KV總配電所電氣一、二次系統(tǒng)部分設(shè)計(jì)10

PAGEPAGE14中文譯文配電所跳閘/直流電源的設(shè)計(jì)思想和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)K.T.Yeung,K.W.Ho香港電氣有限公司傳輸和分配部摘要跳閘/直流電源是電力傳輸和分配工作最重要的組成部分之一。一個(gè)高可靠的跳閘/直流電源是保證正確的保護(hù)動(dòng)作和設(shè)備操作所必需的，特別是在故障和擾動(dòng)的時(shí)候。結(jié)合新的22kV配電系統(tǒng)的運(yùn)行，香港電氣有限公司（HEC）對(duì)它的22kV配電所的跳閘/直流電源設(shè)計(jì)進(jìn)行了一個(gè)完全的回顧。考慮到我們的22kV網(wǎng)絡(luò)特性，開關(guān)裝置和保護(hù)的設(shè)計(jì)，及我們?cè)陔姵?電池充電器的經(jīng)驗(yàn)，我們采用了一個(gè)系統(tǒng)的方法。通過該方法得到的跳閘/直流電源系統(tǒng)由一個(gè)單一的具有特殊特性的48V直流電池/充電器系統(tǒng)，一個(gè)壓變供電的后備放電單元和各種挑選的自勵(lì)繼電器及專門的保護(hù)/控制電路組成。1.引言對(duì)輸電系統(tǒng)而言，跳閘/直流電源通常從雙重甚至三重的電池/充電器系統(tǒng)獲得，該系統(tǒng)放置在專用的電池和充電器房，其中的一些還要有空調(diào)裝置。另外，需要大量日常的維護(hù)工作，包括定期淺/深放電，以保證這些電池/充電器系統(tǒng)最高的可靠性。這種設(shè)置昂貴、體積大，需要大量的維護(hù)工作，很難論證其在大部分配電所使用的可能性。取而代之，配電所一般采用放置于同一個(gè)高壓間隔間的獨(dú)立的“免維護(hù)”電池和充電器系統(tǒng)。為減少維護(hù)量，電池單元的“故障”維護(hù)或定期替換正普遍用于處理電池隨時(shí)間過去的老化問題。一般認(rèn)為只在系統(tǒng)故障或意外事故時(shí)發(fā)生的，配電所不到周期和單一的電池故障，通常有嚴(yán)重的后果，直接影響給用戶供電。結(jié)合22kV系統(tǒng)的投運(yùn)，HEC對(duì)直流和保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了一個(gè)徹底的評(píng)論，采用了基于新的22kV的跳閘/直流電源設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方法，該方法考慮到了HEC22kV網(wǎng)絡(luò)的特性、開關(guān)裝置和保護(hù)的設(shè)計(jì)及我們?cè)陔姵?充電器的經(jīng)驗(yàn)。由此產(chǎn)生的跳閘/直流電源系統(tǒng)由一個(gè)單一的具有特殊特性的48V直流電池/充電器系統(tǒng)，一個(gè)壓變供電的后備放電單元和各種選擇的自勵(lì)繼電器及專門的保護(hù)/控制電路組成。本文敘述了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和作為設(shè)計(jì)結(jié)果的跳閘/直流電源，開關(guān)和保護(hù)繼電器的細(xì)節(jié)。過去18個(gè)月運(yùn)行的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)也會(huì)分享。2.設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)我們新的22kV配電系統(tǒng)中的跳閘/直流電源應(yīng)該遵循以下設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：(1)用于控制/保護(hù)的單一的電池/充電器系統(tǒng)——考慮到雙重的電池/充電器系統(tǒng)在最初安裝和后來維護(hù)方面體積太大且太昂貴，大多數(shù)配電所應(yīng)該避免采用。