直流分布（精选6篇）
直流分布 篇1
0 引言
变电站的直流系统为站内的控制、继电保护、信号等系统提供电源。直流系统包括蓄电池、充电机、电压及绝缘监测装置、直流母线及馈线网络。直流系统为不接地系统, 当发生一点接地时, 非接地点电压升高, 通过分布电容产生充、放电电流, 可能造成跳闸, 中间继电器误动。若不能及时处理容易发展成两点接地, 造成继电保护误动、拒动。
在尚未进行直流改造的变电站发生直流接地后, 一般先由运行人员采取拉路法确定直流接地间隔, 再通知继保人员逐级查找, 工作效率低且风险大, 容易造成事故。采用信号注入法原理制成的直流接地检测装置受分布电容影响较大。本文在比较2种查找方式优缺点后, 着重了分析了分布电容对直流接地查找的影响, 并结合实例探讨了如何采用积分原理提高接地检测装置的性能。
1 现状简介
1.1 拉路法
尚未安装微机接地检测装置的变电站, 采取按路寻找、分段处理的方法, 按照一定的原则短时断开各直流负载, 若负载中的直流接地点被断开, 直流系统将恢复绝缘。这种方法原理简单, 但实际应用起来有如下缺点:
(1) 查找过程中直流负载需要短时停电;
(2) 仅将接地范围缩小至某负载空开范围内, 进一步查找需拆动直流回路二次小线, 在操作过程中容易造成误动、误碰;
(3) 直流电源拉合过程中, 直流对地电容的充、放电流容易造成继电保护设备误动。
1.2 利用直流绝缘监测装置
近年来, 大部分变电站直流系统都安装了微机型直流绝缘监测及选线装置, 该装置大多采用“电桥平衡”“低频信号注入”等原理。在直流屏各负载处安装穿心式小电流互感器, 各互感器感应到的信号经过直流接地选线装置分析判断, 确定直流接地的分支回路。
绝缘监测装置的等效原理如图1所示, 绝缘监测装置内部可简单等效为一平衡点桥, 平衡点通过高阻R2接地, 正常运行时A点电位为零。
系统一旦出现接地, 如图2中负接地, 高阻R2和直流接地点形成回路, A点电位不为零, 回路中存在接地电流Ig。此时流经支路1的CT1和支路2的CT2中电流I+与I-产生的磁通平衡, 而CT3中感应到不平衡电流Ig产生的磁通, 从而判断出CT3所在的支路存在接地点。
通过绝缘监测和选线装置能快速定位到接地点所在的支路, 而且不用拉停负载, 较拉路法有了明显的进步。但由于不可能在各级直流负载均安装小CT, 若要准确找出接地点, 还需进一步检测。
“低频信号注入法”近来广泛应用于各种便携式直流接地检测装置中。其原理如图3所示。在直流系统叠加一低频电流信号源I, 该信号源通过直流接地点与测试仪主机形成回路, 用便携式钳形表检测该信号所经过的途径, 逐级查找能获取准确的接地点。
2 分布电容的影响
采用直流绝缘监测及选线装置与便携式直流接地检测装置理论上可以做到直流系统不停电方式下的直流接地检测。但在实际应用中, 受直流系统分布电容影响, 可能无法查找到接地点。文[1]根据国家电网有关规程给出了便携式直流接地检测装置判断是否接地的门槛值, 并进一步分析了在一定分布电容情况下, 检测装置可能会误判。
变电站内保护及控制常用电缆一般为KVVP22带屏蔽层多芯电缆, 芯线截面积多为2.5 mm2。文[2]对变电站内常用电缆对屏蔽层分布电容进行了仿真计算, 并通过实测比较验证了其误差在允许范围内。根据国家电网18项反措要求, 变电站内控制及信号电缆屏蔽层通过4 mm2软铜线在电缆两端接地, 故电缆芯线对地电容可等效为对屏蔽层电容。
考虑到接地检测仪可能造成漏判或误判的原因是无法区分接地支路和非接地支路的测量电流特征量, 因此将分布电容等效为C1及C2集中参数电容, 将检测过程划分为非接地支路和接地支路电流测量两种情况, 具体如图4、5所示。其中Rg=10kΩ为直流接地电阻, 其值应考虑出口中间继电器线圈阻值 (2.5kΩ) 及不完全接地时绝缘电阻值, 同时应不大于直流接地告警门坎值 (2004年国家电网标准110V直流系统为15kΩ) ;C1=C2=5μF为对地分布电容等效为集中参数的情况;I=5m A, 频率为1, 即幅值为5m A的低频方波电流信号源。
采用钳形表测量非接地支路时, 流过钳形表的电流为该支路下对地电容C2的电流i2。在半个周期 (0.5s) 内, 电流i2为幅值为I的阶跃响应电路, 根据图5列出微分方程如下:
解微分方程可得:
采用钳形表测量接地直流支路时, 流过钳形表电流为流过Rg的电流i1。在半个周期 (0.5s) 内, 电流i1可表示为:
由式 (1) 、 (2) 可知, 半个周期内非接地支路电流按时间常数τ=2RgC2=0.1s衰减, 而接地支路电流按该时间常数增加。若在接地电阻或分布电容稍大或更大的情况下, 接地支路和非接地支路电流瞬时值交替变化, 接地检测装置难以通过设定适当的门槛区分接地支路电阻电流和非接地支路的电容电流, 很可能造成接地检测装置的误判或漏判。
3 对策探讨
基于上述分析, 非接地支路与接地支路电流波形如图6、7所示。
由图6、7可知, 在每半周期内的初始阶段非接地支路电容电流幅值大于接地支路, 在t=0.2s时, 电容电流已小于接地支路阻性电流。
对于信号注入法中消除分布电容干扰近来已有相关探讨, 大多采用数学方法提高接地电流大小和相位测量精度, 如文[4]中提出了用小波变换提取接地电流中阻性分量以消除电容电流的干扰, 在理论及仿真上取得较好的效果。在实际应用中, 变电站内复杂的电磁干扰、仪器制造成本以及测量过程中的误差对检测结果产生较大的影响。
