建筑直流配电系统研究（共9篇）
建筑直流配电系统研究 篇1
直流配电具有友好接纳分布式新能源、适应多样化电力负荷、供电可靠性高等特点, 将会成为未来电网的一个重要组成部分。直流配电网的保护是直流配电网运行的一个关键问题, 亟需深入研究。随着电力电子技术以及大功率电力电子器件的发展与广泛应用, 本文提出应用于直流配电系统的主动式短路保护的设计思路, 并进行了保护装置的设计与开发, 实验结果表明, 该主动式短路保护适用于直流配电系统。
随着化石能源的消耗、环境压力的增加, 全球均面临着能源结构的战略性调整, 从传统能源向以可再生能源为主的清洁能源过渡在不远的将来将变成现实[1]。
环境保护和能源需求的双重压力, 使分布式发电 (Distributed Generation, DG) 成为电力系统发展的重要推动力, 并将在未来电力系统中扮演越来越重要的角色, 受到世界各国的关注和重视。但分布式发电具有不可控性和随机波动性, 其高渗透率对电力系统的稳定性有负面影响, 当电力系统发生故障时, 分布式电源必须马上退出运行, 这就使得分布式发电的作用未能得到充分发挥。若要充分挖掘分布式发电给电网和用户带来的价值和效益, 必须寻找更加友好的接纳DG的途径。
相对于传统交流电网, 风电、光伏发电、燃料电池, 以及电动汽车动力电池、超级电容器等各种储能装置基本上都是直流电 (或采用直流电技术) , 必须通过DC/AC换流器才能并入交流配电网;众多办公与家用电器设备采用直流供电实际上更为方便、节能;越来越多的工业负荷采用变频技术以提高电能利用效率[2,3,4]。
考虑到分布式电源的直流特性以及直流负荷的增加, 直流配电的应用有了新的发展机遇。直流配电网是多种综合能源的友好接口, 同时也是供电可靠性有效提升、服务不同用户需求的一个很好的解决方案。
基于直流母线的直流配电系统
基于直流母线的直流配电系统是一种分布式供电系统[5], 各种分布式发电可以通过变换器接入直流配电系统, 如光伏发电通过DC/DC变换器接入直流母线 (DC+、DC-) , 风力发电通过AC/DC变换器接入直流母线 (DC+、DC-) , 为了克服分布式发电的随机性及不可控性, 可通过双向DC/DC变换器将储能装置接入直流母线 (DC+、DC-) , 通过其储能与释能保证直流母线电压的稳定。系统通过DC/DC变换器为直流负载供电, 通过DC/AC变换器为交流负载供电, 如图1 所示。另外, 交流电网通过整流设备与直流母线相连, 作为直流配电系统的后备能源, 系统配有数据通信、监控与保护系统。
主动式短路保护的设计思路
现有的直流系统短路保护一般采用熔断器或断路器。在短路情况下熔断器在熔断时刻会出现尖峰高电压, 影响同一直流母线上的其他负载。另外, 直流不存在电压的过零点, 在断开负载时往往有电弧产生, 直流电弧燃弧时间长, 电弧能量大, 断路器触头易烧损, 直流灭弧要比交流灭弧困难得多, 从而导致直流断路器分断能力不可靠, 不能实时、灵活、连续和快速地动作, 或者越级动作, 易使事故扩大, 破坏系统稳定性。
为了克服熔断器和直流断路器的缺点, 结合变换器中全控型电力电子器件IGBT可快速关断的特点, 设计一种用于直流配电系统的主动式短路保护 (Active Short-circuit Protection, ASP) , 将保护集成在DC/DC或DC/AC变换器中, 如图2 所示, 它串联于直流母线和负载之间, 不管是母线侧还是负载侧发生短路故障, ASP都能快速主动动作, 停止直流输出, 使得母线侧与负载侧断开, 达到短路保护的作用。
主动式短路保护的设计
系统设计
本文主要介绍保护直流负载的主动式短路保护, 即集成在DC/DC变换器中的ASP。变换器采用全桥拓扑结构, 并采用高频变压器将输入输出端进行隔离, 从而避免母线侧故障与负载侧故障的相互影响, 系统结构如图3 所示。
含ASP的全桥DC/DC变换器中, 其工作原理为:直流母线电压为输入电压, 功率管V1、V2、V3、V4 为IGBT模块, 通过单片机控制电路给出4 个IGBT的驱动控制信号PWM1、PWM2、PWM3、PWM4, 生成高频脉动直流, 使高频变压器T的一次绕组Np、二次绕组Ns感应的电压通过快恢复二极管VD1、VD2、VD3、VD4 组成的整流电路、电感L1、滤波电容C2, 来输出电压Uo为直流负载供电。一旦直流母线侧或负载侧出现故障, 则闭锁IGBT的驱动控制信号PWM1、PWM2、PWM3、PWM4, 停止直流输出, 达到短路保护的作用。
硬件设计
基于单片机控制的主动式短路保护, 其单片机控制电路如图4 所示。选用ds PIC30F2023 单片机, Ii为输入电流, Uo为输出电压采样, Io为输出电流, TA0、TA表示电流互感器, Y表示晶振, R1、R2、R3、R4 为电压采样电阻。单片机的PWM1、PWM2、PWM3、PWM4 信号用来控制全桥变换器的四个IGBT;单片机的AD采样端口AN0、AN1、AN2 分别采集全桥DC/DC变换器的输入电流、输出电压以及输出电流;单片机的U1TX和U1RX端口即为RS-485 通信接口, 单片机通过其SPI通信接口 (SDI、SCK、SDO) 与人机交互界面实现通信。
软件设计
主动式短路保护的工作流程如图5 所示, 在各模块及各参数初始化之后, 先开启PWM信号并延迟一段时间, 实现软启动。启动完成后, 单片机控制电路通过自身的AD单元采集输入电流、输出电压和输出电流, 然后开始执行程序, 进行相关的逻辑和数据运算, 由单片机输出全桥DC/DC变换器的IGBT的驱动信号。如果输入电流、输出电压、输出电流均正常时, 说明系统处于正常运行状态, 单片机控制电路输出开关管的驱动信号, 系统继续正常运行。如果输入电流、输出电压、输出电流只要有一项不正常时, 说明系统处于故障状态, 单片机控制电路禁止输出开关管的驱动信号, 即停止直流输出, 达到短路保护的效果。
实验波形
在主动式短路保护设计完成之时, 对ASP的性能做了实验验证, 实验接线图如图6 所示, 断路器Q1、Q2、Q3、Q4 均处于断开状态。
根据图6, 依次闭合断路器Q2、Q3、Q1, ASP带额定负载启动, 系统正常工作, 波形如图7 所示。图7 中CH1 表示变压器的一次侧电流波形, CH3 表示变压器的一次侧电压波形, CH4表示输出电压波形, 通过波形可知, 系统处于正常工作状态。
闭合断路器Q4 进行输出短路试验, 闭合Q4 之后发现, 输出电压由额定值迅速下降到零、一次侧电流也快速降为零, 如图8 所示;ASP进行了主动保护, 关闭模块中的IGBT, 禁止输出, 断开Q1、Q4。
然后再次闭合Q1, 系统仍然能正常工作, 没有受到短路的影响;由于高频变压器的存在, 把输入与输出进行隔离, 输出短路没有影响输入, 而且由于利用电力电子器件, 短路时, 输出电流会快速上升, 造成变压器一次侧电流也快速上升, 当一次侧电流的采样值大于设定值之后, IGBT的驱动将会被关闭, 系统输出将会被禁止;在进行短路试验时, 发现模块的保护时间较短, 如图9 所示, 光标2 与光标1 之差, 表示系统保护时间, 约为310μs。
结束语
实验结果表明, ASP在输出短路时迅速关闭IGBT的驱动信号, 禁止模块输出, 对负载和配电网均起到了主动保护的作用, 保护时间达到纳秒级, 而断路器或熔断器的保护时间最快只能达到数百毫秒。同时ASP中高频变压器可防止负载侧和配网侧之间的故障传播, 起到了有效隔离效果。
参考文献
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建筑直流配电系统研究 篇2
关键词：电气工程导论论文
引言
