1、PZ61型直流操作电源设计摘要：直流操作电源在发电厂和变电站中占有极其重要的地位，它主要为控制、信号、保护和自动装置，以及断路器电磁合闸、直流电动机、交流不停电电源、事故照明等提供直流电源。本次毕业设计首先分析了直流操作电源在国内外的发展现状，研究了现有与系统设计有关模块的功能，在对系统进行了理论分析和工程计算后，设计出了含有高频整流模块、蓄电池组、硅堆降压单元、绝缘监测装置、电池巡检装置、配电监测单元和集中监控装置的 PZ61 型直流操作电源，在工厂中依据设计好的原理图和配线图生产出了相应的产品，并对之进行了调试和数据分析，保证了整套设备的正常工作。关键词：操作电源 整流模块 直流母线 目
2、录 1.直流操作电源的发展历程 .51.1 问题的提出及研究意义 .51.2 直流操作电源技术研究现状 .51.3 直流操作电源的设备技术发展现状 .71.4 本次毕业设计研究内容 .92.PZ61 型直流操作电源系统设计 .102.1 系统总体设计 .102.2 直流系统的工作过程分析 .112.2.1 交流正常工作状态： .112.2.2 交流失电工作状态： .122.2.3 系统工作能量流向： .122.3 直流操作电源系统的单元设计 .132.3.1 交流配电单元设计 .132.3.2 直流配电单元设计 .142.3.3 高频整流模块功能 .162.3.4 硅堆降压单元功能 .192.
3、3.5 绝缘监测单元功能 .202.3.6 电池巡检单元功能 .232.3.7 配电测控单元功能 .262.3.8 微机监控单元功能 .273 计算与设备选择 .303.1 防雷单元的选择 .303.2 交流进线断路器和接触器的选择 .313.3 蓄电池组选择计算 .323.4 导线截面选择 .333.5 其它设备选择 .354 产品调试 .364.1 调试设备 .364.2 调试过程 .364.3 发现问题及解决办法 .384.4 调试数据记录与分析 .395 总结及展望 .405.1 本文所做主要工作及结论 .405.2 本文不足及展望 .42致谢参考文献1. 直流操作电源的发展历程在发电
4、厂和变电站中，为控制、信号、保护和自动装置（统称为控制负荷） ，以及断路器电磁合闸、直流电动机、交流不停电电源、事故照明（统称为动力负荷）等供电的电源统称为操作电源，在操作电源中，主要分为两大类：交流电力操作电源、直流电力操作电源。交流电力操作电源一般仅用于小型配电房。在规模较大的变电所和发电厂中直流电力操作电源的应用更为广泛。1.1 问题的提出及研究意义随着经济和技术的快速发展,人们对电力供电提出了更高的要求,新型自动化配网设备逐步投入应用:储能式电动分合闸、微机继电保护、网络化远程监控等，这些设备的可靠供电是系统安全运行的前提条件。采用科技合理的高效电源系统，可提高供电的可靠性和效能，降低
5、运行维护工作量，针对电力系统高可靠和高性能要求而设计的直流操作电源是新一代的直流电源设备，主要应用于小型开关站和用户终端，为二次控制线路（如微机保护等智能终端及指示灯、模拟指示器等）提供可靠的不间断工作电源，避免交流失电时导致微机保护失去保护作用，解决因操作过程电压及谐波等因素使 UPS 失效从而导致微机保护失效的问题。同时还可为符合直流操作电源功率要求的一次开关设备（弹簧机构真空断路器、永磁机构真空断路器、电动负荷开关等）提供直流操作电源。如何使用现有的单元模块，设计出一套高效、合理的直流操作电源，同时能够满足用户在各馈电线路的要求，是各设计员工作的重心所在。本次 PZ61型直流操作电源设计
