实际应用的变电站直流系统.pdf

变电站直流系统编写：陈建钿第 1页 共 19页8/19/121变电站直流系统变电站直流系统第一节 直流系统概述变电站直流系统是为变电站供电的最为重要的系统，其主要负荷为保护测控及其他自动装置电源，控制回路电源，操作回路电源和事故照明等。没有了变电站，供电片区就陷入一片黑暗，没有了直流系统，变电站将完全瘫痪。变电站直流系统的主要组成部分为：位于蓄电池室的蓄电池组；位于继保室的充电屏、馈电屏；位于各功能室的直流母线和直流负荷等。其主接线图如图 1-1 所示（以双电双充系统为例）图 1-1 双电双充直流系统主接线图正常运行情况下，充电机从站用变处获得电源，经整流后为直流母线供电，并为蓄电池充电。充电机的输出电压，变电站直流系统编写：陈建钿第 2页 共 19页8/19/122对蓄电池的充电方式（浮充和均充）由位于充电屏的综合监控单元控制。当监控单元退出运行时，充电机运行参数保持为现场浮充整定值。充电机采用 N+1 配置，退出一个充电机仍然能够满足系统运行要求，具有热插拔更好功能和软启动功能。当充电模块发生故障时，直流母线由蓄电池供电。一般要求，蓄电池应该能够单独为系统供电 2h。输入充电机的交流电源有两路，当控制把手打在“互投”位置时，如果任何一路交流发生故障，均可自动转为另一路交流供电。蓄电池巡检装置能够在线测量各个蓄电池的端电压，当蓄电池过压或欠压时，装置告警，并将信号传送给综合监控装置，由综合监控装置向后台机和集控中心传送信号。蓄电池巡检装置一般没有负责测量蓄电池的内阻。绝缘监测单元能够监测正负母线对地电压和绝缘电阻，能够监测各馈线的绝缘状况，能够监测各馈线开关是否脱扣。当绝缘破坏和馈线开关脱扣时，装置告警，并将信号传送给综合监控装置，由综合监控装置向后台机和集控中心传送信号。综合监控单元是整个直流系统的中枢，实现对整个直流的综合检测和控制，并负责跟直流系统外的遥测、遥信等联系。其主要功能有：变电站直流系统编写：陈建钿第 3页 共 19页8/19/1231.交流配电监测：监测交流输入是否发生失压、缺相等故障。2.直流配电监测：接受绝缘监测装置的遥信、遥测等。3.绝缘检测：本身配置内置绝缘检测仪，监测两段母线的绝缘状况和对地电阻。当综合监控装置和位于馈线屏的绝缘检测装置通信异常或绝缘检测装置损坏时，能够检测母线绝缘并通知集控中心。4.充电管理：控制充电模块的开/关机及均/浮充，调整充电模块的输出电压。5.电池管理：实现电池浮充电压温度补偿；自动或手动控制电池充电方式。充电机、蓄电池和绝缘检测装置具备独立的监控和报警功能。监控单元的退出不会影响整个直流电源系统的可靠运行，但进行不了远方监控。监控单元的告警输出为硬接点，失电之后保持失电前的告警状态。在采用电磁机构的变电站中，当电磁合闸装置动作时，蓄电池放电过程中端电压变化较大，为稳定控制母线电压，就采用降压硅链将控制母线和合闸母线隔离开来。但是，一旦硅链开路，就会造成控制母线失压。因此，在没有电磁机构的变电站，取消了降压硅链，使合闸和控制母线合一，但必须保证电池容量足够。直流电源馈线的典型接线：变电站直流系统编写：陈建钿第 4页 共 19页8/19/1241.10kV 开关柜的保护电源、控制电源和电机储能电源按照每台变压器对应的低压侧母线，采用辐射性供电，即“蓄电池熔断器-直流屏馈线开关-小母线接入开关-负荷开关”四级供电网络。如图 1-5 所示，#1、#2 直流屏馈线分别连接到10kV 开关柜上小母线，每个开关柜再从小母线上取得电源。一般情况下，两个直流屏的馈线分别接到母线最左边和最右边的开关柜上，如果开关柜数量过多，可以考虑在小母线中间增加隔离刀闸，以提高供电的可靠性。