近年来，随着我国经济与科技的发展，各个科研领域方面的研究越来越细，各专业相互交叉也越来越多，更多的高科技产品应用到配电系统中，也对配电系统调试提出了更高的技术要求。配电系统的建设与维护，首要任务就是要做好安装与调试方面的工作。这就需要电气工程的施工单位统筹规划好低压配电系统安装过程中的各项细节处理与调试，理清内外部之间的相互关系，不断完善内部的配电管理。
配电系统的概念
建筑电气工程中比较常见的配电系统，它是众多设备及装置组成的，通常一般包括低压配电线、配电变压器、高压配电线、高压断路器等组成。整个系统中，低、高压断路器的作用非常关键，它可以保证电能的有效分配，开关可以采用手动或者自动的方式进行控制，一般主要控制系统的过载、失压、欠压等。假若系统由于某种原因出现相关故障，此断路器可以及时将电源切断，进而保护系统中的其他设备。高、低配电系统的安全运行，不但可以确保电气功能的正常发挥，还能够规范相关的操作，维护系统的稳定。
建筑电气工程中常见的低压配电系统事故
低压配电系统火灾的常见原因及分析：1.漏电电流。接触不实是一般为漏电故障点的主要特征，这样容易诱发接触电阻过大，从而影响过流保护装置，导致其不能有效地正常运转，产生电弧。通过查阅资料可知，℃的电弧温度一般仅仅只需要0.5A的电流即可引发，该温度可引燃电气工程中的一切可燃物。2.保护地线和零线接线端连接不紧。零线接线端子与相线的连接不实，会导致设备无法正常工作，这种情况可以及时发现；电阻过大也可能是由于相线与地线接线端子之间没有连接紧密而引起，该情况下设备能够有效地正常运转，而发生故障的部位难以被检测到。假若发生了漏电事故，在故障点一般会产生接头松动或者腐蚀的现象，这样就会引发局部温度过高，连接端出现故障导致产生高温与电弧，从而对周围的可燃物质产生影响，也可能损坏电器开关与插座等。3.漏电电压。假若发生漏电事故后，由于不能有效疏散电流，从而引发另一回路的阻值小，会沿着保护接零线（接地线），与其相连的电气装置外部的金属外壳带有一定的电压，这样就会导致附近的区域产生电弧进而引发起火源，假若小于20伏特的电压持续发生时，就会引发超高温，从而点燃邻近区域内的可燃物质。假若在煤气管中引发电弧或者飞弧，就可能会将管壁击穿，从而促使煤气泄露，酿成火灾。值得注意的是，由于电压的波动传导，起火点可能会与漏电点不一致。4.假若保护地线或保护零线的线径过于短小，一旦发生很大的漏电电流时，就会促使线路温度上升速度加快，从而引发严重的火灾。
建筑直流配电系统研究 篇3
对于交流电网来说, 由于其自身特性经常出现电压暂降、闪烁等电能质量问题, 严重影响了我国目前配电网供电可靠性。目前国家电网公司城市低压配电网供电可靠性大约是99.99%即为4个9, 对应的用户平均停电时间基本上在0.876 h (约53 min) 左右, 预计在五年以后将达到99.999%即5个9。
新材料、信息技术和电力电子技术的长足发展和广泛应用, 使数字化设备已渗透到人们的日常生活、办公、商业和工农业生产中。另外城市化建设水平的不断提高, 特别是城市现代化工商业发展中敏感负荷的大量使用, 对供电可靠性的要求也越来越高, 即使瞬时的电压波动都会导致设备跳闸停机, 造成巨大的经济损失甚至人身伤亡事故, 对供电可靠性要求达到9个9甚至是10个9, 使城市供电可靠性受到城市高速发展所带来的高供电可靠性要求的严重挑战。随着分布式能源的大量接入, 这一现象将更为突出。
可以看出, 传统的交流配电网已经很难满足用户的高供电可靠性的需求, 改变现有的配电网结构和配电方式显得十分迫切[1]。直流配电不仅可以将各类电源产生的电能通过适配器给交直流负荷供电, 还能改善用户侧的电能质量, 在接纳分布式储能、分布式发电的同时提高供电可靠性, 满足用户高供电可靠性需求, 保证敏感负荷不间断运行, 使用户因电能质量问题而引起的经济损失降到最小。
电能质量问题分析
交流电网的电压变动分布如图1 所示, 其中电压暂降 (Voltage Sags) 是电能质量问题中对用户造成经济损失较大的一种。
按照美国电气与电子工程师协会 (IEEE) 的定义, 电压暂降是指工频条件下电压均方根值减小到0.1~0.9 倍额定电压之间、持续时间为0.5 周波至1min的短时间电压变动现象。电压暂降的幅值和持续时间是标称电压暂降的最重要的两个特征量, 所以说电压暂降是电网中的一种二维骚扰电气现象[2]。
目前, 对供电可靠性的评估指标基本都使用可用度的指标[3]。我国的配电系统平均可靠性为4 个9, 即全年停电时间约1h, 但这1h是一次停电还是多次停电, 单次停电持续了多长时间, 是否包含多次电压暂降和短时中断, 这才是用户关注的焦点。
工业生产中的一些0 类和1 类负载要求的供电可靠性为9个9, 即平均停电时间小于30ms;对于未来电网而言, 配电系统的供电可靠性要达到99.9999% 甚至99.999999% 的目标, 即全年平均停电时间小于1min甚至更短, 需要电网在大量接纳分布式能源的同时稳步提升供电可靠性和电能质量。
如何提高电能质量和供电可靠性
鉴于交流配电网的电能质量和供电可靠性不高, 以及用户对高供电质量的迫切需求, 需要合理优化设计用户本地的供电结构和电能质量控制装置, 并优化成本;为此我们提出了两种提高供电可靠性的方向或愿景:
(1) 站在大电网的角度, 以提高整个大电网的供电可靠性为目标, 形成长期的超级电网的集中式愿景。
(2) 站在用户的角度, 以提高本地供电可靠性和电能质量, 为用户量身定做为目标的分散式愿景。
对于大电网, 可以通过建设超高压输电来提高整个大电网的供电可靠性;对于用户而言, 采用一些定制电力设备来提高本地关键设备的供电可靠性。若从全厂的供配电网甚至大电网着手, 其代价是非常大的, 治理效果也不理想, 无法解决厂用段母线短路、电压暂降或大型设备启动带来的损失。所以, 大多数工厂采用就近设备端的就地解决方案, 确保用户关键负载和整个用户配电网的供电可靠性。
因此, 为了提高电能质量与供电可靠性, 依据分散式治理, 本文提出了一种高电能质量和高供电可靠性的直流配电系统。
直流配电系统
直流配电系统结构
直流配电系统是一种基于直流母线的分布式供电系统, 通过直流母线可以将各种分布式电源融合起来并加以协调控制, 同时又可以把直流电直接输送给电能质量要求高的负荷。
如图2 所示, 在直流配电系统中, 可以将光伏发电、燃料电池等产生的电能直接送给直流母线;而风力发电产生的电能可以整流后送给直流母线, 供给直流设备或逆变后给交流负载;另外, 交流电网通过整流设备与直流母线相连, 储能系统与直流母线相连, 互为支撑, 系统配有数据通信、监控与保护系统。
直流配电系统的功能特点
从系统观点来看, 将发电、负荷、储能装置及控制装置等结合, 形成一个单一可控的单元, 同时向用户供给电能, 既可以与大电网并网运行, 也可以在电网故障或需要与主网断开时单独运行[4]。
对于用户来说, 直流配电系统可以作为一个可定制的电源, 以满足用户多样化的需求, 提高用户的供电可靠性与电能质量。
直流配电系统的监控与保护
由于直流配电系统既要能够并网运行又要能够脱网独立运行, 运行模式常常需要切换和实现双向能量流, 这就带来了一系列复杂的保护与控制问题, 必须对传统的保护与控制方法做出较大调整才能满足系统要求。
对于一般负载, 不管是配电网还是负载故障, 都从配电网中断开, 停止运行。通过熔断器、接触器、断路器和微机保护来实现。
对于敏感负载, 由于采用电力电子设备来冗余供电, 可以利用电力电子技术来实现保护, 我们称之为电力电子保护。电力电子设备带有过压保护、欠压保护、过流保护、过温保护、短路保护以及接地保护等。另一方面, 电力电子保护还表现于在负载侧发生上述故障时会先动作, 并停止直流输出, 防止干扰传统保护误动, 而电源侧发生故障时, 也不会影响到负载侧。
高供电可靠性的直流配电系统研究与设计
