10～110kV变电站操作电源选择

一、10～110kV变电站供电电源与操作电源

1、10～110kV变电站供电电源：变电站室内外照明、办公与生活用电以及开关柜柜内照明、除湿器等用电都需要电源。变电站的供电电源需要设计两路电源供电，大中型变电站可设计两台所用变，当可由变压器低压侧取得220／380V电源时，可设计一台所用变；再设计直流屏作为操作电源。小型变电站一般由变压器低压侧取得220／380V电源，同时可选用容量为100VA以上的电压互感器，经过容量为100VA以上的100／220V升压变压器升压后作为操作电源。变电站在建筑物内时，上述电源可以与建筑物统一设计备用电源，变电站为独立建筑物时，上述电源可以采用EPS应急电源作为备用电源。

2、10～110kV变电站操作电源

1）10～110kV变电站操作电源的供电范围及可靠性要求：变电站断路器储能、保护跳闸、合分闸控制与信号回路以及数字式（微机）保护与监控装置需要的电源称为操作电源。变电站操作电源供电电源可靠性要求非常高，操作电源一旦发生故障，容易引起事故跳闸，甚至造成全站继电保护退出运行，所以变电站操作电源应单独设计。

操作电源包括为断路器操动机构储能回路供电的的电源，称为储能电源，习惯上又称为合分闸电源；断路器、电动负荷开关以及电动隔离开关合分闸操作回路需要的电源，称为控制电源；反映断路器、负荷开关与各种隔离开关合分闸位置以及手车运行位置的信号回路需要的电源，称为信号电源；以及数字式（微机）保护与监控装置信号输入回路需要的电源称为信号电源；数字式（微机）保护与监控装置本身需要的电源称为装置电源。

变电站操作电源消失后，除永磁操动机构外，可以人工手动储能与进行合分闸操作；但数字式（微机）保护与监控装置就会停止运行，变电站就会在无继电保护情况下运行；此时一旦发生事故就会引起越级跳闸，造成全站停电，加大经济损失。所以变电站操作电源的可靠性必须保证。如论变电站在建筑物内，还是为独立建筑物，操作电源都应单独设计备用电源，直流操作采用直流屏内的蓄电池作为备用电源，交流操作采用UPS不间断供电电源作为备用电源。

3）10～110kV变电站操作电源种类：变电站操作电源分为交流与直流两种，采用交流电源作为操作电源时简称为交流操作，采用直流电源作为操作电源时简称为直流操作，国家标准《继电保护和安全自动装置技术规程》（GB／T14285－2006）第6.1.2条规定：二次回路的工作电压不宜超过250V，最高不应超过500V。所以交流操作的电压为AC220V；直流操作的电压有DC220V、DC110与DC48V三种，DC48V较少采用。

4）10～110kV变电站交流操作电源

（1）交流操作的操作电源可直接取此所用变、变压器220／380V低压侧，或电压互感器（需要设计100／220V升压变压器）。由此可见交流操作电源简单、成本低但可靠性差，只能够用于三级负荷的小型变电站。为保证发生事故时可靠跳闸，采取电容储能与利用电流脱扣器跳闸等。采用数字式（微机）保护与监控装置后，只能够通过跳闸线圈跳闸（分励脱扣），此时必须选用可靠的后备电源，目前一般选用UPS不间断电源作为后备电源。由于UPS不间断电源的标准输出电压只有AC220V一种，所以交流操作的操作电源的电压均选AC220V。

由于变电站数字式（微机）保护装置现在都采用分闸线圈分励跳闸，交流操作电源与变电站数字式（微机）保护装置电源应设计UPS不间断电源，或EPS应急电源，其切换应为低电压切换，保证在变电站内部发生短路后，电压降低仍能够进行切换。切换时间应小于变配电站数字式（微机）保护装置保护出口动作时间（一般为35mS），如果大于35ms，受操作电源的影响，保护跳闸时间会延长相应时间，继电保护的选择性就容易破坏。UPS不间断电源或EPS应急电源的容量应按照满足合分闸需要来考虑，一般选1～3kVA。

（2）传统常规保护交流操

作去分流式反时限保护原理图如右图所示。从图中可以看到正常时过电流继电器KA常闭接点将电流脱扣器电流分流，所以称为去分流式。

当发生事故后，事故事故电流超过过电流继电器KA的动作电流时，过电流继电器KA动作，其常开接点闭合，常闭接点打开。根据KA反时限保护特性曲线，达到规定的动作时限后，过电流继电器KA常闭接点打开，常开接点闭合，电流脱扣器线圈接通直接跳闸。发生事故后，事故没有切除之前，事故电流就一直存在，电流脱扣器跳闸与操作电源无关，而且不受操作电源电压波动的影响，所以其可靠性就非常高。