根据接地支路与非接地支路的等效电路特点, 即接地支路中包含电阻电流, 而非接地支路中主要为电容电流。在一个周期内的充、放电过程中, 包含电阻的接地支路为充电过程, 而非接地支路中电容电流为放电过程。在1个周期内, 充电过程积分远远大于放电过程。
其中S1为接地支路中电流1个周期内积分;S2为非接地支路中电流1个周期内积分。
结合实际检测过程, 若钳形表所测支路包含接地支路电阻和非接地支路一部分电容电流, 则S1与S2差值扩大;考虑最不利情况全站电容电流全部流过所测量的非接地支路, 则S2为2.0, 与S1的差值仍可以作为判断接地与非接地支路的判据。实际目前变电站内直流基本采用辐射型接线, 非接地支路电容电流不可能大于全站电容电流的一半。该方法计算简单, 积分差值在1个周期内保持不变, 受现场测量环境影响较小。
基于积分法检测接地点的误差主要受时间常数τ及注入信号的频率影响:时间常数及频率越大, 周期内电容电流衰减越慢, S1与S2差值越小。直流对地绝缘大于20 kΩ时不会引起直流接地告警;另一方面, 普通规模的220k V变电站 (包括12个220k V间隔, 36个35k V间隔) 的对地电容不大于10μF。考虑上述极端情况, S1与S2差值将不明显, 此时只需将注入信号频率降为0.5, 仍能取得较好效果。
4 结论
从目前应用情况来看, 采用注入低频信号检测直流接地可大大提高直流接地查找工作的效率, 降低风险, 其低功率、低频信号对继保、自动化设备的影响也不大。但在分布电容较大或直流不完全接地情况下, 可能会出现误判、漏判情况。本文就这一问题根据国家电网相关标准及变电站内直流电缆型号及敷设情况, 量化分析了分布电容、接地电阻及低频信号频率对判断结果的影响, 探讨了接地电流波形随上述因素的变化规律, 提出了采用积分法消除分布电容影响的可能性。
参考文献
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分布式直流监测系统的设计与实现 篇2
作为变电站继电保护、自动化等二次设备的运行电源,直流系统的安全运行是变电站保护及控制系统正常工作的基础,其重要性不言而喻。长期以来,直流系统中主要有两个重大隐患:直流接地和寄生回路。直流接地和寄生回路的发生,轻则使设备运行处于不正常工作状态,为运行人员提供错误信息,从而对正常运行操作和故障处理带来困难;重则引起继电保护误动或拒动,酿成大面积停电事故甚至设备损坏。在继电保护工作中,直流接地和寄生回路的查找较为困难,为此,本文研发了直流监测端子Dog,直流监测端子Dog可以通过检测支路差流及系统网络拓扑结构的变化及时发现直流接地或寄生回路。
直流监测端子Dog用以监测变电站直流系统负载侧,当有直流接地和寄生回路发生,Dog就会提示,基于此装置的分布式直流监测系统在220 kV、110 kV、35 kV等各等级变电站的应用中都产生了良好的效果。本文主要介绍基于直流端子Dog的分布式直流监测系统在变电站中的应用。
1 分布式的直流系统
如图1所示为典型的变电站直流系统,分为电源侧和负载侧,中间配置一个集中式的直流报警系统用以监视负载侧的直流对地绝缘状况。从图1中可以看到,负载通过直流母线引出,形成一个配电网式的多级树形结构。直流电源从电源侧引出是先上一条小母线;通过小母线再到负载或次一级的小母线;而次一级小母线可以继续向下到负载或再次一级小母线;以此类推,所以直流系统是一个分布式的系统。
直流端子Dog安装在任意空气开关的下侧,用以监测空气开关下的负载侧。由于直流系统的分布式结构,直流端子Dog也相应分布式的安装于直流系统的各个位置。相对于现有的集中式的直流报警装置,基于Dog的检测系统被称之为分布式直流监测系统。
2 直流监测端子Dog的工作原理
直流端子Dog是通过捕捉正负极间差流及网络拓扑改变来实现对直流接地和寄生回路的检测。正负极间的差流检测主要基于基尔霍夫电流定律。如图2所示,当异常发生时,相当于在负载或线路与接地网之间多出一条支路,会有电流通过地网和接地电阻流回电源,从而使得电源正负极出线流进电流与流出电流不相等,即有:
通过差流的检测即可识别异常。与此同时,由于支路的存在,直流回路的网络拓扑发生变化,从接地一侧的电源端看出去阻抗发生了变化。
以直流接地故障为例,如图2所示,i1,i2是流过端子的反相电流。当直流系统没有接地正常运行时(即设图中A点没有接地),△i=0,i1+i2=0,不存在差流,直流监测端子Dog不会报警。当直流系统中有接地故障发生时,如图所示,A点接地,就会产生差流Δi,使得i1+i2=△i;此时由于接地,直流回路的网络也发生变化,此时直流监测端子Dog就能检测出拓扑变化的存在,红灯常亮发出报警,工作人员就能知道直流系统内发生了直流接地故障。
对于寄生回路的检测也是相同,当两路直流系统之间出现了寄生回路,寄生回路上就会产生差流,并且整个网络拓扑也发生了变化,两边直流监测端子Dog会同时报警,就能及时发现寄生回路的存在。
3 分布式直流监测系统
3.1 全分布监测系统
直流监测端子Dog可分布于整个直流系统中任意一个点,为了完整的监测整个直流系统,在系统中每一个空气开关下侧都安装上直流端子,这样的分布方式称之为全分布监测系统。
图3所示为一个简化的全分布直流系统图。为了方便对全分布监测系统的描述,对系统中安排的直流端子Dog进行了编号。下面举例说明全分布直流监测系统的工作情况。
3.1.1 直流接地
如果图3所示的直流系统中负载1发生直流接地故障,那么毫无疑问,总的直流报警装置会报警,提示直流系统故障。此时,直流端子的情况,从高级到低级,依次Dog1,Dog1.1,Dog1.1.1都会发出报警信号。工作人员可以通过逐层查找,最后把接地的范围确定在负载1的区域。同样地,如果负载5区域发生直流接地,那么Dog1,Dog1.3就会报警,以提示接地点发生的最小范围。