本文提出的高电能质量和高供电可靠性的直流配电系统整体架构如图3 所示。包含光伏发电、风力发电、柴油发电、储能设备、一般负荷、敏感负荷 (这里的敏感负荷均是关键负荷) 以及对应的DC/DC变换器。
直流配电系统的运行控制技术分析
为了维持直流配电网自身的稳定运行, 并提供较高的电能质量, 控制直流母线电压, 使其保持在一定范围内显得至关重要。和交流系统不同, 在直流系统中电压是反映系统内功率平衡情况的唯一指标。控制母线电压主要是通过控制发电单元侧的变流器以及控制储能单元的充放电来实现的。
直流配电系统的工作模式
(1) 可再生能源通过直流母线给负载供电。当可再生能源发电量充足时, 部分发电量供应负载, 部分给储能设备储能。
(2) 大电网通过交流母线给负载供电。当可再生能源发电量不充足或中断时, 大电网作为后备给负载供电。
(3) 储能设备通过直流母线给负载供电。可再生能源和大电网出现电压波动或故障时, 储能设备给负载提供短时的供电。
(4) 柴油发电机通过交流母线给负载供电。在储能设备给负载供电的同时, 柴油发电机启动 (电压输出比储能设备慢) , 给设备提供长时间的供电, 储能和柴电保证重要负载不间断运行。
(5) 可再生能源和大电网电压恢复, 储能设备和柴油发电机退出运行。大电网不正常时, 直流配电网与大电网分离, 进入孤岛运行模式, 保证负载不间断供电;大电网恢复, 直流配电网再次并入大电网。
实例分析
为某半导体工厂设计了一套高电能质量和供电可靠性的直流配电系统, 全厂负荷为20MW, 其中重要负荷2.4MW。为提高重要负荷的供电可靠性 (要求9 个9) , 该部分重要负荷全部采用直流配电系统保护起来, 可以满足负载的高可靠性供电要求。
此半导体厂在某日的18:53:32 , 由于高压侧主变压器跳闸, 直流配电系统投入工作, 至19:05:39 高压侧主变压器恢复正常供电;由于高压输电线路故障, 造成主变压器开关跳闸, 从而导致厂内大面积停电;为保证变频器不因低电压而保护停机, 我们为其设计的直流配电系统及时投入运行, 保证整个系统正常工作, 直至电网电压恢复后直流配电系统退出, 转为交流正常供电, 支撑时间为12min, 波形如图4 所示, 其中曲线1 对应直流母线电压值, 曲线2 对应直流母线电流值。
另外, 为了利用工厂大面积屋顶做太阳能发电, 总共搭建了3.3MW太阳能电池板, 结合当地光照, 最大可提供1.6MW的功率输出。在新能源发电时, 可以减少全厂最大负荷3MW, 有效地消除了负荷最高峰15%。该太阳能系统日输出最大功率为3MW, 日平均发电量最大为7500k Wh, 年平均发电量为273 万k Wh。
为此, 直流配电带来的投资成本效益分析如下:
新能源投资成本分别为太阳能系统投资额5185 万元和运行维护费26.5 万元。
新能源削峰收益按电源投资6000 元/k W计算, 太阳能系统日输出最大功率3MW, 则可延缓系统投资额为1800 万元。
按煤耗350g/k Wh计算, 年平均发电量为273 万k Wh, 则新能源发电的年环境效益为955.5t煤。
如果不计太阳能削峰收益, 仅以太阳能发电效益来收回太阳能发电系统投资成本, 按原来政策补助, 该部分电价为2元/k Wh, 收回太阳能系统投资时间为10 年;现在该部分电价调整为1.2 元/k Wh, 则需16 年收回投资成本。
直流配电系统 (不含太阳能) 在电网发生电压暂降时, 能保证客户关键负荷不间断运行。为此, 直流配电带来的投资成本效益分析如下 (以运行5 年计算) :
直流配电系统 (不含太阳能) 投资成本为初始额650 万元, 运行维护费19.2 万/ 年, 5 年为96 万元。
客户收益以5 年发生12 次电压暂降计算, 每次电压暂降造成8 小时生产中断和生产线上5000 片产品80% 报废, 造成的经济损失至少为1300 万元, 那么5 年总共挽回的经济损失为15600 万元。
由此可以看出, 为客户避免的经济损失远远大于直流配电系统的投资成本, 即收益大于成本。而在实际运行中, 5 年发生的电压暂降次数是大于12 次的, 所以实际上为客户避免的经济损失更大。
结束语
本文针对交流电网出现的电能质量问题, 分析了造成电压暂降的原因和治理措施, 为了提高用户的电能质量和供电可靠性, 构建了基于直流母线的直流配电系统, 分析了系统的特点、保护与运行控制策略。通过工业现场实例分析, 验证了直流配电系统的可行性, 该系统可以提高用户的电能质量与供电可靠性, 给用户带来巨大的经济效益。
参考文献
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建筑直流配电系统研究 篇4
近年来的建筑工程建设中, 施工单位越来越重视电气工程的安装施工工作, 采用了现代化的先进安装技术进行相关设备的安装作业, 并且在安装结束后对安装质量进行了详细的调试检验, 使得建筑电气设备能够在实际使用中发挥作用。低压配电系统在目前的建筑电气工程建设中应用较多, 组成部分包括配电线路 (低压) 、配电转换器 (高压) 等, 运行期间的控制系统主要有自动、手动两种, 以此来对系统开关进行有效控制, 保证供电系统可以正常运行, 降低跳闸以及断电等情况的发生风险。为了提高低压配电系统的运行质量和效率, 现阶段在建筑施工中多采用系统科学的安装和调试方法来进行作业, 以此规范安装流程, 保证经过调试的配电系统具备供电的安全与可靠性。
1. 低压配电系统安装分析
1.1 低压配电柜
在该装置的安装中, 需要把握好具体的安装方式, 通常情况下低压配电柜安装时应用较多的方法为双列墙法, 结合以往该设备安装经验以及安装应用效果可以了解到应用该法后低压配电柜的运行质量较为理想, 稳定性极佳, 发生故障问题的风险较小。具体安装期间, 作业人员需要使用焊接技术对扁钢、接地线进行处理, 以此经过精准的焊接之后, 使其两者有着良好的牢固效果, 提高强度, 以便配电柜在运行中的稳固性较强。同时按照施工方案的要求, 将配电柜安装在相应的地方之后, 作业人员还需要在低压配电柜的外部位置做好遮挡、防震等防护措施的施工, 以此在使用配电柜时如果发生强降雨天气, 可以依托遮挡手段避免设备长时间受到雨水渗入的影响, 在发生严重地震灾害时则借助于防震措施保护设备, 保证设备在地震影响下仍然能够稳定且正常的运行[1]。
1.2 照明器具
低压配电系统安装期间照明器具安装较为重要, 由于不同照明器具安装区域不同, 所以该器具的安装质量容易受到多种因素影响, 存在应用效果不佳的问题, 需要对其安装做出合理且科学的规划、设计。如果施工方案中要求在不同的区域安装照明器具, 则作业人员需要在安装之前对相应区域的配电系统情况进行调查, 按照每个区域的要求选取符合安装要求的照明器具。同时在安装中需要对通风空调系统、风口等运行情况进行分析, 并将其与灯具进行配合使用;安装时需要将支架设置在灯具下方, 上方则安装风管。此外安装使用的灯具属于嵌墙类时, 需要在施工之前做好墙体预埋处理, 预埋深度需要作业人员依据灯具使用期间所需的强度来确定[2]。
2. 低压配电系统调试分析
2.1 调试低压电气设备
系统安装过程中会设置一些控制元件, 来对低压电器进行开闭控制, 包括转换、电源开关等, 所以为了有效控制设备, 则需要在控制元件安装完毕后对其进行调试, 经检查不存在启动、运行方面的异常问题, 即可视为调试合格可进行使用。调试流程为:先对电气设备的绝缘电阻进行调试, 确定设备有着良好的绝缘性能后, 再检查电压线圈动作值, 若该值与标准值相差过大, 需要进行校准调试, 调试期间对吸合电压值进行检测, 若该值在85%以下则属于正常值, 此时设备运行电压处于标准的范围内, 而且释放出的电压不会对设备造成严重损坏。低电压的电气设备电阻通常都在1MΩ以上, 该值在测量时要求使用检测精准度较高的.摇表 (1000v) 来进行, 若电阻低于1MΩ, 导致电气设备无法使用时, 需要继续对设备进行全面的调试, 以此有效降低电能不足、系统运行异常等情况的发生风险。
