KV總配電所電氣一、二次系統(tǒng)部分設計10

PAGEPAGE14中文譯文配電所跳閘/直流電源的設計思想和運行經(jīng)驗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。一個高可靠的跳閘/直流電源是保證正確的保護動作和設備操作所必需的，特別是在故障和擾動的時候。結合新的22kV配電系統(tǒng)的運行，香港電氣有限公司（HEC）對它的22kV配電所的跳閘/直流電源設計進行了一個完全的回顧?？紤]到我們的22kV網(wǎng)絡特性，開關裝置和保護的設計，及我們在電池/電池充電器的經(jīng)驗，我們采用了一個系統(tǒng)的方法。通過該方法得到的跳閘/直流電源系統(tǒng)由一個單一的具有特殊特性的48V直流電池/充電器系統(tǒng)，一個壓變供電的后備放電單元和各種挑選的自勵繼電器及專門的保護/控制電路組成。1.引言對輸電系統(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裝置。另外，需要大量日常的維護工作，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。這種設置昂貴、體積大，需要大量的維護工作，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高壓間隔間的獨立的“免維護”電池和充電器系統(tǒng)。為減少維護量，電池單元的“故障”維護或定期替換正普遍用于處理電池隨時間過去的老化問題。一般認為只在系統(tǒng)故障或意外事故時發(fā)生的，配電所不到周期和單一的電池故障，通常有嚴重的后果，直接影響給用戶供電。結合22kV系統(tǒng)的投運，HEC對直流和保護系統(tǒng)進行了一個徹底的評論，采用了基于新的22kV的跳閘/直流電源設計的系統(tǒng)方法，該方法考慮到了HEC22kV網(wǎng)絡的特性、開關裝置和保護的設計及我們在電池/充電器的經(jīng)驗。由此產生的跳閘/直流電源系統(tǒng)由一個單一的具有特殊特性的48V直流電池/充電器系統(tǒng)，一個壓變供電的后備放電單元和各種選擇的自勵繼電器及專門的保護/控制電路組成。本文敘述了設計標準和作為設計結果的跳閘/直流電源，開關和保護繼電器的細節(jié)。過去18個月運行的實際運行經(jīng)驗和教訓也會分享。2.設計標準我們新的22kV配電系統(tǒng)中的跳閘/直流電源應該遵循以下設計標準：(1)用于控制/保護的單一的電池/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方面體積太大且太昂貴，大多數(shù)配電所應該避免采用。(2)在直流故障時線路和變壓器保護不應受影響——如果發(fā)生直流供電全部失去的情況，保護也要有效可用。這個要求對供給用戶的變壓器的保護尤其重要，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運行模式——電池容量應該盡可能的小以適應22kV系統(tǒng)的運行模式，考慮到萬一故障時相關的系統(tǒng)重置所需的短移/啟動時間。(4)不要專門的房間/通風——系統(tǒng)應放置在配電所相同的高壓間隔間，配電所不用提供強制通風。(5)除定時的替換外不需要日常的維護——應不需要日常維護例如深/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——充電器應該包括自動自我監(jiān)視功能，以便周期性的檢測電池的狀況。如果發(fā)現(xiàn)任何一個電池容量不足，應該觸發(fā)報警以替換。(8)遠程監(jiān)視和報警特性——應提供現(xiàn)地和遠程報警以通過我們現(xiàn)有的RTU網(wǎng)絡來監(jiān)視電池和充電器系統(tǒng)的性能。(9)電壓等級——直流系統(tǒng)的電壓等級一方面應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和配線阻抗的靈敏度。3.系統(tǒng)方法通過研究標準和市場上可用的產品，實現(xiàn)設計標準的系統(tǒng)特性/要求列表如下。標準建議用于控制/保護的單一的電池/充電器系統(tǒng)。充電器應該被設計成自動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。在直流故障時線路和變壓器保護不應受影響。饋線單元保護使用常規(guī)的電纜附線保護作為主保護。當它是簡單的和被動的時，采用電子-機械電纜附線繼電器（例如不需要保護電源）。低壓過流保護用的一個低壓繼電器使用在配電變壓器低壓側，以提高對變壓器高壓側故障和低壓側故障的分辨力，還要給變壓器提供后備保護。該繼電器一般由低壓交流供電。萬一故障，該繼電器應該在降低靈敏度以自勵模式動作。一個壓變供電的后備放電單元被設計來提供一個二次跳閘電源給保護電路，以實現(xiàn)跳閘電源的100%冗余。