当然也可能不是最底层负载接地,而是线缆或小母线接地,相应地也可以确定最小范围。例如Dog1.1和Dog1.1.1之间的线缆发生接地,此时Dog1,Dog1.1会报警,而Dog1.1.1,Dog1.1.2都会报警,这样,就可以把范围缩小到Dog1.1之下,Dog1.1.1,Dog1.1.2之上。
目前的变电站直流系统的配置中,当发生直流接地时,总报警装置会报警,但要查找到具体的接地点,需要耗费大量的时间和精力,不利于系统的运行。全分布监测系统能把接地范围确定到一个很小的区域内,能使工作量大大减少,大幅提高工作效率。
3.1.2 直流寄生回路
如图3所示,当负载1和负载2之间存在寄生回路时,Dog1.1.1,Dog1.1.2报警,而其他直流端子都不报警;当负载1和负载3之间存在寄生回路时,Dog1.1,Dog1.1.1,Dog1.2,Dog1.2.1会报警,其他直流端子不报警;如果负载1和负载5之间存在寄生回路,Dog1.1,Dog1.1.1,Dog1.3会报警,其他直流端子不报警。根据上述分析,可以简单地判别出寄生回路发生的支路。
综合上述直流接地与寄生回路的情况,可以总结为:
a)从第一层直流端子到N层X直流端子,均发出报警,可以知道,在X端子下侧负载以下,N+1层端子以上发生了直流接地;如果某层有两个直流端子发出报警,而他们的上一层端子没有发出报警,那么可以确认,这两个端子的下侧负载之间存在了寄生回路。
b)如果两个直流系统之间发生寄生回路时,无法确认是存在寄生回路还是两个系统都存在直流接地,那么可以采用拉掉其中一个回路的方法;如果存在寄生回路,两个系统中直流端子的报警都会消失;如果是直流接地,那么另一路的直流端子报警仍会存在。
3.2 底层分布监测系统
所谓底层分布监测系统,即指整个分布式系统中,直流监测端子Dog只安装在最底层负载之上。比之全分布系统,这样做可以使成本大幅度降低,而直流系统中,在小母线和线缆上发生直流接地和寄生回路的概率很小,大部分故障发生在控制回路、保护、信号回路等负载侧。所以这是一种不完全但性价比较高的分布方式。
图4所示为一个简化的底层分布直流系统。由于Dog只安装在最底层负载区域之上,它将只能监测负载区域,它是全分布系统的一个简化版。
底层分布系统不具有全分布系统那么多层次,它只有一层。每一个直流端子都只监测其下的一个负载区域,其对故障的判断也相对简单:当某个直流端子发出故障报警,即意味着其下侧的负载区域发生了直流接地或与其他负载之间存在寄生回路。
3.3 按需配置的分布式监测系统
以上两种分布方式是较为常用的两种分布方式,然而并不是一定要按这两种方式来配置直流端子在系统中的分布,完全可以根据现场需求来对分布式系统做出调整。
从直流监测端子Dog的工作原理可以知道,即使系统中只安装一个直流端子,它也能够对其下侧的直流负载区域起到监测作用。当然单个的直流端子会使我们对其故障原因(直流接地或寄生回路)的判断发生困难。
因此,完全可以根据实际的需要,在直流系统中必要的位置安装直流监测端子,而在不重要或不必要的部分不进行安装。这样,分布式监测系统能获得最大的性价比和效率。
3.4 依据端子颜色判断端子位置
当采用了分布式的直流监测系统后,在现场有更简单的判断方式,那就是根据端子的颜色。
直流监测端子的外壳具有不同的颜色,利用这一点在设计分布式监测系统时可以根据端子所在的不同层次和不同回路使用不同颜色的端子。这样,在现场打开一个保护屏时,可以很容易地在一排直流端子中判断出哪个端子是用于哪个回路的。
例如,在一个35 kV线路保护屏,直流回路一般有保护回路、控制回路和信号回路,假设分别使用黑色、白色和绿色的端子对应不同的回路。如果发生接地,检查保护屏,会发现白色的端子告警,那么就知道是控制回路发生直流接地,方便检查。
4 结束语
基于直流监测端子Dog的分布式直流监测系统是现有的集中式直流报警系统的良好补充,其具有如下优点:
a)直流端子Dog能够发现寄生回路的存在,这是现有的直流报警系统所不具备的功能。
b)直流接地故障发生时,能够将可能故障区域确定在一个更小的范围内,方便工作人员的查找及维护。现有直流报警系统只能确定直流接地的存在,但不能发现直流接地的具体位置。
c)可按需配置的分布式监测系统。基于Dog的特点,使得这个分布式系统的配置完全可以取决于需要,既能够采用全分布的方式以使监测系统的功能达到最强,也可以采用底层分布方式或自配置方式以减低成本,提高性价比和效率。
综上所述,采用基于直流监测端子Dog的分布式监测系统对变电站直流系统的保护更完善、更高效、更安全。
参考文献
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直流分布 篇3
随着电力技术的发展、时代的进步, 配网设备也越来越自动化、智能化。在智能测控装置层出不穷的今天, 制约配网向自动化智能化发展的一大阻力便是缺少适合配网的、稳定、可靠的操作电源。配网现阶段设备操作电源主要有采用直流屏作为操作电源以及将PT将10k V系统电压逆变为交流220V来作为操作电源这两种方式。在实际使用上这两种方案各具优势和特色。但配网本身具有设备数量十分巨大、设备分布广且空间局促、设备运行环境恶劣复杂、维保工程量大等特点决定了配网直流电源设备必须满足体积小、对运行环境要求低、坚强可靠、尽可能免维护这些苛刻的条件。而这些苛刻的条件也就决定了直流屏作为操作电源以及PT逆变AC220V操作电源这两种方式都不能完全满足配网设备的实际要求。分布式直流电源是近年出现的新型的直流电源设备, 其本身特点满足未来配网发展的要求, 将会在配网自动化、智能化的发展趋势下不断推广使用。
