1選題背景

直流屏是直流電源操作系統(tǒng)的簡稱,其常常也被稱作智能免維護直流電屏,它是用來供應(yīng)直流電源的裝置?，F(xiàn)今許多發(fā)電廠及變電站中操作電力的電源采用的都是直流電源,它向控制負(fù)荷、動力負(fù)荷以及直流事故照明負(fù)荷等提供電源,是當(dāng)代控制、保護電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)。直流屏多應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的發(fā)電廠、水電站、各類變電站等,也應(yīng)用于石化、礦山、鐵路等行業(yè)中供電系統(tǒng),它還適用于開關(guān)分合閘及二次回路中的儀器、儀表、繼電保護和故障照明等場合。直流屏也是一種基于控制、保護、管理、測量的全新的數(shù)字化直流系統(tǒng)。直流屏通常包括整流模塊、監(jiān)控模塊、電池組、降壓單元、配電單元,整流模塊、監(jiān)控模塊、電池組、降壓單元、配電單元均安裝在標(biāo)準(zhǔn)配電柜內(nèi)。監(jiān)控模塊采用LCD顯示,按鍵操作,實現(xiàn)友好的人機界面,工作參數(shù)、故障狀態(tài)一目了然。

2功能介紹及設(shè)計

2.1實現(xiàn)兩路交流進(jìn)線自動切換

直流屏交流進(jìn)線分為主交流進(jìn)線與備用交流進(jìn)線,當(dāng)主交流進(jìn)線出現(xiàn)故障時,系統(tǒng)自動切換到備用交流進(jìn)線。

為直流屏配置交流進(jìn)線監(jiān)控模塊,能監(jiān)測進(jìn)線回路和每段母線的電壓、電流,并能根據(jù)這些數(shù)據(jù)判斷交流進(jìn)線的情況,從而控制選擇主交流進(jìn)線或備用交流進(jìn)線。

在這里我們選用艾默生EAU01智能交流配電監(jiān)控模塊,其面板端子圖如圖1所示。

端子P1+、P1-是該模塊的電源端子,用來給該模塊提供電源,端子NA、NB、NC用來監(jiān)測主交流進(jìn)線上的電壓,判斷主交流進(jìn)線狀態(tài),端子EA、EB、EC用來監(jiān)測備用交流進(jìn)線的電壓,判斷備用交流進(jìn)線的狀態(tài)。端子NR+、NR-、ER+、ER-分別用來控制交流進(jìn)線下端接觸器的吸合,為了避免接觸器同時吸合,實現(xiàn)兩路交流進(jìn)線互為閉鎖,在主交流進(jìn)線中的接觸器控制線路中接入備用交流進(jìn)線中的接觸器的常閉節(jié)點,同時也需要在備用交流進(jìn)線中的接觸器控制線路中接入主交流進(jìn)線中的接觸器的常閉節(jié)點。

通過以上設(shè)計,實現(xiàn)對兩路交流進(jìn)線的監(jiān)測與主交流進(jìn)線故障時的自動切換。

2.2充電功能設(shè)計

充電功能即整流模塊將交流轉(zhuǎn)換成直流的過程。在這個過程中,整流模塊輸出的電流一部分供設(shè)備使用,一部分需要對電池進(jìn)行充電。對電池充電一般分為兩種情況:均充、浮充。均充充電較快,它以定電流、定時間的方式對電池充電。當(dāng)電池充滿狀態(tài)時,整流模塊并不會停止向電池充電,仍會提供恒定電壓和很小的電流為電池充電。這主要是因為,不管電池是否在使用,都會自然地釋放電能,所以利用浮充這種方式,可以彌補這種自然放電。因此,整流模塊需要有監(jiān)測直流輸出電壓、電流的功能,并據(jù)此進(jìn)行均充、浮充選擇?，F(xiàn)有的整流模塊智能程度比較高,基本都具有這種功能,因此不需要我們做過多的設(shè)計。在這里我們使用艾默生的ER22010/T整流模塊,該系列是艾默生最新產(chǎn)品,具有過壓保護、欠壓保護、輸出電流短路保護等,性價比較高。

2.3直流饋線監(jiān)測模塊設(shè)計

直流饋線監(jiān)測模塊主要用于監(jiān)測系統(tǒng)中的直流電壓、直流電流、母線絕緣,并能控制降壓硅鏈,實現(xiàn)合母電壓和控母電壓的自動調(diào)節(jié)。直流饋線監(jiān)測模塊我們使用艾默生的EDU01模塊,該模塊的端子如圖2所示。