6、，可以让个人进一步了解变电站和发电厂中直流操作电源的工作原理，对电源屏内部的电气模块有深刻的了解，同时也可以给其它工作者在直流电源屏设计提供模板，方便以后的工作。本次毕业设计也可以提高我查阅资料的能力，补充自己大学期间学习的不足，为以后的工作提供方便。1.2 直流操作电源技术研究现状根据组成方式不同，在发电厂和变电站中应用的有以下几种直流操作电源：电容储能式直流操作电源：是一种用交流厂（站）用电源经隔离整流后，取得直流电为控制负荷供电的电源系统。正常运行时，它给和保护电源并接的超大容量的电容器组充电，使其处于荷电状态；当电站发生事故时，电容器组继续向继电保护装置和断路器跳闸回路供电，保证继电保
7、护装置可靠动作，断路器可靠跳闸。这是一种简易的直流操作电源，一般只是在规模小、不很重要的电站使用。复式整流式直流操作电源：是一种用交流厂（站）用电源、电压互感器和电流互感器经整流后，取得直流电为控制负荷供电的电源系统，在其设计上，要在各种故障情况下都能保证继电保护装置可靠动作、断路器可靠跳闸。这也是一种简易的直流操作电源，一般只是在规模小、不很重要的电站使用。蓄电池组直流操作电源：由蓄电池组和充电装置构成。正常运行时，由充电装置为控制负荷供电，同时给蓄电池组充电，使其处于满容量荷电状态；当电站发生事故时，由蓄电池组继续向直流控制和动力负荷供电。这是一种在各种正常和事故情况下都能保证可靠供电的电
8、源系统，广泛应用于各种类型的发电厂和变电站中。在 1955 年以前，国内发电厂和变电站的建设规模较小，其直流操作电源系统大多采用 110V、单母线和不带端电池的蓄电池组。1956 年以后，发电厂和变电站的建设规模增大。这是引进了当时苏联的设计技术，在所有新建和扩建的发电厂和变电站中，都采用了 220V、带端电池的蓄电池组，并根据工程规模的大小，采用单母线或双母线接线。这个时间的设计，是充分利用了蓄电池的容量和具有较小的电压波动范围，但代价是采用了较复杂的接线。1984 年以后，随着欧美设计技术的引进，以及发电厂和变电站建设规模的不断增大，在直流操作电源系统的设计上，又开始普遍采用单母线接线和不
9、带端电池的蓄电池组，对于控制负荷则推行采用 110V 电压，而动力负荷则采用220V 电压。这一期间设计的主导思想，则是以适当加大蓄电池的容量，允许电压有较大的波动范围为代价，达到简化接线、提高可靠性的目的。六十年代以前，国内设计的发电厂采用主控制室方式。在容量较小的发电厂中，装设一组蓄电池组构成的直流操作电源系统；在较大容量的发电厂中，则装设由两组蓄电池构成的直流操作系统；其接线采用单母线或双母线，但对于容量较大的发电厂，则广泛采用双母线接线。七十年代以后，单元制发电厂随着机组容量的增大而普及。在单元制发电厂中，直流操作电源系统按单元配置。七十年代到八十年代初期，一般是一个单元配置一套由一组
10、蓄电池组构成的控制、动力混合供电的 220V 操作电源。从八十年代后期开始，对于 200MW 以上的大机组电厂，则每一单元配置两套直流操作电源：一套 220V 由一组蓄电池构成，专供动力负荷；另一套 110V 由两组蓄电池构成，专供控制负荷。同时，在一些辅助车间，如水泵房、输煤控制楼等处，开始应用由小容量的蓄电池组构成的操作电源系统。对于 220KV 及以下电压等级的变电站，一般装设由一组蓄电池组构成的直流操作电源；对于容量较大和 500KV 以上的大型变电站，则装设由两组蓄电池组构成的直流操作电源；对于 220KV 的变电站，2002 年国家电力公司要求全部装设两组蓄电池组。这一发展过程表明