1 PT逆变作为操作电源的情况分析
在小型10k V配电室配网典型设计中, 出于造价、运维成本等方面因素考虑, 通常是通过PT将10k V电源逆变为AC220V为高压柜等配电设备提供操作、控制、保护、信号等回路所需的电源。在一些带有保护装置的环网柜、柱上开关也经常采用这种方式作为操作电源。这种操作电源的方式占用空间小、实施简单、易于安装、经济实用、维护费用低, 但控制电源输出不稳定、可靠性不高。
1.1 PT逆变的方式在设备发生故障时易失去操作电压
2013年, 襄阳市余家湖工业园某建材厂变压器发生低压绕组内部线圈短路时, 高压进、出线柜由于采用PT逆变的方式作为操作电源, 保护装置无法正确动作, 造成故障越级跳闸。类似的案例还有很多, 这些案例充分暴露出以PT逆变为AC220V做为操作电源最大的安全隐患在于当设备发生短路故障时, PT一次侧电压迅速降低, PT二次侧产生的电压也将很难满足工作要求, 这将会造成设备完全失去控制电源, 高压设备及机电保护装置将无法启动。
其次, 当PT本身发生故障或PT一、二次保险发生熔断时, 也会造成配网设备失去操作电压, 配网设备失去保护。2012年1月, 在襄阳地区PT逆变作为操作电源的某居民配电室发生了一起严重的设备损伤事故, 后经查明造成此次事故的主要原因便是当系统出现过电压时, 造成PT一、二次保险熔断, 导致设备完全失去操作电源, 当故障发生时, 保护无法正确动作。
1.2 PT逆变作为操作电源易造成保护装置误动作
电源往往含有大量高频杂波和直流涟波, 而以PT逆变作为操作电源的方式并没有滤波设计, 如果输出的操作电源含有谐波过多, 提供电压质量不高时, 会干扰到保护装置敏感的芯片正常工作, 容易造成保护装置的误动作, 在电网波动较大的极端情况, 甚至可能造成保护装置、控制回路的烧毁。
如果作为控制电源的PT为双绕组PT, 同时负担保护、信号、操作电源时, 当控制回路发生接地或者短路的情况下, 都会造成PT二次侧开关跳闸, 将会造成低电压保护误动作。另外, 当需要接入控制回路元器件过多的时, PT自身容量难以满足需求, 影响保护和测量的准确性。此外PT逆变作为操作电源的方式, 不能提供通讯接口, 无法实施远程监控, 不能满足配网自动化智能化的要求。
综上所述, 在配网系统以自动化、智能化为发展方向, 对供电可靠性要求越来越高的大背景下, 传统的以PT逆变AC220V作为配网设备操作电源的方式已经严重不能满足配网发展的要求。
2 直流屏作为配网操作电源的情况分析
直流屏作为发电厂、变电站最可靠的操作电源, 已有了严格的技术标准和要求, 是一种成熟、稳定、可靠的操作电源, 并且功能齐备, 带有485通信接口, 可以实时远程监控。但是直流屏所需要严格的运行环境、较高的建设成本、严格的维护要求、独立的空间要求, 这些因素都限制了直流屏在配网中大规模推广。
2.1 直流屏的体积及建设成本制约了直流屏作为操作电源在配网中的应用
直流屏作为操作电源可靠性高, 但投资大, 配电室面积和运行维护工作量会有明显增加。对于中小用户而言, 受限于投资与维护的成本, 配网小型配电室一般不会考虑直流电源供电方式。而对于配有独立保护装置、需要操作电源的配网柱上开关、环网柜、箱式变电站而言, 直流屏所需的空间很难满足并且会大大增加建设成本。
2.2 配网设备运行的恶劣环境制约了直流屏作为操作电源在配网中的应用
直流屏蓄电池组对运行环境有着严格的要求, 一般应在环境温度5~35℃范围内运行。环境温度低于5℃或高于35℃都会降低蓄电池组寿命。当前大多数配电室未安装空调系统, 环境温度无法保证。且直流屏对充电电压也有严格的要求, 如果充电电源输出超出规定范围将造成蓄电池损坏、容量降低、寿命缩短等现象。而在配网中, 充电电源只能直接来源于配网终端, 充电电压波动较大, 难以满足对充电电压的要求。而且配网系统中分布最为广泛的室外设备的运行环境更为恶劣, 进一步极大限制了直流屏的在配网中的广泛运用。如果在配网系统中大规模推广使用直流屏, 将会造成直流电源无法达到直流屏应有的效果并且将极大增加电网维护成本。
2.3 蓄电池组严格的维护要求限制了直流屏作为操作电源在配网中的应用
按照蓄电池组运行维护管理规定, 在运行中, 运维人员应时刻监视蓄电池组的端电压值, 浮充电流值, 每只蓄电池的电压值、蓄电池组及直流母线的对地电阻和绝缘状态。还应时刻监视蓄电池组每只电池充电状态, 若因为单只电池严重过充电, 将使得电池组寿命严重缩短甚至出现安全隐患的现象。配网设备数以万计, 如果均采用直流屏作为操作电源严格按照蓄电池组运行维护规定进行维护, 对配网的运维人员将是一项巨大的挑战。
此外, 电池组的容量由最低容量的电池来决定。因单只蓄电池容量不满足运行要求拖垮整个蓄电池组的事例屡见不鲜。随时监视配网中蓄电池组每只电池的状态的工作量又必将是巨大的。而当直流屏蓄电池组达到使用寿命若需更换时, 更换直流屏整组蓄电池组耗时长, 费用高。
在襄阳地区带有保护装置的10k V高压柜等电气设备数以万计, 若全部采用直流屏供电, 高昂的造价将让电力企业难以负担;安装直流屏单独的空间要求在寸土寸金的市区稍显奢侈;基于庞大数量之下的直流屏严格的维护要求也将使设备管理单位疲于应付。故直流屏在配网系统中只适用于大型、关键性中心开闭所, 并不适合全面推广使用。