2.2 调试继电器
调试时先检查继电器外部, 观察是否有污渍、灰尘等存在, 是否是按照要求来进行规范化安装的以及继电器的玻璃罩是否碎裂、安装的螺丝和接线是否有松动或异常等情况, 如果有则需要使用针对性措施进行处理。外部全部检查完毕后再检查设备内部, 重点对接点接触性能、可动与固定部位是否能灵活变换以及是否存在固定不牢固等情况进行检查, 若检查中发生上述情况, 要做好调试处理工作[3]。
2.3 调试系统二次回路
工作人员需要在调试期间先对所有的接线情况进行检查, 重点检查螺丝的紧固性, 若有松动情况则需要再次进行拧紧处理, 坚决杜绝螺丝在线路使用过程中有滑丝问题发生;同时检查回路绝缘电阻, 标准电阻值需要控制在0.5MΩ以上。此外当前一些低压配电系统安装时使用的设备中有电子元件、集成块等装置, 这些装置使用摇表进行参数测量的效果不理想, 需要替换为万能表来检测。
当前我国很多建筑工程使用的低压配电系统实际应用期间存在着供电质量差、系统不稳定、故障发生率高等情况, 要求施工单位在对该系统安装之前, 对其具体的安装规范与要求进行学习了解, 从而按照安装要求进行标准化安装施工, 同时还需要做好系统调试工作, 以便快速检出系统问题, 尽快解决, 使得低压配电系统能够保质保量且稳定的运行。
参考文献
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[2]肖惠文.高层建筑电气设计中低压配电系统安全性探讨[J]中小企业管理与科技 (下旬刊) , (06) :243-244
一种新型低压直流配电系统设计 篇5
1 系统设计
图1为本文所提出的一种新型低压直流配电系统。其中,A,B,C为三相交流电源的A相、B相和C相;D为变压器绕组采用三角形接法;Y为变压器绕组采用星形接法;C为电容;L为滤波器的电感。
2 系统各模块构成及作用
图1为低压直流配电系统,它包括双极三相变压器单元、整流器单元、直流电缆单元和终端用户型逆变器单元。其中,双极三相变压器单元与电源测、整流器单元连接,整流器单元与双极三相变压器单元、直流电缆单元连接,直流电缆单元与整流器单元、终端用户型逆变器单元连接,终端用户型逆变器单元与直流电缆单元、负载侧连接。
终端用户型逆变器单元是由以下3部分构成的:(1)逆变模块是由6组IGBT桥构成的,各桥的调制采用具有抑制共模作用的控制器加以实现;(2)LC滤波器是由基于非晶合金铁心的电抗器构成的;(3)隔离变压器采用的是频率为50 Hz、接线为星三角接法的变压器,用于隔离用户侧的负载。
3 结束语
与一般直流配电系统相比,该新型低压直流配电系统在实现直流线路故障快速隔离的同时,兼具了经济性,实现简单,并且配电网控制更简洁、灵活,可以输出高质量的直流电能。
摘要：新型低压直流配电系统包括双极三相变压器单元、整流器单元、直流电缆单元和终端用户型逆变器单元。其中,终端用户型逆变器单元由逆变模块、LC滤波器和隔离变压器构成;逆变模块由6组IGBT桥构成,各桥的调制采用具有抑制共模作用的控制器来实现;LC滤波器由基于非晶合金铁心的电抗器构成;隔离变压器采用频率为50 Hz、接线为星三角接法的变压器,用于隔离用户侧的负载。该新型拓扑系统的构造简单,经济成本低,并且可以实现逆变器与用户侧的有效隔离。
关键词：隔离变压器,直流配电系统,逆变器,IGBT
参考文献
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[3]宋强,赵彪,刘文华,等.智能直流配电网研究综述[J].中国电机工程学报,2013,33(25):9-19.
建筑直流配电系统研究 篇6
关键词：240V,高压直流,配电保护,直流型断路器
一、前言
在数据中心供配电系统中，通信用高压直流供电作为一种新型的供电方式，由于其在高可靠性、节省经济投资、节能降耗等方面的优势，并随着240 V高压直流供电系统的通信行业标准的起草与实施，以及高压直流系统在试点机房的稳定运行案例，通信用高压直流供电系统已在我国通信行业逐步推广应用。作为一种新型的供电方式，240 V高压直流供电系统与传统的UPS交流供电系统及-48 V直流供电系统在供电方式、配电保护开关选择上均有一定的差异，本文主要结合高压直流供电系统的特点，分析高压直流供电系统配电保护开关选用的原则。
二、240 V高压直流供电系统供电方式
YDB037-2009《通信用240 V直流供电系统技术要求》(以下简称“《技术要求》”)是目前在我国通信行业指导高压直流供电系统研发、设计、建设、检验、维护等方面的重要标准及依据，该报告规定了通信用240 V直流供电电源系统的组成、系列、要求、试验方式等，适用于通信局站和数据机房中向交流输入电压范围为110 V～240 V的通信设备供电，标称电压为240 V的直流供电系统。
本文中所述的高压直流供电系统的直流输出电压标称值为2 4 0 V，系统输出电压可调范围为216 V～312 V。
按照目前高压直流供电设备的原理及其结构特点，高压直流供电系统的供电方式如图1所示。
目前通信行业数据中心高压直流供电系统基本采用市电作为主用电源，后备发电机作为后备电源的交流电源输入，经过高压直流设备输入滤波、工频整流、DC/DC变换、高频滤波等一系列电路环节后，输出电压标称值为240 V的直流电源，通过分配电回路为机房设备提供标称电压240 V直流电源;后备蓄电池直接连接在直流输出端上，当市电中断时，后备蓄电池组通过直流输出屏直接向负载提供240 V直流电源。
与传统的UPS供电系统不同的是，传统的UPS供电系统输出的是380 V或220 V交流电源;与传统的-48 V直流供电系统不同的是，传统的-48 V直流供电系统输出的是-48 V直流电源;而高压直流供电系统输出的是240 V直流电源，因此，《技术要求》对高压直流供电系统的设计也提出了相关规定：系统采用悬浮方式供电，系统交流输入应与直流输出电气隔离，系统输出应与地、机架、外壳电气隔离，正、负极均不得接地，以保证人身安全及系统可靠运行。
三、高压直流供电系统配电保护开关选用
（一）高压直流供电系统的交流输入开关采用交流断路器
随着我国通信业务的急速发展和网络设备建设规模的不断扩张，通信电源供电系统的设计容量也越来越大，目前我国UPS系统容量达到800 kVA已经屡见不鲜了，传统的-48 V直流供电系统设计容量最大达到3 000 A。《技术要求》建议高压直流供电系统单个系统容量最大不宜超过600 A，目前，国内现有在线高压直流供电系统也基本参照这个标准建设的。
目前，高压直流设备厂家提供的产品资料显示，市电交流输入部分基本要求“三相四线制+PE保护接地线输入”。在高压直流供电系统设计上，市电输入部分的交流配电要求采用交流断路器，并应设置过流、过电压、欠电压、缺相保护;每一个整流模块输入应配置独立的断路器。
（二）高压直流供电系统的直流输出开关需采用直流型断路器或熔断器
与传统的UPS供电系统及-48 V直流供电系统不同的是，高压直流供电系统输出的是240 V直流电源，输出电源为直流电流，而且电压值较高，灭弧较困难。下面从交流及直流系统的灭弧原理进行简单分析，如图2和图3所示。
