1、 分类号 毕 业 设 计（论 文） 题 目 变电站直流系统分析与设计 并列英文题目 Substation DC system analysis and design 系 部 电力工程系 专业 姓 名 班级 指导教师 职称 论文报告提交日期 2011.06.03 变电站直流系统分析与设计 1郑 州电力高等专科学校摘 要： 变电站直流 电源系统 是给信号设备、保护、自动装置、事故照明、应急电源及断路器分、合闸操作提供直流电源的电源设备。直流系统是一个独立的电源，它不受发电机、厂用电及系统运行方式的影响，并在外部交流电中断的情况下，保证由后备电源 蓄电池继续提供直流电源的重要设备。而本文介绍了 22
2、0KV变电站直流系统接线方式和额定电压，阐述了蓄电池的分类和影响，蓄电池容量选择的主要因素以及计算。介 绍了新型充电装置性能及其选择， UPS不停电电源的选择，通信电源的设计方案。最后确定了变电站直流系统设计的方案。 关键词：直流系统设计；变电站；蓄电池； UPS 电源；智能型高频开关充电装置 Abstract: Substation DC power supply system is an equipment,it provides DC power to signal equipment, protection, automatic equipment, emergency lightin
3、g, emergency power supply and circuit breaker opening and closing operation. DC system is an independent power supply, it can avoid the influence of generators, auxiliary power and system operation mode , and in the external AC power interruption, assurance back-up power - battery provides DC power
4、to vital equipment. The article describes the 220KV substation DC system wiring and rated voltage, described the classification and impact of storage battery, the main factor to select storage batter and relevant count. At the same time,it describes the function of new type of rechargeable device an
5、d how to select it,and how to select the uninterruptible power supply(UPS),and the project design of communication power supply.DC to finalize the substation design program. Key words: DC Power System Design; substation; battery; UPS power supply; intelligent charging device high frequency switching
6、. 变电站直流系统分析与设计 1目录 前言 . 2 第一章 变电站直流系统相关技术分析 . 3 第一节 变电站直流电源技术分析 . 3 第二节 蓄电池技术分析 . 5 第二章 确定直流系统的接线和工作电压 . 9 第一节 直流系统的接线 . 9 第二节 确定系统工作电压 . 15 第三章 计算与选择 . 16 第一节 计算并选择蓄电池容量 . 16 第二节 直流充电模块的选择 . 22 第三节 UPS 不停电电源的选择 . 24 第四节 通信电源的分析与设计 . 27 第五节 直流系统中各自动开关额定容 量的选择 . 29 第四章 结论 . 32 结束语 . 32 参考文献 . 33 变电站直