端子HM+、HM-用于監(jiān)測合閘母線電壓,端子KM+、KM-用于監(jiān)測控制母線電壓,為了確保安全,這四個端子在與母排連接中間需要加入熔斷器。

端子IB+、IB-用于監(jiān)測電池電流,端子IZ+、IZ-用于監(jiān)測負(fù)載電流,VB+、IB+用于監(jiān)測電池電壓。

K1、K2、K3用于控制降壓硅鏈,實現(xiàn)合母電壓、控母電壓的自動調(diào)節(jié)。在220V的直流屏系統(tǒng)中,直流輸出的額定電壓是220V,合母電壓應(yīng)為額定電壓的87.5%～112.5%,控母電壓應(yīng)為額定電壓的85%～110%。為保證系統(tǒng)中既有合母電壓也有控母電壓,我們通過降壓硅鏈實現(xiàn)該目標(biāo),通過將合母電壓適當(dāng)降壓來得到控母電壓,從而滿足系統(tǒng)要求。我們用直流饋線監(jiān)測模塊上K1/K2/K3端子、繼電器、降壓硅鏈實現(xiàn)7級降壓,每級5V。控制連接如圖3所示。

繼電器狀態(tài)與降壓硅鏈所降電壓的關(guān)系如表1所示。

2.4電池監(jiān)測儀

直流屏中配備電池監(jiān)測儀,主要用來監(jiān)測電池組單個電池的電壓。在這個設(shè)計中,我們選用艾默生EBU01電池監(jiān)測儀對電池組進(jìn)行監(jiān)測。為了保證該模塊的安全,為該模塊的電源端子以及用來采集單個電池電壓的端子接上300VDC直流熔斷器。

EBU端子如圖4所示。

Tx-、Tx-為通信線,TP1、TP2用來連接溫度傳感器,每個電池的正極連接到1+～24+端子上,每個電池的負(fù)極串聯(lián),并連接到24-,當(dāng)電池不足24個時,將多余的正極端子串聯(lián)到24-上。在設(shè)計方案中,用到的電池數(shù)為18個,將18個電池的正極分別連接到1+～18+端子上,將電池負(fù)極串聯(lián)起來連接到24-端子上,并將19+～24+端子串聯(lián),連接到24-端子上。

2.5監(jiān)控功能

智能一體化電源系統(tǒng)的監(jiān)控功能應(yīng)集成在信息一體化平臺中實現(xiàn)。主界面應(yīng)顯示智能一體化電源系統(tǒng)的主接線圖,正確反映智能一體化電源各功能單元的實時運行工況和信息。智能一體化電源各功能單元均有獨立的子界面,子界面能以模擬圖等方式顯示。

3電池容量設(shè)計及充電模塊計算

3.1電池容量設(shè)計

電池容量設(shè)計基于直流負(fù)荷的統(tǒng)計,直流負(fù)荷按性質(zhì)可分為經(jīng)常負(fù)荷、事故負(fù)荷、沖擊負(fù)荷。經(jīng)常負(fù)荷主要是保護、控制、自動裝置和通信設(shè)置。事故負(fù)荷是指停電后必須由直流系統(tǒng)供電的負(fù)荷,如UPs、通信設(shè)置等。沖擊負(fù)荷是指極短時間內(nèi)施加的大電流負(fù)荷,比如斷路器分、合閘操作等。根據(jù)上述三種直流負(fù)荷統(tǒng)計就可以計算出事故狀態(tài)下的直流持續(xù)放電容量。

一般220kV變電站直流系統(tǒng)的蓄電池要選擇兩組,電池容量150～200Ah:110kV變電站直流系統(tǒng)的蓄電池要選擇一組,電池容量100～150Ah:35kV變電站直流系統(tǒng)的蓄電池要選擇一組,電池容量50～100Ah。此次設(shè)計電池容量為100Ah。

3.2充電模塊計算

充電模塊的數(shù)量是基于電池容量來計算的。充電模塊數(shù)量的配置需全部模塊額定電流總值≥最大經(jīng)常負(fù)荷加蓄電池充電電流(蓄電池充電電流按0.1C10～0.2C10）。如100Ah的蓄電池組其充電電流是0.1C×100=10A,在不計算經(jīng)常負(fù)荷的情況下選用額定電流5A的模塊,2個模塊就可滿足對蓄電池充電的需求,設(shè)計時要實現(xiàn)N+1冗余,因此總共選擇3個5A模塊。

4結(jié)語

設(shè)計直流屏,不但要根據(jù)實際情況,選擇合適的容量及充電模塊的數(shù)據(jù),還應(yīng)該充分利用交流進(jìn)線監(jiān)控模塊、直流饋線監(jiān)測模塊、電池監(jiān)測儀等模塊實現(xiàn)對直流屏系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)測。除此之外,還需對斷路器的規(guī)格、熔斷器的熔斷能力、線纜的直徑等進(jìn)行計算選擇,從而保證整個系統(tǒng)的可靠性。