正常运行情况下，两组小母线接入开关一组合上，一组断开，如 DK1/DK2/DK3 合上，DK4/DK5/DK6 断开，当#1直流屏失电时，断开 DK1/DK2/DK3，合上 DK4/DK5/DK6，10kV 小母线由#2 直流屏供电。图 1-5 10kV 开关柜直流供电网络变电站直流系统编写：陈建钿第 5页 共 19页8/19/1252.110kV 断路器和刀闸的直流电源采用辐射型供电。如图 1-6所示，110kV 断路器和刀闸的直流电源从 110kV 直流配电箱取得。直流配电箱有两段母线 KM1 和 KM2。每段母线有两路进线电源，分别来自#1、#2 直流馈线屏。两路进线电源在直流配电箱中通过刀闸引入母线，刀闸在同一时间只能接通一路电源，避免了直流系统在此处发生并列。每个间隔的汇控箱从直流配电箱母线处取得电源，再连接到负荷上，如断路器电机电源、信号电源（指示灯和告警等），刀闸和地刀（GIS 装置）控制电源和电机电源等。110kV 线路保护屏采用辐射供电方式。如图 1-6 所示，保护装置直流电源、电压切换箱电源和操作电源取自同一个直流馈线屏。保护装置直流电源独立供电，提高了供电的可靠性。电压切换电源和断路器操作电源共用一个直流回路。操作箱电源和断路器自身的操作电源共用一个空气开关，使操作简单化，减少了误操作的几率。110kV 线路测控装置采用环形供电，开环点在直流馈线屏，正常运行方式下，断开一路测控装置电源空气开关。图 1-6 是某个 220kVGIS 变电站的 110kV 系统直流供电网络。值得说明的是，大部分变电站的刀闸控制电源和电机电源采用交流供电，一方面可以简化直流供电网络，提高直流系统的可靠性，另一方面交流电机的换向控制更加方便。110kV 系统的保护没有双重化配置，因此测控装置采用环形变电站直流系统编写：陈建钿第 6页 共 19页8/19/126供电显得浪费，也增加了直流系统合环的危险。图 1-6 110kV 装置直流供电网络3.220kV 断路器和刀闸的直流供电网络跟 110kV 系统相同，都采用环形供电，不同的是，220kV 有两套分合闸线圈，配置了两路操作操作电源。两路操作电源分别取自不同的直流屏。根据 220kV 系统继电保护配置双重化的要求，两套保护的直流供电电源也要求独立。如图 1-7 所示，220kV 系统保护相对于 110kV 系统增加了一个保护屏。测控装置与110kV 系统相同，采用环形供电。运行当中，当有一套保护装置失去电源时，要确认测控装置是否失电，如果失电，要手动切换测控装置电源。图 1-7 中的刀闸和地刀（GIS 装置）控制回路采用直流变电站直流系统编写：陈建钿第 7页 共 19页8/19/127供电。而大部分变电站的刀闸控制回路采用交流供电。图 1-7 220kV 装置直流供电网络第二节 直流系统的操作和维护1.交流输入电源切换试验直流系统的每个充电机组有两路交流输入。两路交流输入分别取自不同的交流母线。正常运行情况下，两路交流输入回路互为备投。按照规定，每月的定期工作要求进行充电机交流输入电源切换试验，即原来由交流 1 供电的充电机，要切换为交流 2 供电，原来由交流 2 供电的充电机，要切换为交流 1 供电，而且切换要由装置自动完成。以奥特迅直流系统的交流输入回路为例。如图 1-2 所示，继电器 J1 为缺相检测，当三相交流输入发生缺相或电压不平衡时，其中性点产生电压，J1 励磁，断开其常闭接点，使得变电站直流系统编写：陈建钿第 8页 共 19页8/19/1281CJ 失电，其常开接点断开，切断交流 1 输入电源，同时其常闭接点闭合，如果交流 2 输入电源正常，则 2CJ 励磁，交流 2 输入电源引入充电机，同时断开 1CJ 励磁回路。