7、流系统分析与设计 2220VACU1DCU2ACU3GBDC220VDC48V前言 随着电力工业的迅速发展，为 提高电网的供电质量，使电网安全、经济运行，并实现电力系统的自动化，从而对电力控制系统的关键设备控制电源的要求也越来越高。变电站内的继电保护，自动装置，信号装置，事故照明和电气设备的远距离操作，一般采取直流电源，所以直流电源的输出质量及可靠性直接关系到变电站的安全运行和平稳供电。 在变电站中广泛采用的直流控制电源是由蓄电池组和充电装置等设备构成，是一种在正常和事故状态下都能保持可靠供电的直流不停电电源系统。交流控制电源通常是采用 UPS 不间断电源。通信电源是由模块化的通信专用 DC-
8、DC 变换器，它是从站内直流控制 电源系统的蓄电池组取得直流电，经高频变换输出满足通信设备要求的 48V 控制电源。 从 90年代开始的变电站综合自动化技术的推广应用，对直流系统提出了更高的技术要求。 近年来直流系统的技术和设备发展迅速，阀控铅酸蓄电池、智能型高频开关充电装置等，具有安全可靠、技术先进和性能优越等特点，促进了直流系统的发展。 然而，在电力系统中，由于直流电源系统设计不合理、设备选型不当或缺乏正确的管理方法而导致电力设施损坏、系统故障、事故波及范围扩大，甚至造成重大人身伤亡等事故屡有发生，给电力系统和国家财产造成巨大损失，所以要求电力 系统设计、施工和运行部变电站直流系统分析与设
9、计 3门必须对直流系统予以高度重视。 以下 对 变电站设计中直流系统设计有直接影响的因素和变电站直流系统设计方案的选择进行 分析 。 本文是以 220KV变电站为例进行的变电站直流系统设计。 220KV 变电站数据资料为： 某城区 220 千伏有人值班变电站为集控中心站，主变为 4 240MVA， 220 千伏电气主接线为双母线单分段接线，出线 10回； 110 千伏电气主接线为双母线双分段接线，出线 16回；该所直流负荷统计如下： 经常负荷： 8KW; 事故照明负荷： 3KW; UPS 不间断电源： 10KW; 断路器合闸： 220V,2A; 断路器跳闸： 220V,2.5A; 通信电源 （
10、 DC-DC）： 48V, 40A, 6组； 该变电所继电器室布置在主控楼二层，设有专用蓄电池室，布置在主控楼一层，二者距离约 30 米。 变电站直流系统分析与设计 4第一章 变电站直流系统相关技术分析 变电站中的控制、信号、继电保护、监 控计算机、自动装置和断路器等的操作都需要可靠稳定的工作电源供电，该电源称为操作电源。操作电源可分为直流操作电源和交流操作电源，在变电所中主要采用的是直流操作电源。 变电站的直流系统是由直流操作电源、直流供电网络和直流负荷组成。变电站中的直流负荷极为重要，对供电可靠性的需求很高，直流系统的可靠性是保障变电站安全运行的决定性条件之一。本章重点介绍变电站直流电源技
11、术和蓄电池技术。 第一节 变电站直流电源技术分析 变电站的直流电源系统一般有蓄电池直流系统和硅整流直流系统。 直流操作电源可分为独立式直流电源和非独 立式直流电源。独立式直流电源有蓄电池直流电源和电源变换式直流电源；非独立式直流电源有硅整流电容储能直流电源和复式整流直流电源。 一、蓄电池直流电源 蓄电池是一种可重复使用的化学电源。通过充电，可将电能以化学能的形式存储在蓄电池内，通过放电，将存储的化学能转变成电能供电给直流负荷，这两种过程是可逆的。在变电站中一般采用蓄电池作为直流电源。这种直流电源不依赖于交流系统的运行，即使交流系统故障，甚至全所停电，该电源也能在一段时间内正常供电，以保证变电站
12、直流系统分析与设计 5直流负荷正确动作，具有很高的稳定性和可靠性。 二、电源变换式直流系统 电源变换式直流系统也是一种独立式直流电源，其框图如下： 220VACU1DCU2ACU3GBDC220VDC48V图 1-1 电源变换式直流系统图 这种电源是由输入可控整流装置 U1、 48V 蓄电池组 GB、逆变装置 U2 和输出整流装置 U3 组成。正常运行时，由交流 220V 供电给U1，经 U1 可控整流后，输出直流 48V，并向蓄电池组 GB 充电或浮充电；同时，经逆变装置 U2 变换成直流，在由输出整流装置输出 220V的直流电，作为供电直流电源。当交流系统故障时，由蓄电池组 GB直接向 4
