变电站直流系统设计方案的合理选择

汪梓坤 

(广州电力设计院，广东 广州 510075)

    摘  要：对变电站直流系统设计中的几个主要问题进行了讨论，阐述了影响直流系统额定电压和蓄电池容量选择的主要因素，分析了直流系统额定电压、蓄电池容量的选取方法以及主接线、直流馈线网络的设计方法，介绍了新型的充电装置、绝缘监测和电压监视装置的性能。

    关键词：变电站；直流系统；设计；智能型高频开关充电装置；绝缘监测和电压监视装置 

    直流系统为变电站的继电保护、控制系统、信号系统、自动装置、UPS和事故照明等提供电源。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、微机型绝缘监测装置等，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。

    本文就变电站设计中对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探讨。 

1直流系统接线

    根据《火力发电厂和变电所直流系统设计技术规定》，发电厂和变电站的直流系统应采用单母线或单母线分段接线。单母线接线简单、清晰，但可靠性与灵活性差，一般用在110kV以下的变电站；单母线分段接线可靠性较高，任一段母线出现故障或需要检修都不影响供电，建议110 kV，220 kV和500 kV变电站采用单母线分段接线。 

2直流系统额定电压

    在确定变电站直流系统额定电压时，应根据变电站的具体情况，找出影响直流系统额定电压选择的主要因素。以往设计的220 kV及以下电压等级的变电站，大多数为带电磁操作机构的断路器，需要直流动力合闸电源，在这种情况下，满足直流动力回路电压的要求，降低直流动力电缆的投资，成为影响直流系统额定电压选择的主要因素，因此，以往设计的变电站中多数采用了220 V的直流系统。20世纪80年代以来，在220～500 kV变电站中，110 kV及以上电压等级的断路器多采用气动或液压操作机构，10 kV断路器采用弹簧操作机构，这样就不需要直流系统提供动力合闸电源了，因此，满足直流动力回路电压的要求和降低直流动力电缆投资，就不再是确定直流系统额定电压的主要因素。由于500 kV变电站被控对象远，控制回路电缆长，所以满足控制回路电压的要求，降低控制电缆的投资就成为确定500 kV变电站直流系统额定电压的主要因素。

    一般来说，当直流电压为220 V时，若控制电缆长度在500 m以内，电缆截面面积不大于4 mm2，就不会给电缆的接线带来困难。当直流电压为110 V时，若电缆长度超过250 m，就要选用截面面积为6 mm2或10 mm2的电缆，一般端子排只能连接截面面积不超过6 mm2的电缆芯，要连接截面面积大的电缆芯必须采取特殊的连接方式，这给施工和维护都带来困难；另外，500 kV变电站的控制对象多，距离远，电缆用量大，直流电压采用110 V，加大了控制电缆的截面面积，必然大幅度增加有色金属的消耗，增加了在控制电缆方面的投资。基于上述技术和经济上的考虑，在220～500 kV变电站采用集中控制的情况下，直流系统的额定电压宜选220 V。

    若220 kV变电站的规模较小，控制电缆的单根长度较短和控制电缆总量较少，或为全户内的220 kV变电站的情况下，直流系统的额定电压采用110 V是合理的。

    若500 kV变电站采用在配电装置上设分控室，二次设备分散布置，在主控室和分控室中都设有的直流系统，则控制电缆的长度可大大缩短，满足控制回路电缆电压的要求不存在任何问题。此时，由于变电站的蓄电池组数多，所以降低每组蓄电池及其辅助设施的造价就显得尤为突出。在这种情况下变电站的直流系统的额定电压宜选110 V。

3直流馈线网络

    为简化设备，220 kV变电站直流系统一般采用环形供电网络，即直流动力负荷和控制负荷都采用环形供电网络。在变电站内设动力和控制小母线，在各直流负荷之间形成环形供电网络，每个环的电源回路接到两段母线上。若220 kV变电站为全户内式，220 kV及110 kV配电装置均采用气体绝缘金属封闭开关设备 (GIS) ，二次设备置于GIS室内，则直流馈线应分别引至各配电装置处各自形成环网。由于GIS二次回路所需直流电源较多，故在设计时应考虑足够的直流馈线数量。

    500 kV变电站对直流供电网的可靠性要求更高，结合对控制电源双重化的要求，一般采用辐射状供电。为了简化供电网络，减少馈线电缆数量，可在靠近配电装置处设直流分屏，每一分屏由2组蓄电池各用1条馈线供电。 

4蓄电池容量

    在以往的变电站中，10 kV断路器多采用电磁操作机构，其额定合闸电流较大，为90～245 A，所以事故放电末期承受冲击负荷时，确保直流母线电压在允许值范围内，是选择蓄电池容量的决定性因素。近年来，越来越多的10 kV断路器采用弹簧操作机构，其合闸电流很小，则蓄电池的容量由全站的经常负荷和事故负荷决定，这样可大大减少蓄电池容量。

    以1个具有2台150～180 MVA主变压器、8回220 kV线路、10回110 kV线路、10回10 kV线路和2组电容器的220 kV变电站为例，当变电站10 kV断路器采用弹簧操作机构时，其额定合闸电流为3.2 A，分闸电流为0.5 A，允许的最低工作电压为87.5%额定电压，选择220 V额定电压、104只蓄电池和400 Ah容量的直流系统即可满足要求。 

5充电装置

    充电装置是保证蓄电池可靠运行的主要设备，特别是阀控式蓄电池对充电装置性能的要求更高。以往的变电站的充电装置多采用晶闸管整流装置，近年来越来越多的变电站采用智能型高频开关充电装置，且运行情况良好。智能型高频开关充电装置具有技术先进、性能优越和体积小等优点。表1列出了2种类型的充电装置的技术指标。 

6绝缘监测和电压监视装置

    常用的直流绝缘监测和电压监视装置是根据电桥原理由继电器组成的，近年来有些厂家生产了微机型的直流绝缘监测和电压监视装置，如南京自动化研究院的ZYJ型绝缘监测和电压监视装置，武汉琴台电力技术研究院的WZJ型绝缘监测和电压监视装置，温州星炬电控有限公司的ZJD-4型绝缘监测和电压监视装置等。这些产品的灵敏度高，正、负母线绝缘同时降低时也能进行监测，并带有分支回路在线监测装置，能指出绝缘下降或出现接地故障的回路，大大缩短了查找直流系统接地故障的时间。 

    采用单母线分段接线方式有2组蓄电池时，母线是分开运行的，以往多设1套直流绝缘监测和电压监视装置，经切换开关切换至2段母线，接线复杂，其中有一段母线不能监测，所以每组母线设1套直流绝缘监测和电压监视装置为好；只有1组蓄电池但采用单母线分段接线方式时，单分段开关通常是接通的，此时可设1套可切换的直流绝缘监测和电压监视装置。 

7结束语

    直流系统是变电站的一个重要组成部分，对变电站的正常运行起着重要的作用，它的设计方案的合理性及其运行的可靠性直接影响着变电站的可靠性。所以在变电站直流系统的设计中，我们要根据变电站的实际情况对直流系统进行计算、分析，选择最合理的方案。 

参考文献

［1］能源部西北电力设计院.电力工程电气设计手册 (2) ：电气二次部分［M］.北京：中国电力出版社，1991.