點(diǎn)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(tǒng)[65]
（1）電池組本身是獨(dú)立的化學(xué)能源，較電容儲(chǔ)能可靠。
（2）采用電池組時(shí)不必增設(shè)+DM燈母線，信號(hào)燈直接接在控制母線回路上，能全面監(jiān)視控制回路完好情況。
（3）當(dāng)電動(dòng)機(jī)回路較多時(shí)，其低電壓保護(hù)可采用不同時(shí)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(nèi)較少使用）。當(dāng)沖擊合閘電流是決定因素時(shí)，選用高倍率GNG（或GNC）電池是合理的。當(dāng)事故持續(xù)電流大于30A，或者計(jì)算選用高倍率蓄電池大于等于60Ah時(shí)，選用高倍率蓄電池應(yīng)作經(jīng)濟(jì)技術(shù)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(jié)和半燒結(jié)兩種。有試驗(yàn)證明，在各種恒流放電倍率下，半燒結(jié)電池的放電容量及放電電壓均優(yōu)于全燒結(jié)電池。所以采用半燒結(jié)電池是經(jīng)濟(jì)合理的。
GNG系列燒結(jié)（半燒結(jié)）式鎘鎳蓄電池具有充放電電壓平穩(wěn)、高倍率放電能維持高的端電壓、承受過放電能力強(qiáng)、自放電小及使用壽命長等特點(diǎn)。
（2）鎘鎳蓄電池容量的選擇：
1）階梯負(fù)荷計(jì)算法：階梯負(fù)荷計(jì)算法計(jì)算公式為
（12?1?15）
式中——溫度為25℃時(shí)的額定放電率換算容量，Ah；
——可靠系數(shù)，取1.2，包括以下三項(xiàng)；
——使用系數(shù)，指蓄電池使用、維護(hù)、溫度等補(bǔ)償系數(shù)，推薦用1.04；
——設(shè)計(jì)裕度系數(shù)，取1.15；
——蓄電池老化系數(shù)，取1.0（鎘鎳電池浮充運(yùn)行20年，容量100%）；故；
——容量換算系數(shù)，是由放電時(shí)間、蓄電池工作溫度（標(biāo)準(zhǔn)定為25℃）和蓄電池允許最低電壓在不同倍率放電時(shí)實(shí)測繪制的關(guān)系曲線，1/h。
階梯負(fù)荷計(jì)算法是將放電時(shí)所需的容量分成若干階梯來進(jìn)行計(jì)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(shí)時(shí)將具有容量的蓄電池并聯(lián)接入，使其分擔(dān)的電流，然后，在小時(shí)時(shí)將具有容量的蓄電池并聯(lián)接入，使其分擔(dān)的電流。總的承擔(dān)上述三個(gè)階段的蓄電池容量為。
 
仍用上式計(jì)算，只不過為負(fù)值。但是這樣算出的蓄電池容量總和有時(shí)比單獨(dú)按初期最大電流放電要小，這是不合理的。因此應(yīng)分別計(jì)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(fù)荷計(jì)算法的計(jì)算基礎(chǔ)是放電特性曲線。其計(jì)算準(zhǔn)確性有賴于此曲線，使用時(shí)注意收集及檢驗(yàn)。此處僅說明其計(jì)算方法。
2）電壓控制計(jì)算法。電壓控制計(jì)算法是先根據(jù)事故放電容量進(jìn)行初步容量選擇，再根據(jù)初選的蓄電池容量，查相應(yīng)的蓄電池一小時(shí)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(jì)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(shí)間，h，一般取1h。
b）計(jì)算蓄電池容量
（12?1?20）