传统常规保护交流操作去分流式定时限保护。时间继电器KT的电源由操作电源提供，其可靠性就与操作电源可靠性有关。去分流式交流操作常规继电保护的整定值计算及灵敏系数校验与直流操作的计算方同。由于过电流继电器KA与中间继电器KM以及电流脱扣器YCT的阻抗为非线性，需要进行电流互感器10％误差校验。过电流继电器KA与中间继电器KM的接点串联在电流回路，发生短路事故后要进行大电流切换，需要采用专用继电器，接点容量必须进行校验。电流脱扣器动作可靠性也必须进行校验。

去分流式反时限保护可由反时限保护特性曲线来实现速断与过电流保护，需要时还要增加过负荷保护。去分流式定时限保护只能实现过速断保护，需要时还要增加过电流与过负荷保护。因此交流操作常规继电保护的应用范围就受到一定限制。

（3）现在国外有无外部电源的变电站数字式（微机）保护装置，实际上是不需要外部供电电源，而由电流互感器提供电源。变电站数字式（微机）保护装置供电电源容量虽然只有几瓦，但也会加大电流互感器二次侧负载。电流互感器一次侧负荷电流比较小时，变电站数字式（微机保护）装置供电电源无法保证，技术上有一定难度。可以采用电压互感器给变电站数字式（微机）保护装置提供供电电源，交流操作通过电流脱扣进行速断保护跳闸，再将变电站数字式（微机）保护装置内部电源的滤波电解电容器容量加大，保证在变电站数字式（微机）保护装置外部电源中断后能使变电站数字式（微机）保护装置维持继续运行0.5S

就可以满足电流速断保护的要求，这样技术上要简单许多。

5）10～110kV变电站直流操作电源

（1）国家标准《继电保护和安全自动装置技术规程》（GB／T14285－2006）第6.3.1条规定：继电保护和安全自动装置的直流电源，电压纹波系数应不大于2%，最低电压不低于额定电压的85%，最高电压不高于额定电压的110%。第6.1.5条c）规定：操作回路在最大负荷时，电源引出端到断路器分、合闸线圈的电压降不应超过额定电压的10%。国家标准《电力装置的继电保护和安全自动装置设计规范》（GB／T50062－2008）第15.3.1条规定：继电保护和安全自动装置应由可靠的直流电源装置（系统）供电。直流母线电压允许波动范围为85～110%，纹波系数应不大于1%。

国家电力行业标准《电力工程直流系统设计技术规程（DL/T5044－2004）》第5.2.2条规定：有人值班的变电站，全站交流电源事故停电的时间应按1h计算；无人值班的变电站，全站交流电源事故停电的时间应按2h计算。

（2）为保证合分闸的可靠性，断路器的合分闸闸线圈的电压允许波动范围为65～120%。

（3）直流操作电源采用整流技术将AC220／380V交流电转换为DC220V、DC110V或DC48V直流电作为操作电源，同时配备相应电压等级的蓄电池，平时由AC220／380V交流电源通过整流后供电，并给蓄电池浮充电。AC220／380V交流电源断电后，自动而且无延时（又称为无扰动）切换到由蓄电池供电，所以其供电可靠性非常高，可靠性要求高的变电站均采用直流操作电源。现在弹簧与永磁操动机构需要的功率都很小，而且DC110V电压比DC220V电压，蓄电池串联节数减少一半，所以直流操作电源的电压应优先选用DC110V，国家建筑标准设计图集D203－1～2《变配电所二次接线》说明中也提出采用弹簧储能操动机构后，直流操作应优先选用DC110V电压。

二、10～110kV变电站操作电源负荷与输出功率计算

1、10～110kV变电站操作电源负荷计算

1）10～110kV变电站操作电源的负荷计算是选择操作电源输出功率与蓄电池容量的依据。操作电源输出功率与蓄电池容量过大会造成浪费，过小又会影响到操作电源运行的可靠性。变电站操作电源的负荷计分为长期运行负荷、短期运行负荷与瞬时运行负荷。