从上述交流电源跟直流电源对应的波形图可看出，交流电流的每个周期均存在自然过零点，当断路器触头分断电流时产生的电弧经自然过零点自然熄灭，过零点之后弧隙电压由零逐渐上升，此时只要断路器断口的绝缘介质恢复速度快于弧隙电压上升速度，当弧隙电压不足以击穿其间距时，断口绝缘介质不会被再次击穿，电弧就不会重新点燃。因此，交流系统在过零点容易熄灭电弧，交流型断路器的灭弧系统也相对较简单。而直流电流不存在过零点，电弧产生后会在一定的维持电压下持续燃烧，直流型断路器的灭弧一般需要采取特殊的材料隔栅，利用加速电弧窄缝分段技术限制电弧的扩散，来提高限流作用，使弧隙电压不足以维持电弧持续燃烧，达到熄灭电弧的目的;或者采用在灭弧室有限的空间内增大电弧长度，增大直流电弧的总压降，提高直流电弧的静伏安特性，促进直流电弧的熄灭。因此，直流灭弧要比交流灭弧困难得多，交流型断路器与直流型断路器在结构跟性能上均有很大区别，直流型断路器的灭弧室熄灭直流电弧的性能也要比交流型断路器优良得多。
断路器分断电流时所产生的电弧如不能及时熄灭，将烧损触头、损坏绝缘，甚至会引起断路器的爆炸造成火灾，因此，高压直流供电系统在设计及使用上，不能直接采用原先的交流型断路器配置在直流输出线路上，而应选用专门针对直流设计的直流型断路器。
（三）高压直流供电系统的直流输出开关需采用双极断路器
在传统的-48 V直流供电系统的设计中，由于系统正极是接地的，始终保持地电位，而且系统电压比较低，不会对人身安全造成严重威胁，因此，一般只在系统负极配置单极直流断路器或者熔断器来进行保护。
而针对240 V高压直流系统来说，由于系统采用悬浮方式供电，系统的正极、负极均不得接地，因此，系统的正极、负极均应安装保护开关，《技术要求》中也明确规定“直流输出全程正负极各级都应安装过流保护器件进行保护”。而且，由于高压直流系统的输出直流电压达到240 V，而系统所采用的断路器都应与系统的直流电压相适应，根据目前几大主流断路器生产厂家的资料显示，单极的断路器大多达不到这个电压等级的要求，经常需要采用串联多极以分担分断电弧电压的方式。因此，也就是说，在高压直流供电系统设计中，直流输出开关需采用双极断路器，建立一个全程双极保护系统。
（四）配电开关选择性保护
配电开关的选择性保护配合方案是保障负荷供电可靠性措施之一，合理的进行配电开关的选择、配置，是高压直流供电系统设计成功的重要检验因素。
配电开关选择性保护配合的需求基于两点：负荷供电可靠性要求及维护管理需求。
作为通信机房设备稳定运行的重要保障，高压直流供电系统配电线路的上下级保护开关，其动作应具有选择性，各级之间应能合理协调配合，防止越级跳闸、故障范围扩大。在开关的选择上，应注意开关脱扣电流、过载长延时、短路短延时等保护功能的匹配，合理选择开关参数。从维护管理需求上，目前通信设备众多，配电线路繁杂，管理分工责任化，因此，也要求配电线路上下级开关应有选择性，以便快速、有效的检查及排除故障。
（五）高压直流供电系统直流输出开关配置方案
1. 直流输出各级配电开关均采用直流型断路器
按本配置方式，从高频滤波后或蓄电池输出的240 V直流输出线路开始，各级输出配电开关均采用直流型断路器，其配置方式如图4所示。
从断路器与熔断器的结构及使用特点来比较，配电开关采用断路器具有相对的优点：系统能够实现保护功能，且保护值可调;供电连续性较好，能够迅速恢复供电;方便隔离检修，能够带负载分断。
2. 直流输出末级开关采用直流型断路器，其余各级开关采用熔断器
上述图4所示的配置方式，虽然全程采用双极直流型断路器能够起到多级保护的作用，但相应的投资成本也会较大，因此，我们在实际的工程实例中，也尝试采用熔断器和直流型断路器组合的方式进行直流输出配电开关的配置。
按本配置方式，除了直流输出末级开关采用直流型断路器外，其他各级配电开关均采用熔断器，其配置方式如图5所示。
工程实践证明，采用熔断器与断路器相结合的这种配置，只要后续维护检修环节上严格按照正确的规程进行操作时，既能满足安全要求，同时又可节省投资，笔者认为，这是一种相对合理的配置方式。
四、结论
本文通过对高压直流供电系统的特点分析，并立足于现行关于高压直流供电系统的行业标准，讲述了直流输出配电开关保护及其选用，强调了直流型断路器在直流输出配电回路上的应用，提供了两种常见的开关配置方式。随着我国在高压直流技术上的进一步研究、发展、成熟，我们相信，高压直流供电系统也将朝着更加可靠、安全、经济的方向不断发展。
参考文献
[1]《通信用240V直流供电系统技术要求》YDB037-2009, 中国通信标准化协会.
[2].低压配电产品手册, 2009年版, ABB (中国) 有限公司
建筑直流配电系统研究 篇7
过去几十年经济和技术的发展, 为基于现代电力电子技术的新型的有竞争力的直流配电网创造了条件。站在技术的角度上看, 配电领域的低压直流系统还是个新的概念。低压直流配电系统在未来电网的发展中具有一定的潜力, 总费用和损耗有望减少, 同时系统效率也有望得到提高, 能够更好地控制发电和更好地利用能源, 将减少能源消耗和生产对环境的影响。由于国际社会对供电可靠性要求越来越高, 对某些重要负荷而言, 即使是瞬时倒闸操作的短时停电也不允许, 同时由于直流用电也较为普遍, 分布式电源以直流方式接入更为便利, 因此, 低压直流配电系统和储能是提高供电可靠性和提高分布式发电接入的有效手段之一。
值得关注的是, 欧洲智能电网发展的基本思路是, “理论研究、工具开发、项目试点、具体实施”, 采用有序发展的过程, 即只有在合适的时机, 才去实施合适的研发项目。建设中国智能电网亦需要结合国内电网的现实情况, 如负荷处于增长期、网络资产年限较短, 更新换代会造成极大的浪费等。虽然中国的电网企业几乎与欧美同步提出了建设坚强智能电网的发展战略, 但在具体的路线图和实施步骤方面, 总体思考与顶层设计需要加强。
本文主要介绍CIRED2013 大会在直流技术方面的进展, 并提供一些直流网络应用的实例。首先介绍直流系统的计算方法, 其中涉及直流电压等级的选择方法、直流网络经济渗透率的计算方法、交直流混合网络的潮流计算方法和短路计算方法;接着介绍直流应用的实例, 其中包括将部分交流网络的分支线改造为直流网络、基于直流的削峰、基于智能电能表将交流电源转变为直流电源等。
经济效益分析及潮流、短路的计算方法
介绍低压直流配电系统电压等级选择的系统工程方法、在现有交流中压分支系统中安装低压直流配电系统后的经济渗透率测算方法、交直流混合配电网的潮流分析方法以及低压直流配电系统的短路电流计算方法。
低压直流配电电压等级选择的系统工程方法
目标函数如下:
式中:Ctot为全寿命周期内直流系统的总费用;U为额定电压;Ccapex为设备的初始投资费用;Copex为运行费用 (如损失、检修费用等) ;Cout为设备及用户的停电费用。
对于在公用配电领域应用的低压直流配电系统, 其电压等级的选择取决于:低压直流配电系统结构 (单极或双极) 、客户的连接方式、电力需求、预期的输电距离和设备特性 (包括相关的费用) 。此外, 还需考虑接地系统可能对接触电压水平和换流器结构的影响。
由图1 可知, 当换流器运行在比其额定功率低的负载水平下时, 换流器的效率迅速降低。同时还需注意, 当直流电压升高时, 换流器的效率在各种场景下均会降低, 这就需要选择额定电压较高的晶体管。此外, 在低负载运行期间, 与导电损耗相比而言, 晶体管的开关损耗起主要的影响作用。由于直流配电系统中换流器的费用在全寿命周期中起主要影响作用, 当用户接口需要客户终端逆变器 (CEI) 或直流换流器时, 需要重点考虑换流器费用。
通过考虑直流电压对转换器和低压直流系统综合布线的全寿命周期费用的影响, 可画出理想的费用曲线, 由此确定最优直流电压, 如图2 所示, 表示含三相客户终端逆变器 (CEI) 的双级系统费用曲线, 通过分析可得出以下结论:
(1) 最优的直流电压在600~1000V之间。
(2) 馈线长度越长, 最优电压等级越高。
综合的系统工程方法应充分考虑不同的低压直流应用实例的技术和经济之间的相互关系。系统工程方法需要研究能源效率、经济性和低压直流系统的灵活性, 以及具有指导性的标准化工作。
