基于艾默生电源控制模块的直流屏设计

1选题背景

直流屏是直流电源操作系统的简称,其常常也被称作智能免维护直流电屏,它是用来供应直流电源的装置。现今许多发电厂及变电站中操作电力的电源采用的都是直流电源,它向控制负荷、动力负荷以及直流事故照明负荷等提供电源,是当代控制、保护电力系统的基础。直流屏多应用于电力系统中的发电厂、水电站、各类变电站等,也应用于石化、矿山、铁路等行业中供电系统,它还适用于开关分合闸及二次回路中的仪器、仪表、继电保护和故障照明等场合。直流屏也是一种基于控制、保护、管理、测量的全新的数字化直流系统。直流屏通常包括整流模块、监控模块、电池组、降压单元、配电单元,整流模块、监控模块、电池组、降压单元、配电单元均安装在标准配电柜内。监控模块采用LCD显示,按键操作,实现友好的人机界面,工作参数、故障状态一目了然。

2功能介绍及设计

2.1实现两路交流进线自动切换

直流屏交流进线分为主交流进线与备用交流进线,当主交流进线出现故障时,系统自动切换到备用交流进线。

为直流屏配置交流进线监控模块,能监测进线回路和每段母线的电压、电流,并能根据这些数据判断交流进线的情况,从而控制选择主交流进线或备用交流进线。

在这里我们选用艾默生EAU01智能交流配电监控模块,其面板端子图如图1所示。

端子P1+、P1-是该模块的电源端子,用来给该模块提供电源,端子NA、NB、NC用来监测主交流进线上的电压,判断主交流进线状态,端子EA、EB、EC用来监测备用交流进线的电压,判断备用交流进线的状态。端子NR+、NR-、ER+、ER-分别用来控制交流进线下端接触器的吸合,为了避免接触器同时吸合,实现两路交流进线互为闭锁,在主交流进线中的接触器控制线路中接入备用交流进线中的接触器的常闭节点,同时也需要在备用交流进线中的接触器控制线路中接入主交流进线中的接触器的常闭节点。

通过以上设计,实现对两路交流进线的监测与主交流进线故障时的自动切换。

2.2充电功能设计

充电功能即整流模块将交流转换成直流的过程。在这个过程中,整流模块输出的电流一部分供设备使用,一部分需要对电池进行充电。对电池充电一般分为两种情况:均充、浮充。均充充电较快,它以定电流、定时间的方式对电池充电。当电池充满状态时,整流模块并不会停止向电池充电,仍会提供恒定电压和很小的电流为电池充电。这主要是因为,不管电池是否在使用,都会自然地释放电能,所以利用浮充这种方式,可以弥补这种自然放电。因此,整流模块需要有监测直流输出电压、电流的功能,并据此进行均充、浮充选择。现有的整流模块智能程度比较高,基本都具有这种功能,因此不需要我们做过多的设计。在这里我们使用艾默生的ER22010/T整流模块,该系列是艾默生最新产品,具有过压保护、欠压保护、输出电流短路保护等,性价比较高。

2.3直流馈线监测模块设计

直流馈线监测模块主要用于监测系统中的直流电压、直流电流、母线绝缘,并能控制降压硅链,实现合母电压和控母电压的自动调节。直流馈线监测模块我们使用艾默生的EDU01模块,该模块的端子如图2所示。

端子HM+、HM-用于监测合闸母线电压,端子KM+、KM-用于监测控制母线电压,为了确保安全,这四个端子在与母排连接中间需要加入熔断器。

端子IB+、IB-用于监测电池电流,端子IZ+、IZ-用于监测负载电流,VB+、IB+用于监测电池电压。

K1、K2、K3用于控制降压硅链,实现合母电压、控母电压的自动调节。在220V的直流屏系统中,直流输出的额定电压是220V,合母电压应为额定电压的87.5%～112.5%,控母电压应为额定电压的85%～110%。为保证系统中既有合母电压也有控母电压,我们通过降压硅链实现该目标,通过将合母电压适当降压来得到控母电压,从而满足系统要求。我们用直流馈线监测模块上K1/K2/K3端子、继电器、降压硅链实现7级降压,每级5V。控制连接如图3所示。

继电器状态与降压硅链所降电压的关系如表1所示。

2.4电池监测仪

直流屏中配备电池监测仪,主要用来监测电池组单个电池的电压。在这个设计中,我们选用艾默生EBU01电池监测仪对电池组进行监测。为了保证该模块的安全,为该模块的电源端子以及用来采集单个电池电压的端子接上300VDC直流熔断器。

EBU端子如图4所示。

Tx-、Tx-为通信线,TP1、TP2用来连接温度传感器,每个电池的正极连接到1+～24+端子上,每个电池的负极串联,并连接到24-,当电池不足24个时,将多余的正极端子串联到24-上。在设计方案中,用到的电池数为18个,将18个电池的正极分别连接到1+～18+端子上,将电池负极串联起来连接到24-端子上,并将19+～24+端子串联,连接到24-端子上。

2.5监控功能

智能一体化电源系统的监控功能应集成在信息一体化平台中实现。主界面应显示智能一体化电源系统的主接线图,正确反映智能一体化电源各功能单元的实时运行工况和信息。智能一体化电源各功能单元均有独立的子界面,子界面能以模拟图等方式显示。

3电池容量设计及充电模块计算

3.1电池容量设计

电池容量设计基于直流负荷的统计,直流负荷按性质可分为经常负荷、事故负荷、冲击负荷。经常负荷主要是保护、控制、自动装置和通信设置。事故负荷是指停电后必须由直流系统供电的负荷,如UPs、通信设置等。冲击负荷是指极短时间内施加的大电流负荷,比如断路器分、合闸操作等。根据上述三种直流负荷统计就可以计算出事故状态下的直流持续放电容量。

一般220kV变电站直流系统的蓄电池要选择两组,电池容量150～200Ah:110kV变电站直流系统的蓄电池要选择一组,电池容量100～150Ah:35kV变电站直流系统的蓄电池要选择一组,电池容量50～100Ah。此次设计电池容量为100Ah。

3.2充电模块计算

充电模块的数量是基于电池容量来计算的。充电模块数量的配置需全部模块额定电流总值≥最大经常负荷加蓄电池充电电流(蓄电池充电电流按0.1C10～0.2C10）。如100Ah的蓄电池组其充电电流是0.1C×100=10A,在不计算经常负荷的情况下选用额定电流5A的模块,2个模块就可满足对蓄电池充电的需求,设计时要实现N+1冗余,因此总共选择3个5A模块。

4结语

设计直流屏,不但要根据实际情况,选择合适的容量及充电模块的数据,还应该充分利用交流进线监控模块、直流馈线监测模块、电池监测仪等模块实现对直流屏系统运行状态的监测。除此之外,还需对断路器的规格、熔断器的熔断能力、线缆的直径等进行计算选择,从而保证整个系统的可靠性。