2）10～110kV变电站操作电源的长期运行负荷为信号灯与数字式（微机）保护与监控装置。每个开关柜有合分闸指示、手车运行与试验位置指示以及储能位置指示5个信号灯（每个0.5～1W），一个数字式（微机）保护或监控装置（每个5～10W）。5个信号灯只能够有三个同时运行，每个开关柜长期运行负荷可15W计算。

3）10～110kV变电站操作电源的短期运行负荷为断路器储能需要的功率，弹簧储能操动机构的储能电动机的功率为80～200W，永磁操动机构为电容器储能，储能功率小于100W，储能时间均为6～8s。负荷开关为电动操作，电动机功率比较大一般为300W，合闸设计也比较长，一般大于10s。一般很少有几台断路器同时合闸，短期运行负荷一般可按照两台弹簧储能操动机构储能所需要的功率（200W）考虑。

4）10～110kV变电站操作电源的瞬时运行负荷为断路器操动机构合分闸闸线圈需要的隔离，弹簧储能操动机构合分闸闸线圈的电流一般为1～4A，永磁操动机构的合分闸电流只有几十毫安，合分闸时间均20～50ms，属于瞬时性负荷。发生事故后不发生越级跳闸时，只有一个断路器跳闸；同时发生多路事故跳闸的几率非常小；人工操作也不会同时操作几个断路器合闸。当发生事故后又发生越级跳闸时就会出现两台断路器同时跳闸，但每台跳闸动作时间只有20～50ms，所以瞬时运行负荷一般可按照两台断路器跳闸所需要的功率（10A）考虑。

2、10～110kV变电站操作电源输出功率计算

1）10～110kV变电站操作电源的输出功率可按照开关柜数量以及断路器操动机构型号与规格等先计算出操作电源的负荷。然后再按照60～80%负荷率来计算操作电源的输出功率。

2）现10～110kV在变电站电气设计选择操作电源时一般都不进行负荷计算，对操作电源的输出功率也没有进行具体计算，直流屏产品说明书中只有采用了几个充电模块，没有注明每个充电模块的输出功率。交流操作的UPS不间断电源功率选用1～3kVA，工作时间选用0.5～2h。现在将根据操作电源负荷计算后确定的操作电源输出功率列表如下，供电气设计参考。

变电站操作电源负荷与输出功率估算表

3、10～110kV变电站操作电源容量计算

1）现在10～110kV变电站电气设计选择操作电源时只估算或根据当地供电部门要求选择出直流屏的蓄电池Ah数，或UPS不间断电源的工作时间（小时数）。直流屏蓄电池容量小型变电站一般选20Ah、中型变电站一般选38Ah、较大一点变电站65～100Ah。

2）现在信号灯与数字式（微机）保护与监控装置的额定功率随着产品技术性能的不断改进逐渐减小，所以变电站操作电源的容量也应该减小。直流屏在交流电源断电后蓄电池的工作时间，可根据国家电力行业标准《电力工程直流系统设计技术规程（DL/T5044－2004）》第5.2.2条规定，全站交流电源事故停电的时间按2h计算。现在将根据操作电源负荷计算后确定的直流屏蓄电池容量列表如下，供电气设计参考。

变电站操作直流屏蓄电池容量（Ah）估算表

三、10～110kV变电站操作电源的电气设计

1、 10～110kV变电站操作电源的供电电源设计：操作电源的供电电源有所用变的变电站直接取此所用变。无所用变的变电站取此10/0.4kV变压器的380/220V低压侧。即无所用变又无10/0.4kV变压器的变电站可取此电压互感器，此时电压互感器容量需要加大，还需要设计100/220V升压变压器。操作电源的交流输入电源一般都选用两路交流电源，并设计自动切换，由于负荷电流比较小，电缆截面可选用10～16mm2，并需要满足上一级断路器的保护要求。

采用ZCNUP变电站直流操作电源后，ZCNUP变电站直流操作电源直接安装在开关柜、隔离柜或电压互感器柜仪表时，交流电源可取自电压互感器二次侧。由于ZCNUP变电站直流操作电源的交流输入电源电压可以为110V，这样就不再需要设计100/220V升压变压器。变电站开关柜不大于10面时，电压互感器容量可选100VA，极限输出容量为200VA；变电站开关柜大于10面时，电压互感器容量可选200VA，极限输出容量为400VA。