在做任何远期决策时, 需要考虑采用直流电压或其他关键特性、标准化或系统规划, 应充分采集低压直流系统应用实例的信息和相关系统特性, 对在建筑安装的低压直流配电系统进行优化, 与用于公用事业电网的系统相比, 不可避免地产生不同的技术架构。基于低压直流技术的现代电力电子发展尚不成熟, 系统设计开发人员在标准化方面有足够的发展空间, 此外低压直流配电系统的费用、能源利用率以及安全问题都应该考虑在内。
低压直流配电系统的经济渗透率的测算方法
讨论采用低压直流配电系统分支线路代替交流中压网络分支线路的方法, 并考虑低压直流配电系统分支线路的渗透率对经济性的影响。实行低压直流配电系统主要有两种基本实现方式:单极1500V直流和双极 ±750V直流, 分别如图3、图4 所示。
计算费用的目标函数为:
式中:CTotal为总费用;CR为可靠性费用;CL为损耗费用;CE为设备投资费用;CP为电能质量改善费用;CF为超过寿命期或相关经济性因素的设备更换费用。主要计算参数如下:①电量费用=1810R/k Wh (R为货币单位) ;②损耗费用=200R/k Wh;③居民用户停电损失费用=1000R/k Wh;④工业用户停电损失费用= 10000R/k Wh;⑤中压线路故障率=0.03f/ (a·km) ;⑥低压电缆故障率=0.02 f/ (a·km) ;⑦故障修复时间=4h /个故障;⑧整流器与逆变器的故障率=0.3f/a;⑨整流器与逆变器的故障修复时间=1.5h;⑩停电负荷的供电恢复时间=1h; 11每个负荷点的初始容量是50k W; 12用户功率因数=0.9;13 研究期限=10年;14利率=18%;15通货膨胀率=15%。
计算结果分析如下:
(1) 对系统可靠性费用的影响分析 (特定负荷密度下, 低压直流配电系统的渗透率比对缺供电量的影响见图5) 。
1) 通过在中压交流分支系统中提高低压直流配电系统的渗透率, 并用低压直流配电系统来替代, 可以提高系统可靠性。
2) 在双极系统中发生故障后, 仅有一半的用户停电, 所以双极系统的可靠性要比单极系统高。
(2) 对系统损耗费用的影响分析 (特定负荷密度下的系统损耗见图6) 。
1) 交、直流两种系统中应用同一种电缆线路, 应用于低压直流配电系统的损耗将会降低。
2) 由于中压分支系统的电压水平要高于低压直流配电系统, 通过用低压直流来大量替代中压分支, 损耗将会增加。
3) 由于单极低压直流配电系统中的电压水平更高的缘故, 双极低压直流配电系统的损耗要高于单极系统。
(3) 对设备费用的影响 (考虑20% 低压直流配电系统渗透率的设备费用见图7) 。
1) 应用低压直流配电系统, 消除了无功电流, 致使电流强度减小, 导致系统需要的电气设备容量进一步减小。
2) 通过提高低压直流配电系统的渗透率, 可以利用价格便宜的低压电缆线路来代替昂贵的中压线路。因此, 系统的设备费用将降低。
3) 在双极低压直流配电系统中, 需要较多的价格昂贵的转换器 (逆变器和整流器等) , 所以双极系统中的设备费用要高于单极系统。
(4) 低压直流配电系统的经济渗透率 (针对居民负荷和工业负荷的低压直流配电系统最小经济渗透率见图8, 含有分布式电源的低压直流配电系统最小经济百分比见图9) 。
1) 在低负荷密度时, 单极低压直流配电系统和双极低压直流配电系统的系统损耗和可靠性费用差别不大。
2) 在高负荷密度时, 双极系统的可靠性费用较低, 双极系统的低压直流配电系统最小经济百分比比单极系统低。
3) 对不同类型的负荷, 系统可靠性费用不同。可靠性要求高的负荷, 最小经济百分比较低, 这个问题在可靠性较高的双极系统中尤为显著。
4) 随着分布式电源的渗透率的升高, 低压直流配电系统的最小渗透率将会降低。
结论:使用单极和双极低压直流配电系统来替换中压系统, 能有效降低损耗, 并提高系统的可靠性。采用低压直流配电系统来少量替代可靠性要求较高的负荷以及渗透率较高的分布式电源是比较经济的。
交直流混合配电网的潮流计算方法
提出了两种计算交直流网络潮流的方法, 即连续和统一的算法。与交流配电网类似, 由于存在大量的PQ节点和较高的r/x比值, 牛顿- 拉夫逊法和快速解耦法不能直接应用于潮流计算。本节研究了交直流配电网的潮流计算方法, 该交直流配电网含弱联系网络结构、分布式电源和储能。该算法为一种前推回代算法, 建立了换流器模型, 设计了不同的换流器控制策略, 提出了PV节点以及弱联系电网的补偿方法, 运用前推回代算法对图10 所示的测试系统进行了潮流计算。
该测试系统在IEEE33 节点的基础上做了修改, 增加了两台换流器、一台分布式电源 (DG) 、一台储能 (ES) 。采用MATLAB进行仿真计算, 分为仅有交直流系统、含光伏和储能的交直流系统、含弱联系网络结构的交直流系统以及含光伏、储能和弱联系网络结构的交直流系统, 计算结果如图11 所示。
结论:研究了含弱联系电网、分布式电源和储能的交直流配电网的潮流计算方法, 考虑不同的换流器控制策略, 通过前推回代的算法实现潮流计算。算法通过假设的测试系统运用MATLAB仿真验证, 仿真结果表明采用电力电子换流器, 可以改善电压分布情况。
低压直流配电网络的短路电流计算
在容纳不断增长的分布式可再生能源、电动汽车和热泵系统方面, 低压直流配电系统具有一定的应用前景。然而低压直流配电系统的故障情况及其保护系统的运行, 还需要深入研究。采用IEC61660 计算低压直流配电系统的短路电流, 并与PSCAD仿真试验进行比较, 分析IEC61660 方法的有效性, 测试模型如图12 所示。
在该场景下, IEC61660 提供的近似的数学模型, 仍可有效地计算图13 所示的电容放电电流的峰值, 但是计算的暂态电流的衰减时间明显要比仿真值小。
通过图14、图15 的实验结果可知, 电容放电峰值电流比实际值减小了10%, 同时, 不同位置故障的仿真结果表明, 直流故障电流的指数衰减是由非线性的RLC电路引起的, 衰减时间小于实际计算值。在以上故障场景下, 计算和仿真的稳态值误差不超过8%, 表明IEC61660 可有效计算低压直流配电网的直流短路故障稳态值, 但是计算电容放电电流不够准确, 衰减时间较长。
结论:为了更好地理解低压直流配电系统的故障情况, 本节评估了IEC61660 计算方法。通过与PSCAD/EMT直流仿真结果比较, 表明IEC61660 能有效计算稳态的直流短路电流, 但是在计算暂态直流短路电流时不够准确, IEC61660 计算的电容放电电流比仿真结果小了10%, 衰减时间小于仿真结果。产生误差的原因在于, IEC61660 的修正参数是基于直流辅助设备的实验, 并不是基于较大的电网。
国外各种直流系统的应用实例
介绍各种直流应用的实例, 包括将部分交流网络 (20k V) 的分支线改造为直流网络 (600~1000V) 、基于直流和储能进行削峰、基于智能电能表提供住宅直流用电。
采用低压直流配电改造部分交流网络的可行性分析实例
介绍芬兰配电公司将现有部分20k V交流网络的分支线改造为低压直流配电线路的工程实践。
芬兰配电公司背景介绍:Elenia公司是芬兰第二大配电公司, 主要为农村地区供电。具体情况如下:①客户:40.8 万户;②配电线路6.2 万km (其中20k V中压线路2.205 万km, 分支线路约占22%;0.4k V低压线路3.8625 万km) ;③ 20/0.4 k V二次变压器有2.152 万台。
电网存在的主要问题有: ① 80% 的供电中断都是由20k V中压电网故障引起的;②农村地区分支线路故障频发从而导致整条中压馈线供电中断;③中压网的主要部分是在1950~1970 年间建设的, 在不久的将来需要重建, 因此有机会对现有网络进行改造, 此时可考虑是继续用交流供电还是另行采用直流供电。