(2)在直流故障時(shí)線路和變壓器保護(hù)不應(yīng)受影響——如果發(fā)生直流供電全部失去的情況，保護(hù)也要有效可用。這個(gè)要求對(duì)供給用戶的變壓器的保護(hù)尤其重要，在直流故障的情形下也必須不被干擾。(3)合適大小的電池容量以適應(yīng)運(yùn)行模式——電池容量應(yīng)該盡可能的小以適應(yīng)22kV系統(tǒng)的運(yùn)行模式，考慮到萬一故障時(shí)相關(guān)的系統(tǒng)重置所需的短移/啟動(dòng)時(shí)間。(4)不要專門的房間/通風(fēng)——系統(tǒng)應(yīng)放置在配電所相同的高壓間隔間，配電所不用提供強(qiáng)制通風(fēng)。(5)除定時(shí)的替換外不需要日常的維護(hù)——應(yīng)不需要日常維護(hù)例如深/淺放電和加水。(6)小且緊湊——充電器和電池組的物理尺寸應(yīng)該盡可能的小，以使配電所的大小可以跟11kV配電所差不多。(7)電池性能的自我監(jiān)視——充電器應(yīng)該包括自動(dòng)自我監(jiān)視功能，以便周期性的檢測(cè)電池的狀況。如果發(fā)現(xiàn)任何一個(gè)電池容量不足，應(yīng)該觸發(fā)報(bào)警以替換。(8)遠(yuǎn)程監(jiān)視和報(bào)警特性——應(yīng)提供現(xiàn)地和遠(yuǎn)程報(bào)警以通過我們現(xiàn)有的RTU網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)視電池和充電器系統(tǒng)的性能。(9)電壓等級(jí)——直流系統(tǒng)的電壓等級(jí)一方面應(yīng)該足夠小以縮減電池組的大小，另一方面要足夠大以降低繼電器觸點(diǎn)和配線阻抗的靈敏度。3.系統(tǒng)方法通過研究標(biāo)準(zhǔn)和市場(chǎng)上可用的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)特性/要求列表如下。標(biāo)準(zhǔn)建議用于控制/保護(hù)的單一的電池/充電器系統(tǒng)。充電器應(yīng)該被設(shè)計(jì)成自動(dòng)切換的雙重單相輸入或三相輸入，這樣失去一相供電將不影響電池充電器的性能。在直流故障時(shí)線路和變壓器保護(hù)不應(yīng)受影響。饋線單元保護(hù)使用常規(guī)的電纜附線保護(hù)作為主保護(hù)。當(dāng)它是簡(jiǎn)單的和被動(dòng)的時(shí)，采用電子-機(jī)械電纜附線繼電器（例如不需要保護(hù)電源）。低壓過流保護(hù)用的一個(gè)低壓繼電器使用在配電變壓器低壓側(cè)，以提高對(duì)變壓器高壓側(cè)故障和低壓側(cè)故障的分辨力，還要給變壓器提供后備保護(hù)。該繼電器一般由低壓交流供電。萬一故障，該繼電器應(yīng)該在降低靈敏度以自勵(lì)模式動(dòng)作。一個(gè)壓變供電的后備放電單元被設(shè)計(jì)來提供一個(gè)二次跳閘電源給保護(hù)電路，以實(shí)現(xiàn)跳閘電源的100%冗余。提供4小時(shí)20次連續(xù)開關(guān)操作的電源。就一個(gè)儲(chǔ)藏室容量為80Ah/C5的電池，電池充電器額定為30A。這個(gè)容量由充電器故障期間4小時(shí)后備和20次開關(guān)操作計(jì)算得出?？紤]到配電所的地理分布，我們認(rèn)為4小時(shí)后備時(shí)間足夠安排替換或修理。假設(shè)充電器/電池不能在4小時(shí)內(nèi)恢復(fù)，還要準(zhǔn)備直流配電屏來接入臨時(shí)直流電源。無需專門的房間/通風(fēng)。采用密封型閥控鉛酸電池以降低維護(hù)要求和消除專門電池房和通風(fēng)系統(tǒng)的需求。采用溫度補(bǔ)償充電器以避免過/低充電和減少產(chǎn)生氣體。除定期輪換外無需日常維護(hù)。小且緊湊。電池/充電器系統(tǒng)建立在一個(gè)獨(dú)立的小空間，用固體隔離物劃分為三個(gè)間隔來放置充電模塊、4nos.電池和一個(gè)配電板。采用獨(dú)立空間模塊以減小尺寸及提高適用性。電池性能自我監(jiān)視。