2、 10～110kV变电站操作电源到控制保护屏或开关柜的供电电缆设计：采用数字式（微机）保护装置后，由交流或直流电源屏引到控制保护屏或开关柜的电缆减少很多。为了提高供电可靠性，交流或直流电源屏可安装两段母线设计，每段各引出一路储能电源（又称为合分闸电源±WCL）与一路控制与信号共用的电源（又称为控制电源±WC），分别到两段控制保护屏或两排开关柜。由于负荷电流比较小，电缆截面可选用4～6mm²。储能电源（±WCL）与控制电源（±WC）引到两段控制保护屏或两排开关柜后，再由柜顶小母线引到相应接线端子上。控制电源（±WC）引到接线端子后再设计低压断路器或熔断器分为控制电源（±WC）与数字式（微机）保护或监控装置电源（±ZWC），信号电源在控制保护屏或开关柜内可与控制电源（±WC）共用一路电源。交流操作的储能电源符号为WCL（L1）与WCL（L3），控制电源符号为WC（L1）与WC（L3），数字式（微机）保护或监控装置电源符号为ZWC（L1）与ZWC（L3）。

四、ZCNUP变电站直流操作电源

1、现有变电站操作电源存在的问题

1）现有变电站交流操作电源存在的问题：交流操作电源采用UPS不间断电源后，继电保护就可以采用分励脱扣线圈（跳闸线圈）来跳闸，不再采用电流脱扣器线圈（跳闸线圈）来跳闸，从而免去继电器强力切换接点容量校验和电流脱扣器线圈动作可靠性校验两项特殊的继电保护整定计算。UPS不间断电源容量不宜超过3kVA，中小型变电站一般选用1kVA。由于UPS不间断电源不适宜带感性负荷，所以弹簧储能电源需要直接由交流电源供电，在交流电源断电后UPS不间断电源工作时间一般选用0.5～2h。UPS不间断电源在安装位置与散热等方面也存在一些问题，所以一般只用于小型变电站。

2）现有变电站直流操作电源存在的问题：变电站直流操作电源一般选用直流屏，直流屏的蓄电池都采用串联连接方式，单节蓄电池额定电压为12V时，DC220V就需要20节蓄电池串联连接，DC110V也需要10节蓄电池串联连接。蓄电池串联连接的节数越多故障率也就越高。只要有一节蓄电池内阻变大，蓄电池的输出电流就会受到影响；如果有一节蓄电池开路，直流屏蓄电池就无备用电源输出。

2、ZCNUP变电站直流操作电源的特点

1）蓄电池智能化管理：ZCNUP变电站直流操作电源对蓄电池实现智能化管理，蓄电池一旦发生故障能够及时报警，并可通过串行通信接口进行远程传输。还可以对蓄电池进行自动定期活化处理，人工使蓄电池寿命延长，有利于环境保护；减少电源设备维护、保养费用、节省变电站的运行成本。自动定期活化可以就地设置定期活化周期，也可以通过串行通信接口由远程控制进行蓄电池活化处理。

2）直流升压技术：ZCNUP变电站直流操作电源采用直流升压技术将两节串联蓄电池的DC24V电压，升高到DC220V、DC110V或DC48V操作电源需要的电压。这样就大大减少了蓄电池的串联节数，从而降低了蓄电池的故障率，提高了操作电源的可靠性。

3）多台并联输出：ZCNUP变电站直流操作电源采用隔离故障技术与均流技术，可以实现多台ZCNUP变电站直流操作电源并列运行，从而提高了其输出功率。

4）含多种安装方式：嵌入式ZCNUP变电站直流操作电源（ZCNUP－F60与ZCNUP－F100），内部串联安装两节DC12V、17Ah蓄电池，长期负载功率分别为60与100W，30s短期负载功率分别为200与300W，100ms短期负载功率分别为500与800W。

外置式ZCNUP变电站直流操作电源（ZCNUP－W200），可在外部串联安装两节DC12V、17～38Ah蓄电池，长期负载功率分别为200W，30s短期负载功率分别为600W，100ms短期负载功率分别为1000W。

5）小容量与分散安装：由于ZCNUP变电站直流操作电源单台容量与体积小，内置式ZCNUP变电站直流操作电源可直接分散安装在开关柜或箱式变。外置式ZCNUP变电站直流操作电源也可直接分散安装在开关柜、电压互感器柜与隔离柜。

6）组成抽屉式直流屏：外置式ZCNUP变电站直流操作电源可以多台并列，以抽屉形式集中安装于直流屏内，组成多种蓄电池容量供大中型变电站选用，需要时可安装备用抽屉，提高直流屏的可靠性。