提供4小時20次連續(xù)開關操作的電源。就一個儲藏室容量為80Ah/C5的電池，電池充電器額定為30A。這個容量由充電器故障期間4小時后備和20次開關操作計算得出。考慮到配電所的地理分布，我們認為4小時后備時間足夠安排替換或修理。假設充電器/電池不能在4小時內恢復，還要準備直流配電屏來接入臨時直流電源。無需專門的房間/通風。采用密封型閥控鉛酸電池以降低維護要求和消除專門電池房和通風系統(tǒng)的需求。采用溫度補償充電器以避免過/低充電和減少產生氣體。除定期輪換外無需日常維護。小且緊湊。電池/充電器系統(tǒng)建立在一個獨立的小空間，用固體隔離物劃分為三個間隔來放置充電模塊、4nos.電池和一個配電板。采用獨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。充電器配備自動測試功能來定時監(jiān)視電池容量，以便給出電池剩余容量的預警。電池測試器的運行通過RTU監(jiān)控以保證電池測試按預定進行。遠程監(jiān)視和報警特性。為進行遠程監(jiān)視,電池/充電器系統(tǒng)被設計為當交流電源工作/故障、充電器輸出工作/故障、負荷電壓高/低、MCB跳閘、接地故障、電池故障、電池測試器故障和電池測試進行中時，通過連接到現(xiàn)有的RTU設備來提供現(xiàn)地/遠方報警。電壓等級對繼電器觸點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電源。48V對繼電器觸點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。一組硅降壓器被設計來降低正常的浮充電壓(54V)到適合負荷的值（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節(jié)。I.充電器設計。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)在一個獨立的屏柜內構建，以放置充電模塊、4nos.電池和一個配電板。該電池充電器屏柜由薄鋼板構成，底板裝上固體隔離物分為三個間隔，提供BS5490的IP41的保護級別。所有LED、選擇器開關和綜合儀表都裝在前面板門上。同時，屏柜設計成沒有后面的通道是操作和維護所必需的。屏柜里的設備仔細的布置以改善散熱及減少溫度變化使靈敏設備發(fā)熱。該電池/充電器系統(tǒng)的簡化單線圖如圖1所示，實際布置如圖2所示。圖1:圖2充電器模塊。通過研究不同直流電壓等級的技術優(yōu)勢和計算利益，48V被挑選為配電系統(tǒng)的控制和保護電壓。所設計的充電器以48V時額定連續(xù)輸出電流30A運行在浮充模式，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荷約10A供電給相連的設備的同時，在8個小時內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，我們的設計里采用了模塊化整流模式充電器。一個模塊化充電器可以實現(xiàn)幾個目的。第一，它可以大幅度減少充電器更換/修理時間。當發(fā)現(xiàn)充電模塊有缺陷時，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系統(tǒng)的可靠性。用少量的改動，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償充電特性。溫度補償對密封的電池是很重要的，因為密封型鉛酸電池的再結合過程會釋放熱量（產熱）。為防止在高環(huán)境溫度時過充電和低環(huán)境溫度時充電不足，充電器輸出要加入0.05V/℃的負補償。溫度傳感器應該安裝在正確反映電池組溫度的地方。在我們的方案里，傳感器裝在被認為是發(fā)熱點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計了浮充運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償?shù)牟捎?，浮充電壓會超過電子設備可接受的界限。為避免對精密和敏感的電子設備的任何損壞，一個單獨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）到一個適合負荷的值（48V±10%）。降壓器的大小和投/切特性（52V/51V）被設計為適合連接在系統(tǒng)的電子繼電器的最大允許限制48V±10%。電池測試。為限制維護工作量，電池/充電器系統(tǒng)配備了自動測試功能來定期監(jiān)視電池，以對電池的剩余壽命給出預警。電池測試被設計為每90天對系統(tǒng)負荷和一個虛擬負荷放電30分鐘。為防止測試時由于電池惡化、劣質導線連接等等而導致電壓突然崩潰，測試時電池實質上不能斷開與充電器的連接。相反，充電器的輸出會降低到46.5V，以使電池帶上所有的負荷。