充電器配備自動(dòng)測(cè)試功能來定時(shí)監(jiān)視電池容量，以便給出電池剩余容量的預(yù)警。電池測(cè)試器的運(yùn)行通過RTU監(jiān)控以保證電池測(cè)試按預(yù)定進(jìn)行。遠(yuǎn)程監(jiān)視和報(bào)警特性。為進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視,電池/充電器系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為當(dāng)交流電源工作/故障、充電器輸出工作/故障、負(fù)荷電壓高/低、MCB跳閘、接地故障、電池故障、電池測(cè)試器故障和電池測(cè)試進(jìn)行中時(shí)，通過連接到現(xiàn)有的RTU設(shè)備來提供現(xiàn)地/遠(yuǎn)方報(bào)警。電壓等級(jí)對(duì)繼電器觸點(diǎn)和配線阻抗問題具有較低的靈敏度選擇48V直流作為控制和保護(hù)電源。48V對(duì)繼電器觸點(diǎn)問題的靈敏度比我們現(xiàn)有的用于11kV配電系統(tǒng)的24V系統(tǒng)的更低，而且比變電站用的110V更便宜、體積更小。一組硅降壓器被設(shè)計(jì)來降低正常的浮充電壓(54V)到適合負(fù)荷的值（48V±10%）。表14.跳閘/直流電源的特性以下部分將介紹該直流系統(tǒng)主要組成部分更多的細(xì)節(jié)。I.充電器設(shè)計(jì)。為了將電池/充電器系統(tǒng)占用的空間最小化，該電池/充電器系統(tǒng)在一個(gè)獨(dú)立的屏柜內(nèi)構(gòu)建，以放置充電模塊、4nos.電池和一個(gè)配電板。該電池充電器屏柜由薄鋼板構(gòu)成，底板裝上固體隔離物分為三個(gè)間隔，提供BS5490的IP41的保護(hù)級(jí)別。所有LED、選擇器開關(guān)和綜合儀表都裝在前面板門上。同時(shí)，屏柜設(shè)計(jì)成沒有后面的通道是操作和維護(hù)所必需的。屏柜里的設(shè)備仔細(xì)的布置以改善散熱及減少溫度變化使靈敏設(shè)備發(fā)熱。該電池/充電器系統(tǒng)的簡(jiǎn)化單線圖如圖1所示，實(shí)際布置如圖2所示。圖1:圖2充電器模塊。通過研究不同直流電壓等級(jí)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和計(jì)算利益，48V被挑選為配電系統(tǒng)的控制和保護(hù)電壓。所設(shè)計(jì)的充電器以48V時(shí)額定連續(xù)輸出電流30A運(yùn)行在浮充模式，以使電池一直保持在滿充的情況，所有連接的負(fù)荷都由良好交流電源情況下的充電器供電。該充電器可以在保持滿負(fù)荷約10A供電給相連的設(shè)備的同時(shí)，在8個(gè)小時(shí)內(nèi)從電池完全放電的情況下充滿電池。為減小尺寸和提高可行性，我們的設(shè)計(jì)里采用了模塊化整流模式充電器。一個(gè)模塊化充電器可以實(shí)現(xiàn)幾個(gè)目的。第一，它可以大幅度減少充電器更換/修理時(shí)間。當(dāng)發(fā)現(xiàn)充電模塊有缺陷時(shí)，僅僅需要拔出有問題的模塊換上好的模塊。第二，如果未來發(fā)現(xiàn)有必要，它能使用雙重的充電器模塊來增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。用少量的改動(dòng)，可以更容易的完成同樣的充電器操作以提高可靠性。充電特性——溫度補(bǔ)償。除一般的電壓/電流限制充電電流外，電池充電器還要加入溫度補(bǔ)償充電特性。溫度補(bǔ)償對(duì)密封的電池是很重要的，因?yàn)槊芊庑豌U酸電池的再結(jié)合過程會(huì)釋放熱量（產(chǎn)熱）。為防止在高環(huán)境溫度時(shí)過充電和低環(huán)境溫度時(shí)充電不足，充電器輸出要加入0.05V/℃的負(fù)補(bǔ)償。溫度傳感器應(yīng)該安裝在正確反映電池組溫度的地方。在我們的方案里，傳感器裝在被認(rèn)為是發(fā)熱點(diǎn)的中間電池旁邊的墻上。