改造交直流系统时的临时供电装置

朱建生

（上海送变电工程公司，上海 200235）

0 引言

变电站交直流系统的改造，涉及电网的安全运行和发电效益，因此尽量缩短改造过程中交直流屏的失电时间，有利于电网安全运行和社会经济建设。此外，交直流系统改造工艺如果采用单纯端子排过渡，将使整个系统失去保护，存在交直流系统越级跳闸并且损坏电气设备。针对变电站改造项目中经常遇到交直流系统临时供电过渡的棘手问题，通过自主研制一种临时过渡供电装置，有力提高了供电可靠性以及提高了工作效率。

1 交流配电箱设计方案

交流配电箱的设计构想为制造一个单路供电的交流配电箱，配电箱与原交流屏构成双路供电系统，改造时可将原交流屏负载全部转移至配电箱，完成负载转移后切换到新交流屏；新交流屏也与配电箱构成双路供电系统，将负载转移至新交流屏。这样，通过配电箱、原有开关柜或屏柜内的联络开关，进行负载的“无缝”转移，保障系统安全。

1.1 确定交流负载电流

按照《工业与民用配电设计手册》（第三版，2005年）提供的计算方法和经验公式，设计交流配电箱时，先要确定变电站全站正常运行下的负载情况。通过查阅原始设计图纸以及到现场勘查设备，汇总了35 k V变电站站内日常负载数据，用于确定正常运行时站内的实际电流。实际电流是指考虑到综合损耗等相关因素，实际电流＝计算电流×损耗系数。为了简化计算，损耗系数按经验数取1.1。

35 k V变电站设备一般分两段布置，所以开关柜内的加热器、照明、储能分两段考虑，照明负载较小，实际计算时与加热器综合考虑；开关柜内储能电机工作时会有短暂涌流功率，每台约为500 W，但实际电机同时启动概率较小，故不做考虑。

根据站内电气设备的容量、数量、功率因数及上述原则，按实际电流算式计算，分别可得开关柜内加热器单相电流为50 A，开关柜内照明单相电流为6 A，开关柜内储能电机单相电流为60 A，站内照明灯及插座三相电流为100 A，风机电流为10 A，空调电流为35 A，潜水泵电流为10 A，直流屏80 Ah电流为35 A，检修电源电流为45 A，有载调压装置电流为5 A。

1.2 确定交流最大负载电流

在明确站内负载后进行三相配平，可以确定站内交流最大负载电流，用于确定配电箱的总进线开关容量。配平电流是指单相电流进行三相负载平衡后的各相电流，最大相配平电流作为等值三相电流。

开关柜内照明、加热器分两段，考虑到核相问题，均取A相配56 A；开关柜内储能电机也分两段，考虑到核相问题，均取B相配60 A。根据照明负载分布情况，A相配15 A（3层照明），B相配15 A（3层插座及其他），C相配70 A（一、二层照明及插座）；全站风机配C相10 A。最终，A相的配平电流为56 A＋15 A＝71 A，B相的配平电流为60 A＋15 A＝75 A，C相的配平电流为70 A＋10 A＝80 A，三相电流基本平衡，等值三相电流为80 A。

实际最大负荷计算有两种方法：

1）实际负载＝总负载×应用系数，应用系数为0.3～0.4，即实际负载＝（80＋35＋10＋35＋45＋5）×0.4＝84（A）。

2）根据实际使用情况确定负载量。更换整套交流屏工时需要5～6 h，主要负载可能是站内空调、直流屏以及开关柜内加热器，即实际负载＝35＋35＋50＝120（A），此电流为站内可能出现的最大负载数。

考虑到改造设备的不确定风险因素，配电柜建议采用120 A以上的总进断路器。

1.3 选择微型断路器

通过计算负载电流确认选用的开关，按已有变电站规模，推荐设置16路出线，其中13路涵盖35 k V变电站绝大多数交流回路，另设3路备用，保证特殊情况下施工正常进行。一、二段开关柜内加热器、照明回路各用1只5SJ6332（微型断路器）；一、二段开关柜内储能电机回路各用1只5SJ6332；3层站内照明灯及插座回路分别用2只5SJ6340，1只5SJ6332；风机回路采用1只5SJ6316；空调回路采用1只5SJ6340；潜水泵回路采用1只5SJ6316；直流屏80Ah回路采用1只5SJ6340；检修电源回路采用1只5SJ6364；有载调压装置（电机、控制及照明）回路采用1只5SJ6310；其他备用回路分别用3只5SJ6364、5SJ6332、5SJ6316。