如果電池電壓下降到低于告警電壓（47V），測試將停止，充電器電壓會上升到帶上負荷。一些其他的邏輯，如無交流電源故障、無測試前手動放電等等，也要包括到電池測試電路里以保證得到一致的結果。放電電流、持續(xù)時間和最終電壓應該設定為與電池特性和設計運行模式一致。必須指出，該測試不會給出電池剩余壽命/容量的定量的數(shù)字。但是，通過測試可以確定電池相對良好及大概給出所需的后備容量。測試失敗的電池表示它需要更多的檢查。圖3表示一個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:除自動測試外，手動電池測試也可以在現(xiàn)地觸發(fā)。在手動測試模式，所有的測試邏輯都被旁路。此外，測試單元自檢失敗會單獨報警。而且，給出一對干觸點和現(xiàn)地顯示“電池測試進行中”來標記電池測試。報警系統(tǒng)。其他的報警如交流電源工作/故障、充電器輸出工作/故障、負荷電壓高/低、MCB跳閘、接地故障、電池故障、電池測試器故障及電池測試進行中都包括在系統(tǒng)中，這些對現(xiàn)在的充電器來說都相當普通?，F(xiàn)地顯示供給故障快照，壓敏報警有時間延遲以屏蔽假的告警。對于遠程監(jiān)控，這些報警將作為普通報警通過RTU轉到我們的系統(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計。每個輸出電路由MCB保護。任一個輸出MCB跳閘都將觸發(fā)報警到我們的系統(tǒng)控制中心。為了方便在電池/充電器斷供期連接一個外部直流電源到MCB板，配電板還包括如圖1所示的一個裝設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.電池因為電池/充電器系統(tǒng)安裝在配電所的高壓間隔，該處沒有安裝強制通風設備，所以不能使用在正常工作循環(huán)會產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為它的維護量低和簡化變電站設計。因為電池容量增加的花費相對較小，電池組稍微過容量以補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。為保證保護功能在直流失去時仍能正確工作，提供了一個第二跳閘電源給線路保護和變壓器保護，該電源來自22kV母線壓變，帶一個后備放電單元以存儲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由無需維護的低壓電容組成的簡單的被動設備。圖5圖6圖6顯示了簡化的22kV配電開關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。如果48V直流電源下降到43.2V，電源將由一個轉換繼電器進行自動轉換。因此，只要母線有電，跳閘電源就一直可用。因為線路保護和變壓器后備保護有自勵繼電器，如果配電所直流完全失去，也只會失去控制功能。V.保護考慮事項在我們的22kV配電系統(tǒng)的設計中，各種挑選的自勵繼電器和專門的保護/控制電路用來給系統(tǒng)提供有效的保護，即使是在配電所的跳閘/直流電源失去時也一樣。圖7對22kV閉環(huán)系統(tǒng)，得到良好證明的自勵常規(guī)電纜附線保護用作主保護。對配電變壓器，高壓側和低壓側都配備了反時間過流和接地故障保護繼電器。低壓側繼電器由變壓器低壓側輸出供電。在三相故障，電壓完全崩潰的不可靠的場合，繼電器還可以在自勵模式低靈敏度的工作。加上壓變供電的后備放電單元，這個安排會提供一個不間斷的保護給變壓器，即使在配電站直流消失時也一樣。VI.關于實際運行經(jīng)驗的討論該直流系統(tǒng)已經(jīng)在我們的系統(tǒng)實施了超過18個月了。系統(tǒng)的工作情況是令人滿意的。我們遇到的一些電池測試電路方面的小問題，主要與參數(shù)設置有關，并敘述如下。硅降壓器的變動正如前面部分所提及的，硅降壓器對配備了電池測試電路的固定模式充電器來說是不常見的。在充電器的初始測試中，我們發(fā)現(xiàn)硅降壓器在電池測試時始終保持連接。另外，硅降壓器造成的電壓下降被設計成使充電時的輸出保持在48V上下。結果，每次測試進行時都會觸發(fā)“電池故障”和“低電壓”報警。在檢驗后，電池測試固件被修改成在測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，以避免維護時輸出低于48V+10%觸發(fā)低電壓報警。電池測試時充電器輸出特性在電池測試期間，給充電器加上一個阻礙負荷，這時充電器輸出會同時下降。如果電池負載失敗，假定由于電池開路、高阻抗連接等等，終端電壓將會崩潰，充電器輸出應該上升以恢復供電。這個要求需要充電器非?？斓捻憫獣r間，否則，電壓崩潰期間會觸發(fā)低電壓報警，電子繼電器會重置。在對各種型號的充電器的初始評估階段，我們發(fā)現(xiàn)一些使用常規(guī)的晶閘