由此图可以看出，交流 1 和交流 2 两路输入电源并无主次之分，而是先下手为强，即交流 1 先供电，则断开交流 2，交流 2 先供电，则断开交流 1，只有在一路交流回路失压或缺相时，才会发生交流回路的切换。因此，切换试验的操作顺序如下（#1 充电机组原来由交流 1 供电）：1断开交流 1 输入空气开关。2检查#1 充电机组由交流 2 供电。3合上交流 1 输入空气开关。此时，#1 充电机组已经是由交流 2 供电，交流 1 作为备用电源。一些厂家的充电柜（如珠海瓦特直流系统）将两路交流输入回路定义为主回路和备用回路，由交流测控模块管理，正常时投入主回路，当主回路发生故障时，自动切换到备用回路，当主回路恢复正常时，自动切换到主回路供电。这种交流输入回路的设置对于本切换试验来说较为麻烦。变电站直流系统编写：陈建钿第 9页 共 19页8/19/129图 1-2 奥特迅充电机屏交流输入控制回路2.直流母线并列运行正常运行方式下，直流系统分列运行。当有一组充电机或蓄电池发生故障或需要检修时，直流母线必须并列运行。按照国网公司 18 项反措的要求，在进行切换操作中，蓄电池组不得脱离直流母线，在检修结束恢复运行时，应先合交流侧开关，再合直流侧开关。在切换过程中允许两组蓄电池短时间并列运行，其操作顺序如下（以#1 充电机和#1变电站直流系统编写：陈建钿第 10页 共 19页8/19/1210蓄电池组退出运行为例）：序号操作内容操作理由1在#1 馈电屏后断开绝缘监测接地开关。避免并列后直流系统通过两段母线绝缘接地开关形成环路，同时，平衡电桥测量的接地电阻大一倍。2将第一组充电机操作把手 QS1 打到停止位置。充电机输出电压比蓄电池输出电压变化大，可靠性比蓄电池低，为减少并列电流和直流失电危险，先退出充电机。3将直流段、段分段开关 QS5 打到并列位置。先并列，再断开蓄电池组，避免段直流母线失压。4将第一组蓄电池操作把手 QS3 打到停止位置。不让蓄电池不带充电机运行。如果是蓄电池发生故障，那么以上操作步骤的第二步就是退出蓄电池的运行，避免并列之后段母线的故障影响到段母线。同一段母线的蓄电池和充电机一般不单独长时间运行，因为这种方式相比并列方式来说，可靠性更低。对蓄电池进行放电试验之后，先将充电机输出开关打到蓄电池位置，为蓄电池均充电，同时检验充电设置正确，充变电站直流系统编写：陈建钿第 11页 共 19页8/19/1211电完成后，再恢复正常运行方式。3.蓄电池定期测试按照规定，蓄电池必须每月进行定期测试，测量每个蓄电池的端电压和内电阻，以检验蓄电池的充电程度和老化程度。端电压必须在一定的范围内，对于标称电压为 2V 的蓄电池，其浮充电压要求为 2.23-2.28V。蓄电池端电压的变化率是很微小的，但蓄电池完全充电和完全放电时，其内阻却相差 24 倍。随着充电的进行，其内阻逐渐减小，随着放电的进行，其内阻逐渐增大。也就是说，蓄电池存储的电量越多，其内阻越小，存储的电量越少，其内阻越大。因此通过测量蓄电池的内阻，并与历史数据比较，可以预测蓄电池存储的电量。同时，随着蓄电池的老化，其内阻也逐渐增大，通过测量内阻可以预测蓄电池的老化程度。目前大部分变电站使用的蓄电池巡检装置只测量蓄电池的端电压，没有测量蓄电池的内阻。由以上分析可知，测量蓄电池的内阻能够更好地反应蓄电池的状况，因此不能完成根据蓄电池巡检装置来评判蓄电池。测量蓄电池内阻的方法一般有交流法和直流放电法。直流放电法是通过对蓄电池进行瞬间大电流发电，推导出蓄电池的内阻。直流放电法较为成熟，不容易受干扰，但会对电池造成损害。交流法是通过给蓄电池施加一交流小信号，通过测量其反馈，得出蓄电池的内阻。交流法容易受干扰，精变电站直流系统编写：陈建钿第 12页 共 19页8/19/1212度偏差。测量蓄电池内阻时必须注意一些几点：a.蓄电池的内阻为 m 欧数量级，跟夹具和极柱之间的接触电阻相当，测量时要特别注意接触电阻的影响；b.