2 直流配电箱的设计方案

直流配电箱的设计构想与交流配电箱类似，但电源涉及蓄电池组及其单向保护。

2.1 负载特征分析

直流负载按负载特征可分为经常负载、事故负载和冲击负载3种。

2.1.1 经常负载统计

经常负载是指变电站内直流系统在正常运行和事故工况下，系统均能可靠供电的负载量。以35 k V赵屯变电站为例，采用南瑞的综合保护装置，测控装置功耗小于25 W，保护装置动作时小于50 W。测控装置参照保护装置考虑，操作箱参照测控装置考虑。

35 k V线路测控装置负载：4×25 W＝100 W。35 k V分段及电压互感器（TV）并列装置负载：3× 25 W＝75 W；35 k V线路保护装置负载：4×50 W＋4×25 W＝300 W；35 k V母线及故障录波装置负载：2×50 W＝100 W；35 k V和10 k V分段备自投及TV并列装置负载：2×50 SW＋2×25 W＝150 W；主变保护装置负载：3×5×50 W＝750 W；主变测控装置负载：3×4×25 W＝300 W；10 k V保护装置负载：20×25 W＝500 W；小电流选线及低周减载负载：2×50 W＝100 W；全站电能表辅助电源负载：54×3 W＝162 W。

2.1.2 事故负载统计

事故负载是指直流系统在交流电源系统事故停电时段内可靠供电的负载。35 k V变电站的事故负载分为事故照明负载和自控装置UPS电源装置两种。

目前，变电站的事故照明系统大多采用节能灯具，用电量较少，可选1.6 k W计算。UPS电源主要供后台系统、通信交换机等设备使用，可选3 k W计算。

2.1.3 冲击负载统计

事故负载在短时间内会施加较大的负载电流。冲击负载出现在事故初期（1 min），称为初期冲击负载；出现在事故末期或者事故过程中称随机冲击负载（5 s）。弹簧操作机构的断路器的分、合闸电流一般为2 A。

2.2 确定直流负载电流

通过计算用电量确定负载大小，再根据负载大小选择直流断路器是较为常用的方法，但有2个问题会制约通过计算电流确定的微型断路器的容量。

1）每个变电站的保护装置、远动装置及自动化装置各不相同，虽然可以统计到相应的设备容量，但是这些保护、自控装置对变电站关系重大，在改造过程中不可能根据计算负载电流来确定微型断路器容量，而且运行单位也不允许，所以坚持参照原有设计方案进行。

2）在选择断路器或是熔断器的额定电流时，应该首先以每一级所承受的最大冲击电流作为依据，然后参考脱扣特性、熔断特性以及级差配合予以综合考虑。

对于直流微型断路器无论是过载还是短路引起跳闸，其脱扣器的动作都要有一定时间，要控制2个型号规格类似或差别很小的微型断路器跳闸顺序是很难的，甚至根本做不到，即跳闸是随意的；要做到顺序地控制，就必须满足一些条件，比如上一级用40 A，下级用20 A，也就是采用级差判定，或可采用厂家提供微型断路器第一、二、三级的配置方案进行设置，保证它们的参数和灵敏度有较大的差别。

鉴于上述两点原因，临时配电箱内直流开关的选择采用与站内直流屏相应回路相同容量的空气开关，不再另行进行负荷计算。

2.3 直流配电箱微型断路器

根据已经更换直流屏的变电站的直流屏配置情况，拟定直流配电箱的直流空开配置，即交流屏信号电源；35 k V的一段、二段信号电源；10 k V的一段、二段信号电源；控制室的控制及信号电源；消弧线圈及小电流检测装置电源；1号、2号主变控保屏控制电源；1号、2号主变控保屏信号电源；辅助设备电源；备用回路；均采用5SJ5216开关。35 k V的一段、二段控制电源；10 k V的一段、二段控制电源；自动化及远动装置的电源回路，均采用5SJ5232开关。