3 分布式电源的特点及优势
分布式直流电源是近年出现的新型的直流电源设备, 主要应用于小型开关站和用户末端为微机保护装置、仪表、指示灯等各种二次回路元件提供可靠不间断工作电源。避免交流失电时导致保护装置、控制回路失去作用, 为一次设备提供可靠地操作电源。
分布式直流电源可直接安装在开关柜等设备的仪表箱内, 可节约直流屏的占地面积。同时因电源在开关柜内, 可减少电缆使用量, 节约一次设备投资及电缆施工工作量。在一次设备数量不多时, 采用分布式直流电源的工程造价将远小于直流屏系统, 同时在运行中减少线损, 节约运行成本, 充分满足配网设备分散、体积小、环境恶劣、要求尽可能少维护的特殊要求。
目前市场上出现的直流分布式电源已具有以下特点与优势:充电器、蓄电池组、监控设备三合一、组成独立的直流电源系统;二次设备按工作性质及负荷大小分组, 每组二次设备由一面与设备并列布置的直流电源屏供电, 即直流电源屏下放到二次设备安装地。各直流电源屏的监控设备通过现场总线或局域网受控于上位控制机, 可以实现远程监控, 节省大量人力物力。当前的逆变开关、监控模块同样是体积小、容量大、效率高且自动化程度高, 还可实现远程监控和维护。分布式直流电源充电方式灵活, PT逆变为AV220、市电AV220、AC380、乃至太阳能充电都可以满足需要, 充分适合柱上开关、环网柜、箱变等必须在室外安装的设备。智能化管理维护, 智能化高频电源技术, 自监测、自诊断, 可当地显示、报警, 也可联网通信, 实现无人值守的自动化远程管理。内置蓄电池自动充电管理模块, 自动对电池进行智能化均浮充管理, 大大延迟蓄电池的寿命, 使运行更加可靠和安全。此外, 分布式直流电源采用的少量 (通常为1~2只) 免维护电池, 降低了维护要求的同时, 大大减少了当电池需要更换时的工作量及费用。
综合对比以上三种操作电源的运行方式、可靠性、造价、维护量等特点, 得到下表。从表中对这三种操作电源对比中不难得出在小型化、分散化的配网条件下, 分布式直流电源具有和配网的天然契合性, 值得在配网建设中大力推广使用。
4 关于现阶段使用分布式直流电源使用的建议
虽然分布式直流电源具有等一系列优点, 但是由于时近年来新出现的产品, 在对它的设计、安装、维护上也尚无明确的规定。在现阶段使用分布式直流电源的方法也正处于百花齐放、百家争鸣的阶段。下面作者将结合工作实际对分布式直流电源的使用提出自己的一些看法与建议。
4.1 分布式直流电源实际应用中电池容量选择的分析
图2所示为在某小型配电室分布式直流电源的实际应用, 在如图所示的小型配电室为装设VS1型断路器的KYN28型高压柜, 共有3面开关柜、1面PT柜。而设计人员为保证操作电源的可靠性, 为每一面带有断路器的开关柜均配有一台分布式电源。但是笔者认为这种设计方式并不经济, 又不能满足操作电源可靠性的要求。下面, 笔者将以图2为例, 提出在实际应用中对分布式直流电源电池容量的算法。
图2中, 每台高压柜的微机保护及信号灯用电总功率约为20W。其采用的VS1型断路器的具体参数为:额定电流3150A, 额定分断电流40k A, 合闸时间不大于100ms, 合闸功率不大于468VA;分闸时间不大于50ms, 分闸功率不大于368VA, 储能时间不大于10s, 功率不大于100W, 以备用时间为10小时计算。按照主流分布式直流电源技术说明, 分别按照考虑按持续放电负荷计算电池容量及冲击负荷计算电池容量计算方法如下:
(1) 按持续放电负荷计算电池容量。
电流大小为:I=60W/24V=2.5A
取可靠系数为1.4, 蓄电池容量为C10=10× (1.4×0.27) /1=35Ah
(2) 按折算至24V电池电压冲击负荷计算电池容量。
电流大小为:Ich= (468+60) /24=22A
取可靠系数为1.4, 电池放电曲线得冲击系数为0.78,
蓄电池容量为C10= (1.4×22) /0.78=39.4Ah
(3) 比较两个计算值知, 在本例中蓄电池容量由冲击负荷决定。即选用一台分布式直流电源, 配置2节12V的蓄电池, 容量选用40Ah, 在图2所描述的小型供电时, 可备用时间为10个小时。若要求备用时间较短或者断路器合闸电流较小时, 电池容量会适当变小, 一般的配置应为一台分布式直流电源, 需配置容量为40Ah的蓄电池即可完全满足需要。
4.2 现阶段分布式直流电源应用方式改进的建议
图3所示为某采用分布式直流电源的KYN28高压柜二次图, 在此高压柜已安设有10k V/220V的PT作为照明及电磁锁电源的情况下, 未将PT低压侧作为分布式电源的充电电源, 仍需外接交流220V作为充电电源, 这样设计增加了建设费用、占用了宝贵的低压出线、增加了故障点, 降低了运行可靠性。
如果分布式直流电源安装于重要设备, 对可靠性有很高要求。可以采取安装两台分布式直流电源通过电压继电器、中间继电器组成的二次回路来实现直流电源自动切换。这样当一台分布式直流电源电池用完或需要检修时, 另一台分布式直流电源可以为设备提供不间断的操作电源, 这样将大大提高了设备可靠性。
5 结束语
分布式直流电源具作为一种新型的操作电源, 有建设成本低、体积小、重量轻、维护量小、可靠性高、可远程监控等一系列优势与特点。在现阶段配网系统对可靠性要求越来越高, 同时不断迈向自动化、智能化, 分布式直流电源必将得到更加广泛的应用。
参考文献
[1]卓乐友, 蓝柏林.电力工程电气设计手册电气二次部分[M].北京:水利电力出版社, 1990.