11、，随着大机组、超高压工程的发展，人们更加关注的是直流操作电源的可靠性，并为此提高适当提高电池组的容量和增加数量，普遍采用单母线接线方式，提高了工程造价（详见参考文献2） 。1.3 直流操作电源的设备技术发展现状在直流操作电源系统中，主要的设备有蓄电池组、充电装置、绝缘监测装置以及控制保护等设备。随着制造技术的发展，几十年来也发生了很大的变化。蓄电池组型式，在七十年代以前发电厂和变电站中应用的都是开启式铅酸蓄电池，使用的容量逐渐增加，单组额定容量达到了 14001600Ah。七十年代以后，开始应用半封闭的固定防酸式铅酸蓄电池，并逐步得到普遍采用。到八十年代中期以后，镉镍碱性蓄电池以其放电倍率高、
12、耐过充和过放的优点，开始在变电站中得到应用，但由于价格较高，一般使用的都是额定容量在 100Ah以内的，限制了其应用的范围。九十年代发展起来的阀控式铅酸蓄电池，以其全密封、少维护、不污染环境、可靠性较高、安装方便等一系列的优点，在九十年代中期以后等到普遍的采用。回顾蓄电池的变化可知，蓄电池在向维护工作量小、无污染、安装方便、可靠性提高的方向发展。虽然提高蓄电池的寿命是一重要课题，但在提高寿命方面国内的技术进展不大，一般的阀控式铅酸蓄电池在 510 年之间，低的只有 35 年；目前国外的技术一般可以做到 1015 年，高的达到 1820 年。而且，国内市场的恶性竞争环境，使许多蓄电池制造厂不愿在
13、设计寿命上投资，提高制造成本。需要说明是，蓄电池的使用寿命，在很大程度上要依靠正确的运行和维护。对于充电装置，在七十年代以前，主要是用电动直流发电机组作充电器；七十年代开始应用整流装置，并逐渐取代了电动发电机组，得到普遍的应用。八十年代以前，考虑到经济性和运行的稳定性，对充电和浮充电整流装置采用不同的容量设计。1984 年以后，对充电和浮充电整流装置开始采用相同的容量设计，使之更有利于互为备用，并且这种作法被普遍接受。充电装置的配置方式是：一组蓄电池的直流操作电源系统配置两组充电装置，两组蓄电池的直流操作电源系统配置三组充电装置。1995 年以后，随着高频开关型整流装置的普及，考虑到整流模块的
14、 N+1(2)冗余配置和较短的修复时间，大量采用一组蓄电池配置一组充电装置的方式。作为充电器的整流装置，多年来在不断的发展改进，七十年代是分立元件控制的晶闸管整流装置，可靠性和稳定性较差，技术指标偏低。八十年代发展为集成电路控制的晶闸管整流装置，可靠性和稳定性以及技术指标得到较大的提高，这一时期的晶闸管整流控制技术也日臻成熟，并具备简单的充电、浮充电和均衡充电自动转换控制功能。进入九十年代以后，随着微机控制技术的普及，集成电路控制型晶闸管整流装置逐渐被微机控制型晶闸管整流装置取代，使整流装置的稳流和稳压调节精度得到较大的提高，并且自动化水平的提高可以实现电源的“四遥” ，为实现无人值班创造了条
15、件。1996 年以后，随着高电压、大功率开关器件和高频变换控制技术的成熟，高频开关整流装置以其模块化结构、N+1(2)并联冗余配置、维护简单快捷、技术指标和自动化程度高的优点，得到迅速的推广和普及。目前，这种高频开关型整流装置已成为市场的主角，未来几年不会有新的整流装置替代。绝缘监测装置是直流操作电源系统不可缺少的组成部分，用于在线监测直流系统的正负极对地的绝缘水平。在八十年代以前，一直是采用苏联技术设计的、以电桥切换原理构成的绝缘检查装置，用继电器、电压表和切换开关构成，具有发现接地故障、测量直流正负极对地绝缘电阻和确定接地极的功能。八十年代，在此原理技术上，国内制造了用集成电路构成的绝缘监