3 设计配电箱箱体的要求

明确了总进开关及分支断路器容量和型号后，进行配电箱箱体的设计。设计时要综合考虑安全系数和有利于施工两个方面。

1）供电方式 交流配电箱采用单电源供电方式，共16路出线。直流配电箱采用双电源供电方式，一路蓄电池单元，一路交流整流单元，其中整流单元必须满足相同负载，建议配置20路出线。

2）温度 配电箱符合IEC 947-1有关温升的规定；连接外部绝缘导线的端子不大于70 K；母线固定连接处（铜—铜）不大于50 K；操作手柄的金属材质不大于15 K，绝缘材质不大于25 K；可接触的外壳和覆板，金属的表面不大于30 K，绝缘的表面不大于40 K。

3.1 进线及主母线回路

3.1.1 交流进线及主母线回路

1）交流进线电源采用高品质的160 A塑壳断路器，假如交流进线回路在装置内部发生短路等故障时，迅速、可靠地跳闸。

2）主母线不用铜排形式，采用具有同等再流量的铜制多股线作为主母排，端子箱内除接地铜排（接地铜排采用25 mm×4 mm紫铜排）无裸露导体。

3）主母线设在线监察器（电压表），具有熔丝保护。

3.1.2 直流进线及主母线回路

1）整流器进线电源采用闸刀配合熔断器方式，直流进线回路在装置内部发生短路等故障时，迅速、可靠地跳闸。

2）蓄电池进线电源采用闸刀配合熔断器方式，直流进线回路在装置内部发生短路等故障时，迅速、可靠地跳闸。

3）整流器装置与电源箱通过电缆连接，联络电缆有供应商提供。

4）蓄电池进线及整流器进线单元至主母线间设置足够容量单向导通装置，防止反向送电。

5）主母线不采用铜排形式，采用具有同等再流量的铜制多股线作为主母排，端子箱内无裸露导体。

6）主母线设在线监察器（电压表），并设熔丝保护。

3.2 馈出回路

1）交流馈线回路 配电采用铜制多股线连接方式，每路馈线输出均配有高品质的西门子空气断路器。卖方提供的馈线回路应满足各类负载的要求。例如：交流馈出回路16路三相馈线（其中63 A的回路2路，40 A的回路4路，32 A的回路6路，16 A的回路4路），4路单相馈线（其中10 A的回路2路，6 A的回路2路）。

2）直流馈线回路 交流馈线输出回路目前暂定20路直流馈线（其中32 A的回路6路，16 A的回路14路）。

3.3 柜体要求

1）柜体结构采用2 mm厚的不锈钢，电缆下进式，电缆孔要做好防划伤措施。

2）柜体下部配置可拆卸镂空底座，底座高为400 mm，以利于电缆穿入，镂空底座设置4只具有定位功能万象轮。

3）导电部分裸露处要有隔离安全挡板，防止人员触电。

4）柜体整体重量不超过60 kg，柜体两侧设置手拉配，柜体顶部设置吊物圆环。

5）柜屏尺寸按图纸要求设计，端子排采用威德米勒公司或凤凰公司生产的6 mm2端子，结构布置合理，不同回路间用插片隔离，并预装20片空端子备用。交流工作电压为380 V±10%；工频耐压为2 500 V／min；防护等级为IP30；电压、电流监测精度为0.5%；功率、电量监测精度为1%；功率因数为2%；频率为0.2 Hz。

4 结语

采用交直流配电箱替代传统端子排形式，作为交直流改造的主要中间过渡设备，将大大提高改造期间的人身安全及设备运行安全。该交直流配电箱目前只配了显示灯，还未配备报警装置，用以增加微型短路器的辅助接点来判断回路的状态。另外，交直流配电箱的容量还可以进一步扩展，以满足大型变电站改造所需。由于缺乏变电站负载长期运行的经验数据，对于站内各类负载的实际运行数据可能有出入，这将在今后的实际工作中加以改进和完善。