直流分布 篇4
4G牌照的陆续发放, 正推动我国LTE网络建设驶入快车道。随着建设的不断深入, 竞争加剧的不断加剧, 电信运营商面临着新一轮网络建设大潮。4G时代的系统建设中, 分布式基站得到了广泛的应用, 伴随着而来的拉远设备的后备电源保障, 已成为网络建设急需解决的难题之一。本文将结合4G建设规划发展, 对直流远供技术在分布式基站的建设应用进行研究。
二、传统供电模式
传统的分布式基站的供电模式, 大体可以分为三类, 如图1所示:
1、
本地供电, 就近安装小电源 (小UPS、小开关电源) 是目前分布式基站的主要保障模式, 其优点在于工程安装方便, 设备故障对其他远端的威胁小。但存在建站成本高, 交流引入可靠性差, 后备保障困难, 电池运行环境差, 寿命短, 监控实现较难, 维护管理难度增加;小UPS电源设备故障率高, 保障效果差等问题。
2、
48V集中供电, BBU、RRU由同一电源供电, 其优点在于系统结构简单, 拉线容易, 保障可靠, 但存在供电距离较短, 受限于48V远供压降大, 对线径要求高;当距离过远, 短路不能有效保护等问题。
3、交流远供, 逆变器输出远拉。
其优点在于供电距离远, 交流受电的设备适应性好, 维护工程量小, 便于集中监控。但存在逆变器成本较高, 简单的单机远供安全性差, 线损高, 压降大, 故障率高, 效率低等问题。
三、直流远供系统原理
直流远供系统是将-48V的直流电源, 通过直流远供局端设备升压至直流280V (250V~410V可调) , 采用相应的电力电缆传送至分布式远端设备或通过DC/DC适配器进行降压 (-48V) 向分布式远端设备进行供电。系统原理图如图2所示。
直流远供系统组成:主要包括提供通信设备正常运行的直流电源系统及馈电线路, 局端直流远供电源、远端降压适配器单元以及局端与远端直接的复合光缆等组成。局端设备是远供系统的核心, 可以完成-48V直流隔离升压到250V~410V (DC/DC升压) , 当电压升高到410V以后, 相同线缆资源条件下, 传输距离成倍提高;相同传输距离条件下, 所需线缆资源线径大大降低, 从而解决资源投入。具备完整的保护功能, 还可完成系统监控。远端设备具备将直流高压变换成稳定的直流-48V (或DC320V) (DC/DC降压或稳压) 功能, 直接为基站设备供电。局端与远端之间既可以使用复合光缆, 完成直流电的远程传输, 为远程RRU设备供电。
四、直流远供系统应用
直流远供在分布式基站中应用, 主要是基站的室外站, 例如机房不足、置不理想、供电距离远的密集城区站点;供电不稳、备电成本高、供电距离远的农村站点, BBU集中放置、RRU沿线布置、集中备电、供电距离远的干线覆盖站点以及写字楼、酒店、公共场馆BBU集中部署, RRU拉远数量多, 距离远的室分分布。
对比目前分布式基站主要保障模式, 交流市电引入供电方案, 直流远供系统从多个方面具有优势, 详见表1。
以黑龙江某基站为例, 传统就近电源保障方案, 需要市电引入 (含户外一体化电源设备) 投资18万元, 线缆投资0.32万元, 施工费0.95万元, 整体投资19.27万元。直流远程供电方案, 需要新增直流远供局端远端设备投资0.95万元, 光电复合缆投资1.21万元, 施工费1.32万元, 整体投资费用为3.48万元。
对比两个方案, 远程供电比传统供电在电力引入费用、停电影响、管理维护方面具有较大优势, 同时在建设时具有投资少、周期短等优势。
五、直流远供系统勘察设计要点
在确定基站供电方式为直流远供方案后, 在勘察设计中有以下几个方面需要重点考虑:
5.1直流远供电缆计算和选择
电缆规格计算公式为:
式中, L是传输距离;是导线电阻率;Us是近端输出电压;Uo是远端输入电压;Po是远端设备功率。
例如, 局端设备输出电压Us为280V, 而远端设备额定允许输入最低直流电压Uo为225V, 假设远端RRU远端设备最大峰值功耗Po为250W, 布放电缆距离为2000米, 选用铝芯电缆, 50℃时电阻率为0.0314·m/mm2 (因铝芯复合电缆对比铜芯电缆单位重量轻, 单位导电效果好, 且铜缆易被偷盗, 所以选用铝芯电缆) , 那么通过公式计算出传输线缆的截面积S为:
电缆线径的选择应大于计算出的数值, 则应该选用线径为4mm2的铝芯电缆。表2为通信设备功率与传输线截面积、最大传输距离对照表, 可以看出当设备功率不变, 传输距离越远, 传输线所需截面积越大。当传输距离不变, 设备功率越大, 传输线所需截面积越大。
5.2局端机房蓄电池扩容
因为直流远供系统是局端提供电能, 所以需要考虑局端及远端负载对电源容量的需求, 以确定是否需对局端站点电源进行扩容。蓄电池组容量的计算公式如下:
Q:蓄电池总容量 (AH) ;K:安全系数, 取1.25;I:负荷电流 (A) ;T:放电小时数 (H) ;:放电容量系数, 4小时0.79, 8小时0.94;:10≥放电时间≥1小时, α=0.008;t:电池所在地最低环境温度值。
在25℃温度下, 根据远端1500W功耗需求, 近端机房直流远供局端需配置3000W功率, 市内基站按4小时考虑, 需要配置2组300AH蓄电池组;郊区按8小时考虑, 需要配置2组500AH蓄电池组。
5.3其他需要注意事项
直流远供远端:
1、屋面站点, 建议抱杆安装或者挂墙安装, 选择与3个扇区RRU间最近位置;
2、铁塔或增高架站点, 直流远供远端需采用塔下或增高架下抱杆或挂墙, 不建议直流远供远端上塔;
局端机房:
1、熔丝需要2个100A, 一个供BBU, 一个供直流远供局端设备;
2、模块需扩容60A (结合现有电流负载和模块数、蓄电池扩容数, 根据N+1原理扩容) ;
3、综合柜空间需求, BBU需2U, DCPD需1U, 局端设备需3U, 因此综合柜至少需要空间7U (32CM) 以上。
六、结束语
直流远供技术作为分布式基站建设中电源保障, 得到越来越广泛的认可和运用, 加快了工程进度, 降低了建设与维护成本, 保障基站安全稳定可靠供电, 为4G无线覆盖提供了强有力的支撑, 同时取得较好的社会和经济效益。
摘要：在移动通信网络快速发展的背景下, 随着站址获取难度的加大, 分布式基站以其灵活的建设方式在网络建设中发挥着越来越大的作用, 从而促使远端设备的电源保障方案显得尤为重要。文章通过对直流远供系统介绍, 结合工程实践中的应用总结, 探讨直流远供在4G分布式基站建设中的应用。