16、测装置，并把母线电压监视功能与之合并在一起，提高了装置的灵敏度和易操作性。上述的绝缘监测装置，在直流系统发生接地故障时，只能确定哪一极接地，而不能确定哪一条供电支路接地，在运行维护中查找接地点非常麻烦，并且存在监测死区。针对这种情况，国内在九十年代以后，采用微机控制技术，开发制造了具有支路巡检功能的绝缘监测装置。其不但能够准确的测量直流系统正负极的接地电阻，同时还可以确定接地支路的位置。当前这种具有支路巡检功能绝缘监测装置得到普遍的应用，技术的发展围绕支路巡检功能展开，早期全部采用低频叠加原理，目前以直流漏电流原理为主，两种原理各有优缺点。蓄电池组、充电装置和直流馈电回路，多年来一直用熔断器作
17、短路保护，用隔离开关作回路操作，直到现在仍在普遍使用。进入九十年代以来，随着技术的发展，这些老式的保护和操作设备逐渐被具有高分断能力和防护等级的新型设备替代。到 1996 年以后，开始用带热磁脱扣器的直流自动空气开关，兼作保护和操作设备，为直流屏的小型化设计创造了条件。目前，这种直流专用空气开关在直流系统中已普遍的应用，并开发出具有三段式选择性保护功能的直流空气开关产品（见参考文献 10、11） 。1.4 本次毕业设计研究内容本次毕业设计围绕四川西昌 10KV 星光嘉苑开关站新建工程的 220V 直流系统展开，工程规模：2 回 10KV 进线，3 回 10KV 出线，出线侧接 2 台 1250
18、KVA和 1 台 630KVA 变压器；使用条件：日最高温度 45，日最大温差 15，海拔高度为 1700m；本新建工程要求的设备清单：微机直流监控装置一台、整流模块三台、绝缘监测装置 1 台、硅堆降压装置 2 台、蓄电池巡检装置 1 台、蓄电池为德国阳光电池 AM42-65AH，其它设备由设计员选择；设计要求：本直流电源系统由一面直流馈电屏和一面电池屏组成；其通信接口采用 RS485，要测量的信息量有控母电压、整流器电压、整流器电流、交流进线电压、电池组电压和电池组电流，遥信量包括输入交流电源故障、蓄电池电压异常、控母电压异常、整流模块故障、直流系统接地。我要研究的内容为：提出直流操作电源的
19、整体结构和设计方案，选择主电路的拓扑结构及各模块的型号规格，采用新型监控模块，在线实时检测各支路的工作状态，完成各开关量的辅助触点设计，对生产出的产品进行调试等。具体流程为在设计过程中要先熟悉整流模块、微机监控模块、绝缘监测装置、硅堆降压单元、电池巡检单元等模块的工作原理，做出系统总体设计，同时要分析系统的工作过程；在设备选择中，要运用工程计算，选择导线、开关、避雷器、熔断器、变送器等元器件的规格；经过以上准备后用 AUTOcad 绘制出直流系统的原理图和配线图；由工厂生产本次设计的产品，之后要对其进行调试，分析调试记录，然后到现场使用。2. PZ61 型直流操作电源系统设计2.1系统总体设计
20、本次设计的 PZ61 型直流操作电源系统是由交流配电单元、高频整流模块、蓄电池组、硅堆降压单元、绝缘监测装置、电池巡检装置、配电监测单元和集中监控装置等部分组成。系统构成原理接线如图 2-1。2.2直流系统的工作过程分析交 流 输 入 交流配电单元 整 流 模 块整 流 模 块整 流 模 块 硅堆降压配 电 检 测 电 池 巡 检 绝 缘 检 测监 控 模 块无 源 触 点 至 电 站 监 控 系 统 动力母线 控制母线RS485JRS485 RS485RS485 RS485图 2-1 高 频 开 关 直 流 操 作 电 源 系 统 构 成 原 理 接 线 图控 制 输 出动 力 输 出2.2