硅降壓器。硅降壓器一般不裝在只設(shè)計(jì)了浮充運(yùn)行模式的固定模式充電器上。但是，隨著壓敏電子繼電器的使用和溫度補(bǔ)償?shù)牟捎?，浮充電壓?huì)超過電子設(shè)備可接受的界限。為避免對(duì)精密和敏感的電子設(shè)備的任何損壞，一個(gè)單獨(dú)配備的硅降壓器被用在電池/充電器系統(tǒng)上，以降低正常浮充電壓（54V）到一個(gè)適合負(fù)荷的值（48V±10%）。降壓器的大小和投/切特性（52V/51V）被設(shè)計(jì)為適合連接在系統(tǒng)的電子繼電器的最大允許限制48V±10%。電池測(cè)試。為限制維護(hù)工作量，電池/充電器系統(tǒng)配備了自動(dòng)測(cè)試功能來定期監(jiān)視電池，以對(duì)電池的剩余壽命給出預(yù)警。電池測(cè)試被設(shè)計(jì)為每90天對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷和一個(gè)虛擬負(fù)荷放電30分鐘。為防止測(cè)試時(shí)由于電池惡化、劣質(zhì)導(dǎo)線連接等等而導(dǎo)致電壓突然崩潰，測(cè)試時(shí)電池實(shí)質(zhì)上不能斷開與充電器的連接。相反，充電器的輸出會(huì)降低到46.5V，以使電池帶上所有的負(fù)荷。如果電池電壓下降到低于告警電壓（47V），測(cè)試將停止，充電器電壓會(huì)上升到帶上負(fù)荷。一些其他的邏輯，如無交流電源故障、無測(cè)試前手動(dòng)放電等等，也要包括到電池測(cè)試電路里以保證得到一致的結(jié)果。放電電流、持續(xù)時(shí)間和最終電壓應(yīng)該設(shè)定為與電池特性和設(shè)計(jì)運(yùn)行模式一致。必須指出，該測(cè)試不會(huì)給出電池剩余壽命/容量的定量的數(shù)字。但是，通過測(cè)試可以確定電池相對(duì)良好及大概給出所需的后備容量。測(cè)試失敗的電池表示它需要更多的檢查。圖3表示一個(gè)良好電池的電壓波形，圖4表示有缺陷的電池的電壓波形。圖3:圖4:除自動(dòng)測(cè)試外，手動(dòng)電池測(cè)試也可以在現(xiàn)地觸發(fā)。在手動(dòng)測(cè)試模式，所有的測(cè)試邏輯都被旁路。此外，測(cè)試單元自檢失敗會(huì)單獨(dú)報(bào)警。而且，給出一對(duì)干觸點(diǎn)和現(xiàn)地顯示“電池測(cè)試進(jìn)行中”來標(biāo)記電池測(cè)試。報(bào)警系統(tǒng)。其他的報(bào)警如交流電源工作/故障、充電器輸出工作/故障、負(fù)荷電壓高/低、MCB跳閘、接地故障、電池故障、電池測(cè)試器故障及電池測(cè)試進(jìn)行中都包括在系統(tǒng)中，這些對(duì)現(xiàn)在的充電器來說都相當(dāng)普通。現(xiàn)地顯示供給故障快照，壓敏報(bào)警有時(shí)間延遲以屏蔽假的告警。對(duì)于遠(yuǎn)程監(jiān)控，這些報(bào)警將作為普通報(bào)警通過RTU轉(zhuǎn)到我們的系統(tǒng)控制中心。II.配電板電池/充電器系統(tǒng)的配電板也是模塊化設(shè)計(jì)。每個(gè)輸出電路由MCB保護(hù)。任一個(gè)輸出MCB跳閘都將觸發(fā)報(bào)警到我們的系統(tǒng)控制中心。為了方便在電池/充電器斷供期連接一個(gè)外部直流電源到MCB板，配電板還包括如圖1所示的一個(gè)裝設(shè)了阻流二極管的第二輸入隔離裝置。這提高了后備的靈活性，如果需要，允許直流電源的并聯(lián)操作。III.電池因?yàn)殡姵?充電器系統(tǒng)安裝在配電所的高壓間隔，該處沒有安裝強(qiáng)制通風(fēng)設(shè)備，所以不能使用在正常工作循環(huán)會(huì)產(chǎn)生氫氣和氧氣的充水型電池。一般選擇符合IEC60896和BS6290要求的4nos.12V、80Ah/C5的密封型閥控鉛酸電池作為直流電源的電池組。密封型閥控鉛酸電池被采用是因?yàn)樗木S護(hù)量低和簡(jiǎn)化變電站設(shè)計(jì)。