直流分布 篇5
1 分布式能源在城市电网中的应用
分布式能源, 顾名思义, 是一种相对集中供能的分散式供能方式。根据国际分布式能源联盟的定义, 分布式能源是指安装在用户端的高效冷/热电联供系统, 不论其采用何种燃料或是否并网运行。在城市中以组成微电网[6,7,8,9,10]并通过与主网并网形成发电功能。作为一种高效的供能系统, 分布式能源近年来在国际上发展迅速。各国政府克服种种阻碍, 为分布式能源提供了一系列支持鼓励措施, 为其发展创造了有利的环境。分布式能源在各国电力市场中的比重也逐年增加。根据国际分布式能源联盟2006年的一份报告, 分布式能源占电力市场的比例在丹麦已达到53%, 在芬兰、德国、荷兰捷克已达38%, 日本和印度分别达到14%和18%。英国虽然目前只有7%, 但伦敦为了争取2012年奥运会, 特别制定了伦敦城市能源发展规划。而这一发展规划的核心之一就是大力发展分布式能源。分布式能源经过几十年的发展, 其技术已非常成熟、可靠。分布式能源设备的生产厂家多数是世界顶级的电力设备厂家, 如美国通用电气、卡特比勒、索拉、康明斯、芬兰的瓦锡兰、德国的MAN等等。我国也有一些著名的厂家, 如山东胜动和沈阳黎明。各国根据各自的国情, 利用不同的技术发展了多种形式的分布式能源, 积累了宝贵的实际运行经验, 对我国分布式能源的发展也有很高的借鉴价值。分布式能源的发展在中国存在着两个主要障碍, 即并网与售电。分布式能源系统设计的一般原则是以热定电, 这样才能保证较高的系统能效。但这样设计的结果可能会出现余电或缺电现象, 因此分布式能源就需要借助公共电网来吸收余电或是补充缺电, 以最终确保系统的高能效, 同时也需要把电网作为备用电源。发展分布式能源有以下3点巨大优势:
(1) 可以为国家节约大量的发电和输配电投资。举个简单的例子, 以8%~10%的输电线损计算, 我国每年输电线损达3个三峡水电站全年的发电量。建在用户端的分布式能源系统由于不需要通过电网供能, 因此可以避免输电线损和节约大量的输配电投资。如考虑建设电厂的费用, 节约的资金将更为惊人。另外, 分布式能源系统的投资出自用户, 而电厂和输配电投资出自国家。能节约线损和国家投资的事何乐而不为。
(2) 市场经济原则下的自由选择权利。能源安全有两层含义, 即国家能源安全和用户能源安全。国家能源安全体系应是对最终用户能源安全的保障。最近美国纽约再次大面积停电的事实, 进一步说明了集中供电系统的脆弱和对用户能源安全保障的不完整性。分布式能源系统实际上是对单一的集中供能系统的补充, 它可以使用户更有效地计划能源消费和避免电网停电给自己带来的经济损失。在电网有供电的社会职责、却无断电赔偿责任的条件下, 用户自由选择供能方式应是用户在市场经济原则下的基本权利。
(3) 分布式能源是国家电网的一种有益补充。从国家角度看, 分布式能源系统的全面发展, 与电力部门没有根本利益冲突, 而且在很大程度上可减轻发电和输配电部门的压力, 应视为集中供能的一种有益补充, 特别是在电网无力覆盖的边远地区和其他公用事业领域。这一点在绝大多数国家都已得到充分的验证。
2 柔性直流输电技术
进入20世纪90年代以后, 新型金属氧化物半导体器件-绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 首先在工业驱动装置上得到了广泛的应用。1990年, 加拿大Mc Gill大学的Boon-Teck Ooi等提出了用脉宽调制技术 (PWM) 控制的电压源换流器 (VSC) 进行直流输电 (HVDC) 的概念。2个著名的制造商将这种使用VSC的直流输电新技术用商标命名为HVDC Light和HVDC-PLUS, 这里PLUS, 表示通用电力连接系统 (Power Link Universal System) 的意思。
轻型柔性直流输电技术是在VSC和绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 基础上开发出来的一种新型的输电技术。它基于VSC技术, 利用IGBT的开关迅速的转换电网工作点并且独立的控制有功和无功功率, 从而能够实现特定条件下对有功功率和无功功率的最佳控制。系统存在2个基本元素:换流站和一对电缆。换流站是电压源换流站, 几乎不需要人去维护, 可以远程控制或者根据相邻的交流系统进行自动控制, 换流站之间不需要通信。
2.1 轻型柔性直流输电优势
轻型柔性直流输电主要优势[11,12,13]有以下几点。
(1) 独立的电力传输和电能质量控制。轻型柔性直流输电系统可以在操作范围内对有功和无功进行完全的独立控制。轻型柔性直流输电不需要依靠交流系统的能力来维持电压和频率稳定。与传统直流输电所不同, 短路容量显得并不重要。轻型柔性直流输电可以向缺乏同步机的电网馈送负荷。
(2) 电能反转。轻型直流输电系统可以在不改变控制方式、不转换滤波、不关断换流站的情况下快速地转换功率方向。在这个过程中直流电流方向改变, 而直流电压方向没有变化 (传统直流输电电压改变) , 这有利于既能方便地控制潮流又具有较高可靠性的并联多端直流系统。
(3) 增加现有系统的传输容量。轻型柔性直流输电换流站对于电压的快速精确控制能力可使传输能力达到上限, 瞬时的过电压可通过快速的无功功率反应消除。同时更高的电压等级允许在不超过电流限制的情况下传输更多的电能。此外由于交流侧电流可调, 则不会增加系统的短路容量, 这意味着增加新的直流输电线路后, 交流系统的保护整定基本不需要改变。
(4) 对无功功率的自由补偿。轻型柔性直流输电不仅不需要交流侧提供无功补偿而且能起到静止同步补偿器 (STATCOM) 的作用, 即动态补偿交流母线的无功功率, 稳定交流母线电压。这意味着故障时, 系统既可以提供有功功率的紧急支援又可以提供无功功率的紧急支援, 从而提高系统电压和功角的稳定性。
(5) 孤岛操作和异步网络连接。轻型柔性直流输电换流站通常跟随连接网络的交流电压。电压的大小和频率由整流站的控制系统决定, 而且2个换流站是完全独立的, 所以完全可以工作在孤岛状态下和异步系统的直流连接, 这些都是传统交流系统无法实现的。
2.2 轻型直流输电意义
轻型柔性直流输电网络结构如图1所示。