13、8V的直流负荷供电，同时经 U2 逆变和 U3 整流后维持向 220V的直流负荷持续供电。 三、整流式直流电源 上述两种直流电源，直接或间接地采用了蓄电池作为直流电源，由于蓄电池直流电源价格昂贵，寿命有限，维护量较大等，所以在一些中小型变电站中采用了硅整流直流电源。 变电站直流系统分析与设计 6整流式直流电源实际上是一台整流装置，其输入一般取自所用电的交流电压，经整流装置变换成直流电源。这种直流电源是非独立式的直流电源，若交流系统故障，将直接影响到直流电源的输出，不能满足直流负荷的要求；若交流系统停电，直流电源将没有输出。 为了解决上述问题，对于整流式直流电源进行了改进，其中应用最 多的是硅整
14、流电容储能直流电源和复式整流直流电源。由于应用不是太广泛在这里就不在介绍。 第二节 蓄电池技术分析 蓄电池分为酸性蓄电池和碱性蓄电池。酸性蓄电池有固定型防酸隔爆铅酸蓄电池和阀控密封免维护铅酸蓄电池。碱性蓄电池是镉镍蓄电池。 一、铅酸蓄电池 铅酸蓄电池从组成上来讲，主要是由正极板、负极板、硫酸溶液、隔板、蓄电池槽、蓄电池盖组成。根据蓄电池的用途不同，还有其它不同的部件，如对于防酸隔爆式蓄电池在电池盖上安有防酸隔爆帽，有的电池还装有密度计、温度计等。正负极接线柱是由正负极板引出，用于对外连接。 铅酸蓄电池正极板上的活性物质是二氧化铅（ PbO2） ,负极板上的活性物质是金属铅 (Pb)。蓄电池的储
15、能和释放能量是通过正、负极和硫酸溶液之间发生的电化学反应来实现的。在放电过程中，放电电流从蓄电池的正极流出，经负极、电池负极、电池内部后，到达正极，变电站直流系统分析与设计 7实现了将蓄电池内的化学能转换为电能，供电给负荷。这种电化学反应可以用下面的反应方程式表示 Pb + 2H2SO4 + PbO2 PbSO4 + 2H2O + PbSO4 负极 电解液 正极 负极 电解液 正极 由上式可看出，在放电 过程中，正负极在放电后都生成了硫酸铅(PbSO4)，并消耗了电解液中的硫酸（ H2SO4） ，生成了水（ H2O） ，结果硫酸溶液的浓度（密度）下降。因此在实际工作中，可以根据电解液比重的变化
16、（高低），来判断蓄电池的放电程度和作为确定蓄电池放电终了的主要特征。 在充电过程中，充电电流由外部电源的正极，经蓄电池的正极、电池内部、负极，到达外部电源的负极，实际将电能转换成化学能存储在蓄电池内部。充电过程的电化学反应可用下面的化学反应方程式表示： PbSO4 + 2H2O + PbSO4 Pb + 2H2SO4 + PbO2 负极 电解液 正极 负极 电解液 正极 由此可见，充电时，正极上的硫酸铅氧化成二氧化铅，负极上的硫酸铅还原成金属铅，并且硫酸根与水形成硫酸，使电解液的浓度逐渐上升，最后达到一稳定值。 在充电过程中，外电源强迫蓄电池接受电解，把 PbSO4及 H2O 转换成 PbO2
17、、 Pb、 H2SO4,电能转换成后者的化学能，这是主反应。充电时还伴随着一个很难避免的副反应，即电解水生成氧气和氢气。特别是充电后期，电压升高（用恒定电流充电时），电能主要消耗在电解水方面，变电站直流系统分析与设计 8而且对活性物质很不利 。电解水的反应是： 正极 : 2H2O O2 + 4H+ + 4e- 负极： 4H+ + 4e- 2H2 总反应： 2H2O 2H2 + O2 在充电后期，从正极板析出氧气，负极板析出氢气。 充好电之后的蓄电池会自发地进行自放电反应。负极上的自放电反应将使负极板硫化并析出氢气；正极板上的自放电反应将析出氧气。 铅酸蓄电池充电、自放电都会产生氧气和氢气的析出
18、以及酸雾的自然挥发。这样一来，一方面使得电池的电解液消耗很大，需要经常加酸补水进行维护；另一方面酸雾对人体，设备和环境带来污 染和危害。氢气易引起火灾。由于上述原因，以前在变电所中，蓄电池是安装在蓄电池室内，蓄电池室的建筑应符合国家相关技术要求，设置必要的附属设备和通风设备等，投资大，运行维护量大。 我国电力系统自 20 世纪 80 年代开始引进和采用阀控密封免维护铅酸蓄电池（ VRLA，简称阀控电池 ） ， 90 年代后开始广泛应用。一些新建的变电所，甚至一些改造的变电所基本都是采用这种新型蓄电池，取代了固定型防酸隔爆铅酸蓄电池。阀控电池采用了全封闭结构，设有安全阀，正极板为铅锡合金，负极板为钙铝合金，电池内部电解液被吸附在极板和隔离物中，充电产 生的气体不向外逸出，全部在电液内合成 H2O，该电池在在理论上不消耗水，不需添加蒸馏水，可以长期运行。由于上述特点，阀控电池体积小，具有防震抗压的特点，便于