蓄电池的内阻在一个很长时间内变化是很小的，因此测量必须长期重复进行；c.最好是在线测量，在线测量受干扰较大，要求测量系统有较强的抗干扰能力。4.不间断电源 UPS变电站有一些交流供电的设备在事故情况下也不能停止工作，如监控后台机、五防机、录波器、通讯机等，这就必须将这些设备连接到不间断电源 UPS 上。不间断电源 UPS 正常时由来自交流馈电屏的交流输入电源经整流逆变后供电，当失去交流输入时，由来自蓄电池的直流输入电源经逆变器供电。当失去直流输入电源时，UPS关机，负荷由旁路经交流输入电源直接供电。正常时交流输入电源经整流逆变后供电，一方面保证使电压质量更高，另一方面又将 UPS 负荷跟其他交流负荷隔离开来，使得其他交流负荷的故障不会影响到 UPS 负荷的正常运行。不间断电源 UPS 的主接线图如图 1-3 所示（以主从机UPS 为例）按照要求，每月必须对 UPS 进行定期试验，为了全面检变电站直流系统编写：陈建钿第 13页 共 19页8/19/1213验 UPS 的性能，操作步骤如下：序号操作内容操作理由1检查蓄电池在浮充电状态。防止电池亏容，直流失电。2检查 UPS 工作正常。防止在 UPS 故障状态下试验。3断开 UPS 直流输入总电源。检验直流失电时工作状况。4检查 UPS 负荷由旁路供电。检验直流失电时由旁路供电。5检查 UPS 装置主、从机关机。检验直流失电时装置关机。6检查 UPS 负荷工作正常。检验旁路通道供电正常。7合上 UPS 直流总电源。恢复正常运行方式。8启动 UPS 装置主、从机。恢复正常运行方式。9断开 UPS 主机交流电源输入开关。检验主机交流失电时工作状况。10检查 UPS 负荷由主机直流电源供电。检验主机交流失电时由主机直流通道供电。11检查 UPS 负荷工作正常。检验主机直流通道供电正常。变电站直流系统编写：陈建钿第 14页 共 19页8/19/121412断开主机直流电源输入开关。检验主机交直流失电时工作状况。13检查 UPS 负荷由从机交流电源供电。检验主机交直流失电时由从机交流通道供电。14检查 UPS 负荷工作正常。检验从机交流通道供电正常。15断开 UPS 从机交流电源输入开关。检验主机交直流失电、从机交流失电时工作状况。16检查 UPS 负荷由从机直流电源供电。检验主机交直流失电、从机交流失电时由从机直流通道供电。17检查 UPS 负荷工作正常。检验从机直流通道供电正常。18断开从机直流电源输入开关。检验UPS交直流输入断开时工作状态。19检查 UPS 负荷由旁路供电。检验UPS交直流输入断开时由旁路供电。20检查 UPS 负荷工作正常。检验旁路通道正常。21合上从机直流电源输入开关。恢复正常运行方式。22合上从机交流电源输入开关。恢复正常运行方式。变电站直流系统编写：陈建钿第 15页 共 19页8/19/121523合上主机直流电源输入开关。恢复正常运行方式。24合上主机交流电源输入开关。恢复正常运行方式。25检查 UPS 由主机交流电源供电。检验正常运行方式下由主机交流电源供电。26检查 UPS 负荷工作正常。检验主机交流通道正常。5.事故照明变电站的照明可以分为正常照明、应急照明和事故照明。正常照明是正常工作生活需要的照明，采用普通灯具，直接由站用电交流馈线屏供电，当站用电失电时，不能提供照明。应急照明一般为消防所用，灯具自带蓄电池存储电能，交流供电正常时，不提供照明，只是给自带蓄电池充电，当灯具失去交流电源时，自动由蓄电池供电。事故照明为处理事故提供照明，有两路电源，一路是交流，一路是直流。交流输入电源来自站用电馈线屏，直流输入电源来自直流馈线屏。交流和直流输入电源一起接入电力专用逆变器，逆变器输出 220V 的交流电源到事故照明箱。