(1) 城市电力供应。通过增加新的交流线路来给城市增加供电非常昂贵且很难得到许可证。而轻型柔性直流输电系统只需要很少的空间并且可以输送更多的电力, 同时轻型柔性直流输电系统不会增加直流网络的直流。因此对于城市供电的扩容, 柔性直流输电系统是最佳的解决方案。
(2) 分布式发电。分布式发电装置是指小型的与环境兼容的独立电源。这些电源由电力部门、电力用户或第二方所有, 用以满足电力系统和用户特定的要求, 如调峰、为边远用户或商业区和居民区供电, 节省输变电投资、提高供电可靠性等等。这些电源比较分散, 且有些电源输出的电力难以直接并入交流电网, 例如燃料电池输出的是直流电压。因此轻型柔性交流配电系统为分布式电源的并网提供了可行的技术平台。
(3) 大中城市交直流混合供电。现代化的社会要求更高的供电可靠性和电能质量。由于现代化大都市供电负荷密度大, 供电方式复杂, 可靠性要求高, 还要求考虑更大的发展灵活性, 以适应供电负荷不断增加和供电网升级的需要, 因此可采用直流配电系统代替或配合传统的交流中低压输电系统, 将电能直接送往负荷中心的换流站, 再逆变为交流电, 为用户供电。该方法不仅提高了输送容量, 而且提高了供电可靠性。由于整流站不需要功率反转, 因此从经济和技术的角度考虑, 整流站采用电流源换流器 (CSC) , 逆变站采用VSC换流器。
(4) 弱系统间的互联。弱系统一般都远离主网, 交流线到主网的跳闸次数较高, 系统稳定性较差。但是随着经济的发展, 弱电网地区有更大的容量需求, 随着负荷的增加, 不稳定可能引起更频繁的跳闸, 线路的功率振荡会减少可用的有功容量, 且不能接受功率环流。
3 应用实例
3.1 哥特兰岛工程
1999年6月, 连接瑞典哥特兰岛北部和维斯比城的柔性HVDC传输线工程投入运行。这是世界上第一个商业化运行的VSC-HVDC系统, 风电场与公共电网的联网情况如图2所示。
由于可再生能源的开发, 在哥特兰岛南部安装了40 MW的风力发电设备, 而且正在兴建更多的风电场。因为风力发电机的操作条件受到电压波动和无功变化的影响, 需要更大的电力传输容量以及更好的方法保证传输质量。柔性HVDC技术的优良性能可以解决风电场中的电能质量问题, 即电压和无功支撑, 而且以地下电缆传输电能, 对环境的影响相对较小, 这些有利条件促使当地政府决定修建了这条VSC-HVDC输电线路, 从投运到现在运行良好, 产生了巨大的经济与环保效益。
3.2 Tjashreborg工程
这是VSC-HVDC用于风力发电的又一个实例, 也是丹麦修建的第一个VSC-HVDC示范工程, 海上风电场与公共电网的联网情况如图3所示。
丹麦能源部门修建了5个利用海风发电的风电场, 每个风电场装机容量约为150 MW。预计在今后30年内还将逐步增加大约4 000 MW的风力发电装机容量, 约占总装机容量的40%~50%。由于大量的风力发电设备引入电网, 必然会对整个电网产生严重影响。风力发电的不稳定性会影响整个电网的电能质量, 同时也会引起电压控制和无功补偿问题。为此, 丹麦ELTRA公司在Tjashreborg建设了最大传输容量为8 Mvar/7.2 MW的柔性HVDC示范工程, 并于2000年9月正式投运, 到目前为止运行效果非常好。
4 结束语
直流分布 篇6
近些年我国各地频发的雾霾问题具备着范围广、强度大以及时间长等三方面的特点,这些特点使得雾霾对我国民众的身心健康造成了极为负面的影响,而对于我国直流输电线路来说,雾霾天气也会对其安全运行造成不小的负面影响,为了解决这一影响,正是本文就雾霾天气下的直流输电线路离子流场分布特性及其影响因素进行具体研究的原因所在。
1.雾霾天气对离子流场的影响机理
为了较好的完成本文就雾霾天气下的直流输电线路离子流场分布特性及其影响因素展开的研究,我们首先需要了解雾霾天气对离子流场的影响机理。
1.1雾霾天气对空间电荷的影响
1.2雾霾天气对离子迁移率的影响
1.3雾霾天气对电晕放电强度的影响
在了解了雾霾天气对离子迁移率的影响后,我们还需要了解雾霾天气对电晕放电强度的影响,结合自身工作经验与相关文献资料,笔者发现这一影响主要来源于悬浮雾滴在输电导线表面形成凝露、输电导线表面附近的电场变化产生的极化力作用吸引悬浮微粒物附着导线表面灯两方面原因所致[2]。
2.雾霾天气下的离子流场分布计算方法
想要进行雾霾天气下离子流场分布计算,我们就必须对雾霾天气做出一定假设,即雾霾颗粒中悬浮雾滴和悬浮颗粒物处于静止的均匀分布状态、悬浮雾滴和悬浮微粒荷电方式均为电场荷电、雾霾颗粒的形状为标准球形且充分分离、雾霾颗粒中的悬浮雾滴和悬浮颗粒物相互不影响,而结合这些假设,我们就可以完成具体的雾霾天气下离子流场分布计算,介于篇幅原因这里不对这一计算进行详细论述。
3.不同污染程度雾霾下的离子流场分布
为了能够完成对不同污染程度雾霾下的离子流场分布研究,笔者以某±800k V特高压直流输电线路为例,通过计算,笔者得出了17.4k V/cm这一起晕场强,并得出了雾霾天气下面合成场强分布与离子流密度分布,这一结果显示雾霾天气地面合成场强与离子流密度随着污染程度的增加而增大。
4.雾霾天气下离子流场的影响因素
结合上文中展开的研究,笔者认为雾霾颗粒中的悬浮雾滴和悬浮颗粒物荷电、雾霾颗粒对直流输电线路空间内的离子迁移率影响、雾霾颗粒影响输电线路表面的起晕场强等三个方面是雾霾天气对直流输电线路离子流场分布造成影响的主要原因,而结合这些原因与上述研究,我们能够发现雾霾天气使得电晕程度和空间电荷密度增加,造成了地面合成场强和离子流密度增大[3]。
5.结论
在本文就雾霾天气下的直流输电线路离子流场分布特性及其影响因素展开的研究中,笔者详细论述了雾霾天气对离子流场的影响机理、雾霾天气下的离子流场分布计算方法、不同污染程度雾霾下的离子流场分布、雾霾天气下离子流场的影响因素,虽然受篇幅限制本文为对详细的计算进行表述,但这一系列论证也能够清楚的表明雾霾对直流输电线路离子流场分布造成的种种影响,而结合这一研究,笔者建议我国相关机构建立模拟雾霾天气的人工气候实验室,这样就能够更为深入的进行这类问题的研究,将雾霾对我国电力事业的影响降到最低。
参考文献
[1]杨帆,代锋,罗汉武,刘泽辉,会燕,李贤良.雾霾天气下的直流输电线路离子流场分布特性及其影响因素[J].电工技术学报,2016,12:49-57.
[2]赵永生,张文亮.雾对高压直流输电线路离子流场的影响[J].中国电机工程学报,2013,13:194-199.