12 变配电所操作电源
12.1 直流操作电源的设计要求
12.1.1直流系统的负荷[66]
110kV及以下变电所的直流负荷可分为经常负荷、事故负荷及冲击负荷三大类。
经常负荷主要包括经常带电的继电器、信号灯、位置指示器及直流常明灯或其他常接入直流系统中的用电设备，一般可取1~2kW。
事故负荷是变电所失去交流电源全所停电时，必须由直流系统供电的负荷，主要为事故照明负荷。事故照明负荷统计见表12−1−1。
变电所的冲击负荷主要是断路器的合闸机构在断路器合闸时的短时（0.1~0.5s）冲击电流。
12.1.2 10kV及以下变配电所直流操作电源设计原则[5]
12.1.2.1 供一级负荷的配电所或大型配电所，当装有电磁操动机构的断路器时，应采用220V或110V蓄电池组作为合、分闸直流操作电源；当装有弹簧储能操动机构的断路器时，宜采用小容量镉镍电池装置作为合、分闸操作电源。
12.1.2.2 中型配电所当装有电磁操动机构的断路器时，合闸电源宜采用硅整流，分闸电源可采用小容量镉镍电池装置或电容储能。对重要负荷供电时，合、分闸电源宜采用镉镍电池装置。
当装有弹簧储能操动机构的断路器时，宜采用小容量镉镍电池装置或电容储能式硅整流装置作为合、分闸操作电源。
采用硅整流作为电磁操动机构合闸电源时，应校核该整流合闸电源能保证断路器在事故情况下可靠合闸。
12.1.3直流系统接线
12.1.3.1 铅酸蓄电池直流系统[66]
110kV及以下变电所直流系统及直流屏典型设计原则：
（1）直流系统一般采用220V或110V电压。
（2）接线方式采用单母线分段接线。变电所蓄电池组一般不设端电池。
（3）蓄电池组按GF型固定防酸隔爆式铅酸蓄电池进行编制。蓄电池容量规格为200，300，400，500，600，800，1000Ah。蓄电池个数根据直流系统电压等级而定，对220V取104~107个，对110V取52~53个。
（4）直流配电屏的操作和保护设备采用空气开关或刀开关（组合开关）和熔断器。屏内母线为绝缘铜母线。直流系统应能承受5~10kA的短路电流。
（5）每段直流母线上均应设绝缘监察和电压监察装置。
（6）直流信号馈线有中间继电器（DZ−810/A型）监视及信号灯监视两种接线。采用自动空气开关时，馈线失电监视是利用自动空气开关的辅助触点和钮扣开关组成的信号系统来实现。
（7）事故照明采用由直流母线直接供电，变电所一般无需装设事故切换装置。
（8）直流配电屏和充电整流屏的结构采用封闭定型屏（高2260mm，宽800mm，深600mm）。
12.1.3.3 带电容储能装置的整流直流系统[65]
带电容储能装置的整流直流系统在正常运行时，直流电源由硅整流器供给；当系统故障，即交流电源电压降低或消失时，由电容储能装置放电使保护跳闸。优点是投资者，运行维护方便。缺点是可靠性不如蓄电池。
12.1.3.4 带镍镍蓄电池组的整流直流系统[65]
（1）电池组本身是独立的化学能源，较电容储能可靠。
（2）采用电池组时不必增设+DM灯母线，信号灯直接接在控制母线回路上，能全面监视控制回路完好情况。
（3）当电动机回路较多时，其低电压保护可采用不同时限的分批跳闸方式，蓄电池容量也不需加大。
12.1.4.2 镉镍蓄电池[66]
（1）镉镍蓄电池型式。碱性镉镍蓄电池目前有高倍率GNG（GNC）和中倍率GNZ两种（低倍率国内较少使用）。当冲击合闸电流是决定因素时，选用高倍率GNG（或GNC）电池是合理的。当事故持续电流大于30A，或者计算选用高倍率蓄电池大于等于60Ah时，选用高倍率蓄电池应作经济技术比较，以选用更大容量的中倍电池为宜。60Ah以上的高倍率蓄电池只有在特殊场合下选用。
高倍率碱性镉镍蓄电池又分为全烧结和半烧结两种。有试验证明，在各种恒流放电倍率下，半烧结电池的放电容量及放电电压均优于全烧结电池。所以采用半烧结电池是经济合理的。
GNG系列烧结（半烧结）式镉镍蓄电池具有充放电电压平稳、高倍率放电能维持高的端电压、承受过放电能力强、自放电小及使用寿命长等特点。
（2）镉镍蓄电池容量的选择：
1）阶梯负荷计算法：阶梯负荷计算法计算公式为
（12−1−15）
式中——温度为25℃时的额定放电率换算容量，Ah；
——可靠系数，取1.2，包括以下三项；
——使用系数，指蓄电池使用、维护、温度等补偿系数，推荐用1.04；
——设计裕度系数，取1.15；
——蓄电池老化系数，取1.0（镉镍电池浮充运行20年，容量100%）；故；
——容量换算系数，是由放电时间、蓄电池工作温度（标准定为25℃）和蓄电池允许最低电压在不同倍率放电时实测绘制的关系曲线，1/h。