如果改造为低压直流配电系统, 其优势为:①欧盟低电压指令2006/95/EC规定低电压电网中, 交流最大电压为1000V, 直流最大电压为1500V, 因此现有的交流电缆都可以用直流代替;②采用相同的电压等级时, 由于直流线路没有无功传输, 直流线路的损耗降低;③低压直流配电系统有自己的保护区域, 故障不会造成整个中压馈线供电的中断;④低压直流配电系统自身以及换流器存在电容能够储能, 因此可保护客户不受中压馈线短期中断的影响。相对芬兰的现有情况而言, 低压直流供电的优势较为明显。
具体工程实施方案介绍:基于点对点类型的直流配电系统, 如图16 所示。
其中, 现有变压器的二次侧由整流器取代, 直流部分为双极点对点低压直流配电系统, 原有的低压系统维持不变, 终端客户也不需要变化。
方案的分析和计算中的边界条件和计算结果如下:
(1) 所考虑的边界条件:
计算图16 所示的低压直流系统4 线接地电缆的传输容量。计算技术经济上较合理的换流器规模、所需的传输容量和损耗约束、最大电压限值。功率和传输距离用于确定电缆选型。
1) 三种不同电压降:交流电压分别为600 V、575 V和550 V, 对应的直流电压分别为26V、62V和99V, 对应900V的直流额定电压, 电压降分别为2.9%, 6.9% 和11%;
2) 三种类型的电缆线路:截面不同, 分别为AX50, AX95和AX150, 参数如表1 所示。
(2) 计算结果:
当电压降限值为6.9% 时, 直流导线的传输距离 (km) 与传输容量之间的函数关系如图17 所示。
对于AX95类型的导线:
1) 电压降限值为6.9% 时, 100k W的功率能够传输的距离为1.63km;
2) 电压降限值为11% 时, 传输距离将达到2.48km。
对整个Elenia公司辖区的配电网进行计算, 分段线路长度和传输容量与传输容量的最大极限曲线 (如图17 所示) 进行对比, 确定在给定的最大电压降条件下, 低压直流配电系统是否可以取代分段线路, 分析数据如表2所示, 分析结果如图18所示。
结论:当电压降限值为6.9% 时, 大部分线路可由AX50 类型的电缆替换, 由低压直流配电系统取代的方案在技术经济上是最为合理的, Elenia公司有4216~4727km的线路段能够被低压直流配电网所取代, 占公司所有中压线路长度的19~22% (约占分支线路长度的99%) 。
减少和转移峰荷的实例
主要介绍基于区域智能直流电网和分布式储能方面减少和转移峰荷的技术。对于安装在客户端、为当地的直流照明和电子负荷供电的配电储能设备, 探讨了其理论模型;通过采用Moxia技术, 以智能直流/ 储能系统为例, 探讨了其启用商业模型和区域数据的开发模式。英国通用的配电网如图19 所示, 采用Moxia系统的智能直流家居如图20 所示。
结论:Moxia系统可用于解决家庭晚高峰需求的问题, 以提高整体能源效率和能源安全性。每套Moxia系统有可能在峰荷期转移每户家庭2k Wh的直流负荷以及减少1.5k Wh日常用电。这样就提出了住宅采用日电价/ 智能电能表的双赢方案, 以应用非高峰期供电而没有不符合实际情况的变化。该方案在企业层级、低压和网络层级上都产生一定的收益, 其中储能和需求侧管理措施应用于各方面的投资:如电网平衡、削减基础设施扩容需求、减少风电削减量或减少国家在峰荷电厂方面的扩容需求。
交流改变为低压直流供电的可行性研究实例
主要研究基于低压配电系统中的智能电能表 (带直流换流器) 为住宅供电的低压直流配电系统 (可灵活地将230V交流转换为48V直流) 。
如图21 所示, 提出了含智能电能表的直流换流器 (可观测实时能源消耗情况) 的家用直流系统。计算表明, 与现有交流系统相比, 每年可节省983k Wh的电量。假设系统有20 年的使用周期, 能源价格为1SEK/k Wh (1SEK ≈ 1 元) , 则投资回收期为9.5 年。
本例提出了一套用于住宅的低压直流系统, 住宅的输入电压为交流, 除电炉使用交流电之外所有的设备使用直流电。研究结果表明, 低压系统通过采用换流器可以降低换流器的损耗, 但是需要增加新的线路投资, 但从总体上看, 可以每年节约983k Wh的电力。仅通过节约能源, 新的换流器和线路的投资费用可在一定时间内回收。除此之外, 此住宅采用低压直流还有其它优点, 如设备不需要变压器和整流器等。所以, 设备的价格、重量和尺寸都会减少。本例仅仅考虑了一家用户, 因此对于整个国家而言会带来更多的能源节约。
结束语
本文介绍了国际上直流配电相应的分析和计算方法以及多种实例。从国际上的现有经验而言, 在交流网络中增加直流网络从技术上并没有难题, 主要取决于技术经济分析和成本效益分析的结果。由于规模经济性的问题, 目前直流应用在交流的高压和低压网络中已经有许多实例, 而应用在中压还没有实例。
对现有交流网络是否引入直流的情况, 要考虑交流网络的运行年限、负荷特性等, 即要考虑现有存量资产的充分利用问题。国际上是在现有交流网络已经接近运行年限的前提下考虑采用新的直流供电模式, 而不是盲目地引入直流。
本文介绍的实际应用研究为我国配电网更新改造提供了思路, 给国内进行直流研究提供了参考与借鉴。
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建筑直流配电系统研究 篇8
1 热轧1580加热炉10KV站直流接地故障实例处理方法分析
1.1 加热炉10KV系统直流接地故障分析 (一点接地)
在一次例行巡检中, 变电站值班人员发现直流屏检测到Ⅰ段控制母线接地, 绝缘值为:18.9K (低于正常值99.9K) , 正极对地电压:80V, 负极对地电压:-140V, 直流Ⅰ段控制母线电压正极有接地现象, 并断定为实接地。按照直流屏报警信息, 报警点在Ⅰ段供电系统内, 按照经验初步判断此接地点为一点接地。
为进一步确认故障点, 将对Ⅰ段每台高压柜内的控制母线所带的二次开关利用“瞬时停电”的方法, 在断开二次开关之后, 判断系统是否能恢复正常, 以此来确认故障点。
1) 依次用“瞬时停电”的方法断开每台高压柜的二次开关, 当断开5119加热炉1#排烟风机的二次开关后, 直流系统恢复正常。合上二次空开, 直流屏报警。确定故障点在5119加热炉1#排烟风机高压柜内。
2) 控制母线共带3个二次回路:FB20保护电源回路, FB30控制电源回路, FB80闭锁电源回路。断开二次开关也都采用断开“瞬时停电”的方法。
3) 断开FB20保护电源开关、FB80闭锁电源开关, 直流屏依旧报警, 此路不是故障点。
4) 断开FB30控制电源开关, 直流屏经过短时间后, 报警消除, 此路开关下的各线路为故障的真正原因。据此判断出, 故障点在控制回路系统内。
5) 经过进一步分析直流系统的故障点为:5119加热炉1#排烟排风机高压柜FB30控制电源回路内, 端子321所接的PLC合闸线 (远程合闸) 接地。
1.2 加热炉10KV系统直流接地故障分析 (多点故障)
在加热炉10KV站投入之初的一段时间, 加热炉的直流屏多次报警, 报10KVⅠ和Ⅱ控制母线接地, 经测量发现正接地电压大概为40V左右, 负接地为-180V左右, 并且值总是闪变, 对于判断故障有难度。经过几次对报警点的监控和测量, 初步怀疑为多点故障, 并且可能都是虚接地。
加热炉直流屏共有5路出线。将上述5路直流电源依次用“瞬时停电”的方法断电。发现直流屏报警消除, 总的绝缘值及各分支路的绝缘值正常, 直流屏本身无故障。
1) 检查直流屏到高压柜和后台监控系统的这段电缆有无故障。
2) 检查高压柜内的直流小母线在所有穿高压柜顶的电缆有无故障。
3) 检查每台高压柜内二次回路, 逐个判断故障点。检查到此步骤, 接下来最重要的问题就是排查方法。此次排查方法结合实际的维护经验, 与排除一点接地采取截然不同的方法, 将每台高压柜的所有二次回路开关全部断开, 大约150个二次空开。
