220kV 祝桥变直流系统改造研究

摘要：220kV 祝桥变建成于2005 年11 月，电压等级为220/110/35kV，是萧山区供电公司220kV 网架上的一座重要的微机监控综合自动化变电站。随着

时间的推移，变电站的直流系统逐渐老化，隐患和缺陷日益增多，已不能满足枢纽变电站的需要与要求，亟需改造。

关键词：变电站；直流电源系统；设计；选型；改造

1 220kV 祝桥变直流系统的现状

现有的直流系统采用艾默生网络能源有限公司的高频开关电力操作电

源系统，型号为GZDW-44-120/220/20F1。该直流电源系统由交流配电、

HD22020-2 整流模块、PSM-A 监控器、直流馈线、蓄电池组、降压单元、

绝缘监测、电池监测、机柜等部分组成。

1.1 接线方式

现直流系统采用二电三充的接线方式，直流系统接线图如图1-1：

图1-1 直流系统接线图

其中，控制母线Ⅰ、Ⅱ段分列运行，控制母线ⅠⅡ段联络开关LK 分

位，合闸母线Ⅰ段、Ⅱ段分列运行。

1.2 馈线网络

馈线网络则采用集中辐射形与环形相结合的供电方式。其中，通讯、

远动机、照明逆变器、主控楼UPS 等采用集中辐射形供电方式；主控楼继

保室控制、保护和就地继保室控制、保护均采用环形供电方式。环形供电

以主控楼继保室为例，见图1-2：

图1-2 主控楼继保室直流馈线环网示意图

其中，主控楼继保室控制一（KM1）屏顶小母线带联络闸刀2K，主控

楼继保室控制二（KM2）屏顶小母线带联络闸刀9K、主控楼继保室保护

（JM）屏顶小母线无联络开关。正常运行时，相应的分段闸刀1K、3K、

10K、7K、4K 合，联络闸刀2K、9K、分段闸刀6K 分。

1.3 现有缺陷

祝桥变的直流系统设备日益老化，存在较多缺陷与隐患：

1）第一、二组蓄电池核对性充放电放电时间小于3 小时；

2）后台监控II 段直流巡检仪通道故障；

3)直流充电屏（三）中充电模块34P、36P 装置面板均无显示；

4）第二组绝缘监察仪误报“绝缘报警”。

2 220kV 祝桥变直流系统的改造

2.1 接线方式的改造

本次改造将原有的二电三充方式改为二电二充方式。二电三充方式前

期投入成本高，比二电二充方式多了一组充电装置并多占用了一个屏位；

并且一次接线过于复杂，备用充电装置的投切比较复杂，操作不当容易造

成直流负荷失去；此外直流接地查找相对繁琐，整体维护也比较复杂。而

二电二充方式，接线简单，可靠性也足够高。虽然取消了一组充电装置，

但充电装置采取N+1 的冗余配置，即使某组充电装置中的单只或几只模块

出现故障，也还能保证直流系统正常工作不影响。同时，取消第三套充电

装置，运维工作得以简化。改造后的接线方式图如图2-1 所示：

图2-1 改造后的接线方式图

正常运行时，控制母线Ⅰ、Ⅱ段仍为分列运行，控制母线ⅠⅡ段联络

开关LK 分位，合闸母线Ⅰ段、Ⅱ段分列运行。

2.2 馈线网络的改造

原有的馈线网络对于重要的控制与保护负荷采用环形供电的方式进行

供电。虽然其屏顶小母线都配置有分段总闸刀，有些还设置了联络闸刀，

但是直流馈线屏中的控制或保护空开跳闸后，仍需要人工检查故障点或者

人工送上联络/分段开关，装置断电时间过长，受影响的装置也很多，可靠

性不高。因此，本次改造将对这部分网络进行改造，由环形供电改为分层

辐射供电。其中，增加4 块直流分屏：主控楼继保室增加分屏一96P 和分

屏二49P，就地继保室增加分屏一75P 和分屏二76P。由各自的直流分屏对

上述的控制和保护装置进行供电。改造后直流分屏馈线网络均为分层辐射

形供电方式。由于网络结构相同，以主控楼继保室分屏一96P 为例，其网

络结构如图2-2 所示：

图2-2 主控楼继保室分屏一96P 网络结构图

主控楼继保室分屏一96P 的控制母线采用单母线分段形式，中间不设

联络开关。正常运行时直流馈线屏1 作为分屏一控制母线I 段的总电源，

直流馈线屏2 作为分屏一控制母线II 段的总电源。某一进线电源故障时，

可以通过1DK/2DK 选择控制母线I/II 的输入电源。

2.3 蓄电池的选择

2.3.1 蓄电池数量计算和校验

1）、蓄电池数量的计算

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2016.16

基层建设

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蓄电池个数应满足浮充电时合闸母线电压为1.05 的要求，蓄电池个

数应按下式(2-1)计算：

=102.7 (2-1)

式中： ——蓄电池的数量；

——直流系统的标称电压（V）；

——单体蓄电池的浮充电电压（V）。

考虑到直流系统中冲击负荷的存在，取蓄电池数量为108 个。

2）、蓄电池数量的校验

首先，根据单体蓄电池均衡充电电压值不应大于的规定，

校核单体蓄电池均充电压值是否在电池设计允许范围内。

(2-2)