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

——容量利用系數(shù)，中倍率取0.5~0.6，高倍率取0.7~0.9。
取值考慮一小時(shí)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(shí)取小值，低時(shí)取大值。
根據(jù)計(jì)算的蓄電池容量，初選出與計(jì)算容量相近但較大的蓄電池規(guī)格容量。
c）電壓校驗(yàn)。根據(jù)蓄電池的沖擊放電曲線（參見圖12?1?8）選取相應(yīng)容量蓄電池的沖擊放電曲線。然后根據(jù)和從上述沖擊放電曲線查得單只蓄電池電壓，從而可以計(jì)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(gè)數(shù)；
——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(jù)公式計(jì)算出直流母線電壓，若大于0.85 則認(rèn)為所選蓄電池容量是正確的。
3）簡化計(jì)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(jì)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(gè)數(shù)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(duì)較快。
蓄電池個(gè)數(shù)選多了，把浮充、均充電壓抬的很高，加大了調(diào)壓范圍。個(gè)數(shù)選少了，事故放電末期的電壓又可能不足。
減少蓄電池個(gè)數(shù)，提高蓄電池容量（相當(dāng)于放電倍率減少），也可以保持一定的電壓水平。增加個(gè)數(shù)，可減少蓄電池容量。
當(dāng)前許多廠家對(duì)高倍率電池選用180個(gè)，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(gè)1.1V）。中倍率電池目前產(chǎn)品數(shù)量及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)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(gè)數(shù)有180個(gè)和172個(gè)兩種。選用172個(gè)電池的供電方式與180個(gè)高倍率電池供電方式基本相同。選用180個(gè)中倍率電池的系統(tǒng)，在合閘母線及控制母線都分別設(shè)有降壓硅鏈。
12.1.5充電器的選擇及容量計(jì)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(yùn)行可共用一套硅整流裝置，它除在正常情況下向直流網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)常負(fù)荷供電外，同時(shí)還對(duì)蓄電池進(jìn)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(shè)備的額定電流。充電設(shè)備的電流包括蓄電池組的最大充電電流和直流系統(tǒng)的經(jīng)常負(fù)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(shè)備的電流為
（12?1?22）
式中——充電設(shè)備的額定電流，A；
——蓄電池的10h放電率容量，Ah；
——直流系統(tǒng)的經(jīng)常負(fù)荷，A。
（2）充電設(shè)備輸出電壓的范圍。蓄電池在充電末期，其電壓可能達(dá)2.7V，故充電設(shè)備的最高電壓應(yīng)為
（12?1?23）
式中——蓄電池總數(shù)。
實(shí)際上，對(duì)220V蓄電池組 V；110V蓄電池組 V。
因此，充電設(shè)備的容量按下式計(jì)算
（12?1?24）
式中——充電設(shè)備的容量，kW；
——充電設(shè)備的電壓，V；
——充電設(shè)備的電流，A。
充電設(shè)備輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍對(duì)變電所有端電池直流電壓為110V時(shí)，一般選用90~150V；220C時(shí)，一般選用180~310V。對(duì)變電所無端電池直流系統(tǒng)電壓為110V時(shí)選用55~165V；220V時(shí)選用110~330V。
（3）浮充電設(shè)備。浮充電設(shè)備的容量按蓄電池組的經(jīng)常負(fù)荷電流及自放電電流來選擇。其工作電壓應(yīng)與充電設(shè)備相同，以便均衡充電。
浮充電設(shè)備的工作電流為
（12?1?25）
式中——浮充電流，A；
——事故負(fù)荷電流，A；
——經(jīng)常負(fù)荷電流，A。
浮充電設(shè)備的容量按下式計(jì)算
（12?1?26）
式中——浮充電設(shè)備的容量，kW；
——浮充電電壓，V，對(duì)變電所110V直流系統(tǒng)取115V，對(duì)220直流系統(tǒng)取230V。
當(dāng)充電設(shè)備和浮充電設(shè)備共用一套硅整流裝置時(shí)，可不必進(jìn)行浮充電設(shè)備容量的計(jì)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(dāng)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(lián)，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(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓穩(wěn)流的目的。此方案系統(tǒng)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(dǎo)通角來實(shí)現(xiàn)直流調(diào)壓，達(dá)到穩(wěn)壓、穩(wěn)流的目的。此方案控制觸發(fā)電路較復(fù)雜，電子元件多，在元件質(zhì)量不能保證的條件下，故障幾率較多。它的主要特點(diǎn)是容量大、速度快。隨著晶閘管技術(shù)的不斷完善，其技術(shù)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(shè)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(shè)置，同時(shí)具有充電和浮充電的功能，裝有兩套時(shí)，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(shè)置。當(dāng)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(guān)時(shí)，一般再加有合閘硅整流器，供正常情況下合閘之用。
對(duì)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(shè)置整流器，這樣可以互為備用。
（3）裝置的參數(shù)要求。充電及浮充電（包括均衡充電）設(shè)備輸入交流一般為三相三線制，對(duì)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(shè)備的容量及其調(diào)壓范圍應(yīng)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(wěn)流精度小于等于±5%。浮充電穩(wěn)壓精度小于等于±2%，其紋波系數(shù)不應(yīng)大于2%。