因?yàn)殡姵厝萘吭黾拥幕ㄙM(fèi)相對(duì)較小，電池組稍微過容量以補(bǔ)償由于老化而容量減小。IV.壓變供電的后備放電單元即使采用了上述的特性，仍然有可能發(fā)生出乎意料的直流系統(tǒng)故障。為保證保護(hù)功能在直流失去時(shí)仍能正確工作，提供了一個(gè)第二跳閘電源給線路保護(hù)和變壓器保護(hù)，該電源來自22kV母線壓變，帶一個(gè)后備放電單元以存儲(chǔ)足夠的能量供給后備跳閘功能。如圖5所示，壓變供電后備放電單元是一個(gè)由無需維護(hù)的低壓電容組成的簡(jiǎn)單的被動(dòng)設(shè)備。圖5圖6圖6顯示了簡(jiǎn)化的22kV配電開關(guān)裝置雙跳閘電源方案。正常情況的48V直流跳閘電源和得自壓變供電后備放電單元的第二跳閘電源通過一個(gè)阻流二極管連接到跳閘電路。跳閘電源正常情況由48V直流電源供應(yīng)。如果48V直流電源下降到43.2V，電源將由一個(gè)轉(zhuǎn)換繼電器進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)換。因此，只要母線有電，跳閘電源就一直可用。因?yàn)榫€路保護(hù)和變壓器后備保護(hù)有自勵(lì)繼電器，如果配電所直流完全失去，也只會(huì)失去控制功能。V.保護(hù)考慮事項(xiàng)在我們的22kV配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，各種挑選的自勵(lì)繼電器和專門的保護(hù)/控制電路用來給系統(tǒng)提供有效的保護(hù)，即使是在配電所的跳閘/直流電源失去時(shí)也一樣。圖7對(duì)22kV閉環(huán)系統(tǒng)，得到良好證明的自勵(lì)常規(guī)電纜附線保護(hù)用作主保護(hù)。對(duì)配電變壓器，高壓側(cè)和低壓側(cè)都配備了反時(shí)間過流和接地故障保護(hù)繼電器。低壓側(cè)繼電器由變壓器低壓側(cè)輸出供電。在三相故障，電壓完全崩潰的不可靠的場(chǎng)合，繼電器還可以在自勵(lì)模式低靈敏度的工作。加上壓變供電的后備放電單元，這個(gè)安排會(huì)提供一個(gè)不間斷的保護(hù)給變壓器，即使在配電站直流消失時(shí)也一樣。VI.關(guān)于實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的討論該直流系統(tǒng)已經(jīng)在我們的系統(tǒng)實(shí)施了超過18個(gè)月了。系統(tǒng)的工作情況是令人滿意的。我們遇到的一些電池測(cè)試電路方面的小問題，主要與參數(shù)設(shè)置有關(guān)，并敘述如下。硅降壓器的變動(dòng)正如前面部分所提及的，硅降壓器對(duì)配備了電池測(cè)試電路的固定模式充電器來說是不常見的。在充電器的初始測(cè)試中，我們發(fā)現(xiàn)硅降壓器在電池測(cè)試時(shí)始終保持連接。另外，硅降壓器造成的電壓下降被設(shè)計(jì)成使充電時(shí)的輸出保持在48V上下。結(jié)果，每次測(cè)試進(jìn)行時(shí)都會(huì)觸發(fā)“電池故障”和“低電壓”報(bào)警。在檢驗(yàn)后，電池測(cè)試固件被修改成在測(cè)試期間旁路硅降壓器。另外，降壓電路里硅二極管的數(shù)目也減少，以避免維護(hù)時(shí)輸出低于48V+10%觸發(fā)低電壓報(bào)警。電池測(cè)試時(shí)充電器輸出特性在電池測(cè)試期間，給充電器加上一個(gè)阻礙負(fù)荷，這時(shí)充電器輸出會(huì)同時(shí)下降。如果電池負(fù)載失敗，假定由于電池開路、高阻抗連接等等，終端電壓將會(huì)崩潰，充電器輸出應(yīng)該上升以恢復(fù)供電。這個(gè)要求需要充電器非?？斓捻憫?yīng)時(shí)間，否則，電壓崩潰期間會(huì)觸發(fā)低電壓報(bào)警，電子繼電器會(huì)重置。在對(duì)各種型號(hào)的充電器的初始評(píng)估階段，我們發(fā)現(xiàn)一些使用常規(guī)的晶閘