各功能室的事故照明馈线空气开关就集中事故照明箱中。正常情况下，事故照明箱的空气开关全部断开，逆变器无输出。当空气开关全部合上时，事故照明灯亮，由输入到逆变器中的交流电源供电。变电站直流系统编写：陈建钿第 16页 共 19页8/19/1216当交流电源失电时，输入到逆变器中的直流电源就逆变为交流电，供事故照明灯具使用。此时事故照明使用的是蓄电池存储的电能。因此，事故照明的试验顺序如下：1在事故照明箱合上所有馈线开关。2检查所有事故照明灯亮。3检查逆变器带负荷正常。4在逆变器处断开逆变器交流输入电源5检查所有事故照明灯亮。6检查逆变器工作在逆变状态。7在逆变器处合上逆变器交流输入电源8在事故照明箱断开所有馈线开关。第三节 直流系统的信号和事故处理1.直流一点接地直流系统是不接地运行系统，当发生一点接地时，容易导致 SF6 断路器偷跳。当发生两点接地时，有可能发生保护装置的误动和拒动。如图 1-3 所示，当 A、B 两点接地时，保护误动；当 BC 两点接地时，保护拒动；当 AC 两点接地时，保险烧断，控制回路断线。因此，直流系统发生一点接地时，要迅速找出并消除接地点，保证系统的安全稳定运行。为了检测直流系统的接地故障，目前变电站大都装设绝缘监测装置。绝缘监测的方法有平衡电桥法、漏电流法和信号寻迹法等。由于信号寻迹法需要在直流系统中加入交流信变电站直流系统编写：陈建钿第 17页 共 19页8/19/1217号，影响直流系统的稳定运行，同时其监测效果受分布电容的影响较大，因此不建议采用这种方式查找接地。图 1-4 是平衡电桥的原理图，四个电阻构成一个电桥，当正母接地电阻 R+跟负母接地电阻 R-相等时，流过继电器的电流为零，继电器不启动。发生一点接地时，R+不等于R-，启动继电器，发出接地告警信号。当正母和负母均发生接地故障，且 R+与 R-相差不大时，装置拒动。因此，实际使用的平衡电桥在两个电阻R与继电器之间分别增加一个开关，通过控制开关的分合，监测正负母线绝缘同时降低的情况，这种监测宜每小时自动进行一次。图 1-4 平衡电桥原理图图 1-5 是漏电流法原理图。正常情况下，I+等于 I-，霍尔传感器（直流 CT）感应不到差流。发生一点接地时，霍尔传感器流过 IR 的差流。差流在霍尔传感器中转换为数字信号，发送到绝缘监测装置中，发出接地告警。绝缘监测装置通过霍尔传感器的地址就可以识别出是那个支路发生接地故障。如果将霍尔传感器套在母线上，就能够监测母线的绝缘。变电站直流系统编写：陈建钿第 18页 共 19页8/19/1218图 1-5 漏电流法原理图平衡电桥法原理简单，灵敏度不高，一般只用于监测母线的绝缘或用于启动其他绝缘监测装置。漏电流法可以巡回监测各支路绝缘，应用最为广泛。大部分变电站的绝缘监测装置安装于馈电屏上，用于监测各支路的绝缘。绝缘监测装置将接地信号发送给安装于充电屏的综合监控装置或者集控中心。在绝缘监测装置不直接传送接地信号给集控中心时，建议在综合监控装置中安装内置绝缘监测仪，以免综合监控装置跟绝缘监测装置通信中断时，集控中心监测不到直流系统的绝缘状况。发生直流系统一点接地时，要根据绝缘监测装置迅速寻找出接地回路。由于绝缘监测装置只监测直接连接到馈线的支路的绝缘，对于其下一级支路，则要根据现场的运行情况和支路的工作环境进行判断。一般情况下，有检修工作的支路，工作环境恶劣的支路较容易发生绝缘破坏。采用“拉路法”寻找接地支路时，要采取防止保护装置误动的措施。断开或合上保护装置电源时，退出相关出口压板。变电站直流系统编写：陈建钿第 19页 共 19页8/19/1219 Q/GD001 1176.03-2008广东电网公司直流技术规范电力系统继电保护原理与实用技术江苏省电力公司编中国电力出版社出版