1) 将150多个二次开关都断开后, 先合进线柜及母联柜二次开关, 直流屏无报警, 运行参数正常。2) 其次, 合PT柜、备用柜、变压器柜及1#和3#炉风机柜的二次开关, 直流屏无报警, 运行参数正常。3) 当合2#炉1#阻燃风机柜的二次开关时, 直流屏报警, 再次断开开关, 直流屏报警解除。2#炉另外3台风机也存在相同的问题。可以判断2#炉的4台风机柜为故障点。断开此4台高压柜的二次开关。4) 确认故障点后, 检查其中2#炉1#阻燃风机柜。经检查为PLC系统内的24V直流电源串入高压的直流系统中, 4路24V直流的正电和原直流系统的110V正电相冲突, 导致直流系统异常, 出现多次报警并且闪报, 直流电压被拉低的现象, 经过改线后, 直流系统恢复正常, 运行参数正常, 故障解决。
2 结论
经过上述在实际运行中出现的直流接地故障和处理的方法, 总结出适合热轧的供配电直流系统接地故障处理的方法。
1) 分清接地故障的极性, 分析故障发生的原因。
2) 用分网法缩小查找范围, 因为热轧供电系统在正常运行时, 都为单母线分段运行, 故检查直流系统时, 应该以“段”为单位。
3) 对于不太重要的直流负荷及不能转移的分路, 利用“瞬时停电”的方法, 查该分路中所带回路有无接地故障。
4) 利用瞬时停电的方法选择直流接地时, 应按照下列顺序进行:断开现场临时工作电源→断合附属设备→断合充电回路→断合合闸回路→断合信号回路→断合操作回路→断合蓄电池回路。以此来判断故障点。
5) 直流系统中发生两点 (或者两点以上) 接地, 采用“瞬时停电的方法依次断开直流二次开关来排查故障点”的方法将不适用。因为两点或者两点以上接地的直流系统中, 当断开其中一个故障点, 直流屏报警不会消失。建议采用如下方法:将所有的二次回路开关全部断开, 直流屏消除报警, 然后逐次合每条支路的二次开关, 当合上某个开关不报警时, 此路开关不断开;当合上某路开关直流屏报警, 在断开此路开关报警消除, 可以断定, 这路开关为故障点之一。用此方法可以检查出所有的故障点, 在逐个隔离并检查相应的故障点。
在今后的设备运行维护中, 我们对发生的典型故障及其处理方法认真总结, 用实际积累的方法和经验更好的指导日常的工作, 保证设备的稳定和安全按运行。
摘要：直流系统发生一点接地时, 正、负极对地电压发生变化, 接地极对地电压降低, 非接地极电压升高。但是, 存在一点接地的直流系统, 供电可靠性大大降低, 因为在接地点未消除时再发生第二点接地, 极易引起直流短路和开关误动、拒动。所以直流系统如果一点接地时, 设备虽可以继续运行, 但接地点必须尽快查到;如果发生两点以上接地时, 更应该快速准确的找到故障点, 立即消除或隔离。因此, 直流接地故障的查找处理方法对于直流故障的及时处理起着至关重要的作用。
关键词：直流系统,直流接地故障,控制母线
参考文献
[1]首钢京唐联合有限责任公司1580mm热轧工程加热炉10KV站原理图.
建筑直流配电系统研究 篇9
1 高层建筑及其配电系统的特点
高层建筑与其他的中低层建筑相比较, 尽管有许多相似的地方, 但是, 其本身也具有一些特征:首先高层建筑中的人员数量十分庞大, 并且建筑结构复杂, 同时具备很多方面的功能设计, 与之相配套的各种设备的是多种多样, 并且, 很多的高层建筑往往都是用于商务办公, 常常由众多家公司共同使用, 每一家公司在装修设计方面经常“别具匠心”, 这就对建筑的整体管理非常不利。高层建筑近些年才开始普及, 因此, 其中的电气自动化设备都是非常的先进和齐备, 如空调、电梯等等都是基本的必备服务设施, 而这些电气的使用都离不开供配电系统的支持。一旦供配电系统出现问题, 将会给建筑中的工作人员带来严重的影响。因此, 人们对高层建筑的配电系统有更高的要求。高层建筑配电系统必须保证高度的可靠性和安全性。
2 保证高层建筑配电系统可安全靠性的要求
现代高层建筑的一系列使用特征, 必定会对高层建筑配电系统产生更高的要求, 具体的要求有以下几个方面:
2.1 保证供电电源的可靠性
无论是高层的居民楼还是商务楼, 用电方面的需求都是十分的巨大, 并且用电的时间相对比较集中, 这就会在用电高峰时段, 造成非常大的负荷, 为供电设备带来相当大的压力。为了保证供电的可靠性以及用电单位或个人的电器安全性, 必须采取两路或者更多的独立电源进行电力供给, 并且, 还要设置相应配套的柴油发电机组以防备在紧急事件发生时, 供电系统出现临时故障。为企业和个人带来无法挽回的损失。
2.2 满足用电设备对电能质量的要求
由于建筑物的高度问题, 相应的供电线路选用的都比较长, 常常会造成一定的线路损失和电压损失, 为了尽量减少损失的发生, 配电变压器要根据具体情况对每一层楼进行单独布置, 并在操作的过程中, 力求供配电系统可靠简单, 可操作性强, 检修方便快捷。另外, 在对变配电设备进行布置的时候, 如果是民用设备, 通常要将总配电室设置在地下一层 (一般都会有地下两层) , 随着新设备、新材料的不断开发, 相应的供配电系统要不断的进行自我更新与完善。
3 我国高层建筑配电系统的安全可靠性方面存在的问题
通过对现有高层建筑中配电系统进行分析研究发展, 其中存在着一些需要解决的现实问题:配点系统中的插接式母线, 如果被弄上水或者砂浆, 就会受潮, 将会失去绝缘的效果, 并且很难恢复过来, 但是, 很多工人在施工的过程中, 常常忽视这一问题, 为以后留下隐患;工作人员在进行各种预埋的管路安装时, 经常会不小心将水或者混凝土带入其中, 这些物体一旦进入之后, 就会造成管道的阻塞现象, 当进行线路穿插时, 就会造成严重的阻碍, 严重的时候, 工程不得不重新返工, 费时费力, 造成工期的延误, 并且, 对以建筑部分造成一定的损害。变压器是供配电系统的核心设备, 在运输和保存的过程中, 经常会因为各种原因造成机械损伤或者受潮现象。这样, 一旦电气设备发生了漏电现象, 原本电流应该顺着设备的外壳、保护接零线 (保护接地线) 零线 (大地) 形成闭合回路, 避免对人员造成危害。但是, 由于发生了上述现象, 致使过流保护装置可靠性失效, 会造成重大危险;在使用过程中, 还经常会遇到过电流的自动保护开关突然失效, 故障点在系统的远端, 故障回路阻抗大, 漏电短路电流使熔断器动作等现象。这些现象的发生, 很多情况下都是人为造成的, 因此, 有必要加强工作人员的安全意识。
4 提高高层建筑配电系统的安全可靠性的措施建议
鉴于以上研究分析, 保证高层建筑配电系统安全可靠性的一般措施如下:
4.1 非线性负荷的电气设备, 如气体放电灯、微波炉、可控硅调光装置等, 这类设备的负荷电流含有多次谐波电流, 由于3次及其奇数倍谐波在中性线内不是匀相抵消而是叠加的, 叠加后的电流最大可接近相线电流的两倍, 能使中性线过载发热, 加速绝缘老化而短路起火。
4.2 用于计算机的不间断电源其输出功率应大于计算机及各用电设备额功率总和的150%。
4.3 插座额定电流对己知使用设备都应大于设备额定电流的1.35倍, 未知使用设备者不应小于11A
4.4 单台交流电梯和直流电梯供电导体的连续工作载流量应大于铭牌连接工作额定电流 (或交流额定输入电流) 的1.6倍。
4.5 低压并联电容器线路的刀开关和交流接触器的导体载流量应不小于其负荷 (电容器额定电流) 的1.8倍。
5 结论
随着我国经济建设的不断迅速发展, 我国的建筑事业还会取得更加辉煌的成绩。高层建筑也会不断增多, 综合考虑高层建筑的诸多特点, 我们应该清醒的认识到, 高层建筑的防范重要性。尤其是在供配电系统的安全可靠性设计方面, 要不断的进行深入分析与研究工作, 采用安全可靠的供配电设施, 合理进行线路的铺设工作, 力争做到高层建筑供配电系统的安全可靠
参考文献
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