式中： ——单体蓄电池均充电压（V）；

——直流系统标称电压（V）。

所以，其均充电压值小于该型蓄电池允许的最大均充电压2.35V。

其次，对单体蓄电池的事故放电末期终止电压进行校验。单体蓄电池

事故放电末期终止电压应按下式(2-3)计算：

(2-3)

式中： ——单体蓄电池允许放电终止电压（V）。

计算所得的单体蓄电池事故放电末期终止电压高于该型号产品规定的

最低允许值1.6V。

通过以上两方面的校验，蓄电池的个数满足需要。

2.3.2 蓄电池组容量计算和校验

1）、蓄电池组容量的计算。

根据220kV 祝桥变现有的规模和220kV 设备扩建的需要，统计各类直

流负荷的大小如表2-1：

表2-1 220kV 祝桥变直流负荷汇总表

根据变电站直流负荷来考虑蓄电池的容量大小：

(2-4)

式中， ——蓄电池10h 放电率计算容量（Ah）；

——蓄电池容量的储备系数，这里取1.3；

——事故时蓄电池长时间放电容量（Ah），220kV 祝桥变为无人

变电站，事故放电时间取2h；

——蓄电池容量换算系数。蓄电池组事故放电时间取2h，单体蓄

电池事故放电末期终止电压取1.8V，翻阅《电力工程设计手册－电气二次

部分》，查图24-31，得到KCC＝60。

根据计算所得的蓄电池10h 放电率计算容量，选用使用容量为400Ah

的蓄电池组。

2、蓄电池组容量的校验。

计算事故末期时，出现冲击负荷时的蓄电池电压，然后进行校验。首

先，得出事故末期蓄电池放电的放电率：

(2-5)

式中， ——事故末期的蓄电池放电电流（A）。

然后，计算事故末期蓄电池的冲击系数为：

(2-6)

式中， ——事故末期蓄电池受到的冲击电流（A），以220kV 侧

受到的最大冲击负荷为准，取10×4=40A。

结合Kchm 值和Km 值，翻阅《电力工程设计手册－电气二次部分》，

查图24-32，取得单体蓄电池的事故末期终止电压Uchm 为1.96V。此时，

直流系统母线电压为：

(2-7)

所以，选用容量为400Ah 的铅酸蓄电池是满足本站要求的。

2.4 充电装置的更换

充电装置额定电流的选择应满足下列要求：

1、浮充输出电流应满足浮充电要求。浮充输出电流应按铅酸蓄电池的

公式计算：

=0.01×40.3+18.8=19.2A (2-8)

式中， ——充电装置额定电流（A）；

——铅酸蓄电池lOh 放电率电流（A），查GFMD-400C 型阀控密

封式铅酸蓄电池的参数，取40.3A；

——直流电源系统的经常负荷电流（A），取值见表5-1。

2、应满足蓄电池充电要求，充电时蓄电池脱开直流母线，充电输出电

流应按下列公式计算：

(2-9)

3、应满足蓄电池均衡充电要求，蓄电池充电时仍对经常负荷供电，均

衡充电输出电流应按下列公式(2-10)计算：

(2-10)

综合的计算结果，取最大者69.175A 为充电装置的计算额定电流。

高频开关电源的模块配置和数量选择应按下列公式(2-11)计算：

1、基本模块的数量应按下式计算：

(2-11)

式中， ——高频开关电源基本模块数量；

——单个模块额定电流（A）。

取n1=4。

2、附加模块的数量的选择：

如果基本模块数量小于等于6 个，附加模块为1 个；基本模块数量大

于6 个时，附加模块取2 个。所以，本改造方案中，附加模块设计为1 个。

3、高频开关电源的模块的总数为：

(2-12)

式中， ——高频开关电源附加模块数量；

——高频开关电源模块总数量。

可见，选择输出DC220V 20A 每屏5 个电源模块的方案是符合220kV

祝桥变直流系统的总体要求的。

3 结束语

220kV 祝桥变作为萧山电网的枢纽变电站，有着举足轻重的作用。根

据变电站直流系统的构成要求和设计原则，对其直流系统提出的整体改造

方案，有效地消除了变电站运行的薄弱环节，保障了变电站的可靠运行。

参考文献

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专科学校学报：自然科学版．1991，21（10）：6-10

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理工大学．2015，25-30

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社．1991

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Mechanisms Design．2012：509-515

[6].孟轩．变电站直流系统运行的改进措施[J]．文摘版：工程技术． 2015，

25（6）：44-45

名称 单体负荷(W) 数量(个) 总负荷(W) 备注

220kV 进线保护 25 10 250

110kV 出线保护 25 6 150

母联、母分、备

自投

25 12 300

35kV 出线保护

测控

25 12 300

35kV 电抗器保

护测控

25 3 75

35kV 电容器保

护测控

25 4 100

35kV 接地变保

护测控

25 2 50

各类测控装置 25 32 600

主变保护 70 9 630

母差保护 25 7 175

监控系统 1500

事故照明 3000

试验电源 600

总计 7730

经常负

荷

PjC=413

0W

IjC=18.8

A

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