21、.1交流正常工作状态：系统的交流输入正常供电时，通过交流配电单元给各个整流模块供电。高频整流模块将交流电变换为直流电，然后经保护电器(熔断器或断路器)输出，一方面给蓄电池组充电，另一方面经直流配电馈电单元给直流负载提供正常工作电源。交流配电单元：将交流输入电源分配给各个整流模块，并装设 C 级和 D 级防雷模块，能有效吸收电网浪涌电压，将雷电感应和线路操作产生的过电压危害降至最小，保障整流模块安全工作。对具备两路交流输入电源的系统，可实现两路电源的自动转换。高频整流模块：将交流输入电源变换为直流电输出，正常受监控装置的控制，实现对蓄电池组的恒压限流充电和自动均充浮充转换等操作。当集中监控装置故
22、障退出时，充电模块自动进入安全模式，按预设的浮充电压值继续运行。硅堆降压单元：根据蓄电池组输出电压的变化自动调节串入降压硅堆的数量，使直流控制母线的电压稳定在规定的范围内。当提高蓄电池的容量，减少整组串联的个数时，可以取消硅堆降压单元，达到简化系统接线、提高可靠性的目的。绝缘监测装置：实时在线监测直流母线的正负极对地的绝缘水平，当接地电阻下降到设定的告警电阻值时，发出接地告警信号。对于带支路巡检功能的绝缘监测装置，还可以定位接地故障点发生在哪一条馈电支路中。电池巡检装置：实时在线监测蓄电池组的单节电压和内阻，当单体电池出现开路时，发出单体异常告警信号。通过该装置可以使维护人员随时了解蓄电池组的
23、运行状况，提高蓄电池运行管理的自动化水平。配电监测单元：采用数字变送测量仪表实时采集系统中的交流配电回路，充电装置、蓄电池组和直流配电回路的运行参数（模拟量） ；采用开入模块采集各配电回路设备的状态和告警触点信号（开关量） 。数据上传到监控装置进行显示、告警等处理。电源监控模块：采用集散方式对电源系统进行监测和控制。通过 RS485 串口分别与系统各配电回路的智能设备（高频整流模块、绝缘监测装置、电池巡检装置、数字变送仪表和开关量采集模块）连接，接收处理上传信息，通过LCD 实时显示系统中各设备的运行状态、运行参数、告警信息等内容，系统运行的相关参数可通过 LCD 进行设置和维护。同时监控模块
24、可通过 RS485 串口、光纤或以太网接入电站自动化系统，实现对电源系统的远程监控，满足“四遥”和无人值守的要求。此外，监控装置具备完善的智能电池管理功能，它能对电池的端电压、充放电电流、电池房环境温度等参数作实时的在线监测，可准确地根据电池的充放电情况估算电池容量的变化，还能在电池放电后按用户事先设置的条件和运行参数，通过调节整流器的输出电流和电压，自动完成电池的限流充电和均浮充转换，并可以自动完成电池的定时均充维护和均浮充电压温度补偿工作，实现了全智能化，不需要任何人工干预，保证蓄电池组能正常工作，最大限度地延长电池的使用寿命。2.2.2 交流失电工作状态：系统交流输入故障停电时，充电模块停止工作，由蓄电池组不间断地给直流负载供电。微机监控装置时实监测蓄电池组的放电电压和电流，当电池放电至设定的终止电压时，监控装置告警。2.2.3 系统工作能量流向：正常工作时，来自外界的的交流电源输入，经交流配电单元给各整流模块供电。高频整流模块将交流电变换为直流电，经直流配电单元中的保护电器输出，一方面给蓄电池组充电，另一方面经直流配电馈电单元给直流负载提供正常工作电源。交流电源发生故障时，充电模块停止工作，由蓄电池组不间断地给直流负载供电。微机监控装置时实监测蓄电池组的放电电压和电流，当电池放电至设定的终止电压时，监控装置告警。系统工作时的能量流向如图 2-2。