五、ZCNUP变电站直流操作电源应用示例

1、直流操作的变电站操作电源目前均采用蓄电池串联的直流屏。当直流屏交流电源断电后，由蓄电池继续供电，如果有一节蓄电池发生故障，变电站就容易失去操作电源，此时一旦发生事故上一级继电保护跳闸后就会造成全站停电。有些大中型变电站设计两套直流电源，但110kV以下的变电站一般只设计一套直流电源。ZCNUP直流电源采用直流升压技术减少蓄电池串联级数，并可以实现多台并列运行，互为备用，从而提高了变电站操作电源的可靠性。

2、 一台ZCNUP直流电源对一面开关柜方案

在每台需要操作电源的开关柜安装一台蓄电池内置式ZCNUP-F60直流电源。交流输入电压为AC220V或AC100V，直流输出电压为DC220V或DC110V，推荐采用DC110V；内部串联安装两节DC12V、17Ah蓄电池，输出电压为DC220V时为0.7Ah。输出电压为DC110V时为1.4Ah。ZCNUP-F60直流电源长期负载功率为60W，30s短期负载功率为200W，100ms短期负载功率为500W。输出电压为DC220V时，一台开关柜长期运行负荷按照22W计算、负荷电流按照0.1A计算，交流电源断电后蓄电池可以运行18h。输出电压为DC110V时，交流电源断电后蓄电池仍然可以运行18h。ZCNUP一对一接线图如图所示。右图为DC110或220V输出；左图为DC48输出，并有DC24V输出，给保护、监控或通信装置供电。

由于ZCNUP直流电源可以并联运行，将相邻两台开关柜控制与信号电源以及保护装置电源再并联后，就可以互为备用，从而大大提高操作电源的供电可靠性。设计时需要在变电站一次系统单线图设备元件增加一栏直流电源，并注明ZCNUP直流电源型号与数量。ZCNUP一对一变电站一次系统单线。

 3、 一台ZCNUP直流电源对三面开关柜方案

一对三方案为在电压互感器柜或隔离柜安装一台蓄电池外置式ZCNUP－W200直流电源。交流输入电压为AC220V或AC100V，直流输出电压为DC220V或DC110V，推荐采用DC110V；外部串联安装两节DC12V、14或24Ah蓄电池，输出电压为DC220V时为1.4或2.4Ah。输出电压为DC110V时为2.8或4.8Ah。ZCNUP－W200直流电源长期负载功率为200W，30s短期负载功率为600W，100ms短期负载功率为1000W。输出电压为DC220V时，一台开关柜长期运行直流负荷电流按照0.1A计算，交流电源断电后蓄电池可以运行14或24h。输出电压为DC110V时，交流电源断电后蓄电池仍然可以运行28或48h。

ZCNUP一对三变电站，设计时需要在变电站一次系统单线图设备元件增加一栏直流电源，然后在电压互感器柜或隔离柜相应栏注明ZCNUP直流电源型号与数量。

六、落地抽屉式并联直流屏

　　落地抽屉式并联直流屏由最多8个直流电源抽屉与一个控制模块抽屉组成。每个抽屉安装一台蓄电池外置式ZCNUP－W200直流电源，交流输入电压为AC220V，直流输出电压为DC220V或DC110V，推荐采用DC110V，每个抽屉串联安装两节DC12V、65或38Ah蓄电池。直流屏蓄有关电气参数见表一与表二，在满足输出功率与直流屏蓄电池容量要求的前提下，应选单台蓄电池容量大、抽屉数量少方案。设计时需要在变电站一次系统单线注明操作电源电压，以及直流屏型号及蓄电池Ah数，并增加根据提供的CAD电子文档落地抽屉式直流屏电路图就可以了，两路交流电源切换有自动与人工手动两种方式供设计者选择。有计算机系统时可选带逆变电源的落地抽屉式直流屏，逆变电源直接给计算机系统供电。

表一 输出电压为DC220V时直流屏输出功率与蓄电池容量

表二 输出电压为DC110V时直流屏输出功率与蓄电池容量

七、挂墙式直流屏

挂墙式直流屏安装两台蓄电池外置式ZCNUP－W200直流电源，蓄电池根据需要选24～65AH。设计时需要在变电站一次系统单线注明操作电源电压，以及直流屏型号及蓄电池Ah数，并增加根据提供的CAD电子文档落地抽屉式直流屏电路图就可以了，两路交流电源切换有自动与人工手动两种方式供设计者选择。