阶梯负荷计算法是将放电时所需的容量分成若干阶梯来进行计算，如图12−1−6。
（12−1−16）
（12−1−17）
（12−1−18）
这种方法假想的物理意义是先以容量的蓄电池用开始放电，在第小时时将具有容量的蓄电池并联接入，使其分担的电流，然后，在小时时将具有容量的蓄电池并联接入，使其分担的电流。总的承担上述三个阶段的蓄电池容量为。
仍用上式计算，只不过为负值。但是这样算出的蓄电池容量总和有时比单独按初期最大电流放电要小，这是不合理的。因此应分别计算最大电流放电容量和阶梯放电容量，选取其中的最大值，就是所求的蓄电池容量。
阶梯负荷计算法的计算基础是放电特性曲线。其计算准确性有赖于此曲线，使用时注意收集及检验。此处仅说明其计算方法。
2）电压控制计算法。电压控制计算法是先根据事故放电容量进行初步容量选择，再根据初选的蓄电池容量，查相应的蓄电池一小时事故放电后冲击放电（合闸电流）曲线，得蓄电池冲击放电电压。
a）计算事故容量
（12−1−19）
式中——事故放电容量，Ah；
——事故放电电流，A；
——事故放电时间，h，一般取1h。
b）计算蓄电池容量
（12−1−20）
式中——蓄电池容量，Ah；
——可靠系数，取0.8；
——浮充容量保持值0.9；
——容量利用系数，中倍率取0.5~0.6，高倍率取0.7~0.9。
取值考虑一小时事故放电末期，母线电压维持在200V以上才能保证可靠合闸。终止电压要求高时取小值，低时取大值。
根据计算的蓄电池容量，初选出与计算容量相近但较大的蓄电池规格容量。
c）电压校验。根据蓄电池的冲击放电曲线（参见图12−1−8）选取相应容量蓄电池的冲击放电曲线。然后根据和从上述冲击放电曲线查得单只蓄电池电压，从而可以计算出直流母线的电压
（12−1−21）
式中——直流母线电压，V；
——蓄电池个数；
——冲击放电末期，单只蓄电池的电压，V，查蓄电池1h事故放电后冲击放电曲线。
根据公式计算出直流母线电压，若大于0.85 则认为所选蓄电池容量是正确的。
3）简化计算法。110kV及以下的变电所通常选用高倍率镉镍电池，可以用如下简化计算法确定其容量：
a）1h放电容量≤；
b）最大合闸冲击电流≤。
（3）镉镍蓄电池个数的选择。镉镍电池均充及浮充电压较高，起始放电阶段特性较软，电压下降相对较快。
蓄电池个数选多了，把浮充、均充电压抬的很高，加大了调压范围。个数选少了，事故放电末期的电压又可能不足。
减少蓄电池个数，提高蓄电池容量（相当于放电倍率减少），也可以保持一定的电压水平。增加个数，可减少蓄电池容量。
当前许多厂家对高倍率电池选用180个，浮充电压250V，直接供给合闸母线，降压至230V供给控制母线。放电终止电压198V（每个1.1V）。中倍率电池目前产品数量及运行经验都不很多，由于均充及浮充电压都比高倍率电池高，选用电池个数有180个和172个两种。选用172个电池的供电方式与180个高倍率电池供电方式基本相同。选用180个中倍率电池的系统，在合闸母线及控制母线都分别设有降压硅链。
12.1.5充电器的选择及容量计算方法
12.1.5.1 铅酸蓄电池的充电及浮充电装置[66]
蓄电池的正常充电和浮充电运行可共用一套硅整流装置，它除在正常情况下向直流网络的经常负荷供电外，同时还对蓄电池进行浮充电，并作为均衡充电和事故放电后的充电之用。
（1）充电设备的额定电流。充电设备的电流包括蓄电池组的最大充电电流和直流系统的经常负荷电流，在变电所中蓄电池组的最大充电电流可采用10h放电率的放电电流。
充电设备的电流为
（12−1−22）
式中——充电设备的额定电流，A；
——蓄电池的10h放电率容量，Ah；
——直流系统的经常负荷，A。
（2）充电设备输出电压的范围。蓄电池在充电末期，其电压可能达2.7V，故充电设备的最高电压应为
（12−1−23）
式中——蓄电池总数。
实际上，对220V蓄电池组 V；110V蓄电池组 V。
因此，充电设备的容量按下式计算
（12−1−24）
式中——充电设备的容量，kW；
——充电设备的电压，V；
——充电设备的电流，A。
充电设备输出电压的调节范围对变电所有端电池直流电压为110V时，一般选用90~150V；220C时，一般选用180~310V。对变电所无端电池直流系统电压为110V时选用55~165V；220V时选用110~330V。
（3）浮充电设备。浮充电设备的容量按蓄电池组的经常负荷电流及自放电电流来选择。其工作电压应与充电设备相同，以便均衡充电。
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