一种变电所直流电源的构成方法，本发明涉及一种按电容器贮能供电原理构成直流电源的方法用来作为110KV及以下电压等级中、小型变电所的保护和跳闸电源。

用电容器贮能作为中、小型变电所的保护和跳闸电源（以下简称为保护电源），在已有技术，如《电力工程设计手册》（上海科学技术出版社1981年1月新1版）第十六章16-2节中，是由贮能电容器组、电容器组的充、放电回路、电容器组的检查装置等主要部份所组成。电容器组用来贮存电场能量，当系统故障伴随所用电源电压降低甚至完全消失时，利用这一能量供给继电保护动作和断路器跳闸;充电回路用以在正常运行时向电容器组提供能量，并保证在系统故障时不向直流主系统反馈能量;放电回路与保护和跳闸回路相接，随时准备向保护和跳闸回路提供电源;电容器组的检查装置用来检查电容器组的容量是否满足要求。

电容器组通常按两大组配置，一组供给6～10kV馈线的保护电源，另一组供给其它设备的保护电源。两大组容量均相等，其数值根据该手册介绍的三种电容量选择计算方法确定，其结果是：当整流器采用三相桥式时，每组为6000μF;整流器采用单相桥式时为3000μF。

在许昌继电器研究所1976年7月出版的《发变电二次线通用设计图册（四）220V直流系统定型屏》典型设计中，贮能电容器按两组配置，且对于110kV变电所：第一组CI＝18000μF，供给110kV线路和主变各侧跳闸;第二组CⅡ＝9000μF，供给35kV和6～10kV馈线跳闸。对于35kV变电所：第一组CⅠ＝9000μF，供给35kV线路和主变各侧跳闸;第二组CⅡ＝4500μF，供给6～10kV馈线跳闸。

在冶金工业部南昌有色冶金设计院1976年7月编制出版的《35/6（10）千伏变电所、6（10）-千伏配电所二次接线图集220伏电容补偿硅整流操作GD751》典型设计中，贮能电容器也是按两组配置，且对于35kV内桥接线变电所，CⅠ＝CⅡ＝8000μF;对于其它接线方式的变电所，CⅠ＝CⅡ＝6000μF。

理论分析和长期实践都已表明，现行方案主要存在下述问题：

1.贮能电容量普通选择过小，没有考虑到整流操作的变电所直流母线电压有可能长时间运行在80%Ue＝0.8×220＝176V，以及断路器跳闸线圈动作电压刚好调整在上限值65%Ue＝143V等不利条件的影响，也没有按保护的动作逻辑关系从电路的分析角度去解决电容量的计算问题。因此，目前变电所配置的贮能电容量，大都不能满足可靠性要求。

2.贮能电容器的分组及保护电源分配方式，不能满足保护动作断路器拒分时后备保护动作及断路器跳闸对电源的可靠性要求。

3.电容器组的检查装置按反映电容器组贮存能量的大小（1/2CU2）而构成，因此，受整流电源电压变化的影响，电容量的检查结果往往给出错误的结论。

4.充电回路的熔断器和电容器组的熔断器均未得到合理监视。

5.电容器组的充电电源主张采用单相桥式整流器，其目的是用以提高电容器的充电电压，减少电容器组的容量。由于电容器的充电电压为整流器输出直流脉动电压的峰值，所以与三相桥式整流器相比，单相桥式整流器所提供的充电电压可由前者的230V提高到345V，从而可使电容器组的容量大为减少。但选择单相桥式整流器作为电容器组的充电设备将带来如下问题：

①因合闸用整流器按三相桥式接线，故当充电用整流器因故停用或处在备用状态时，电容器组的充电电压将由原设计的345V下降为230V，从而造成保护电源能量严重不足。

②保护回路的电压太高（可达345V），运大于二次设备对直流电源电压的要求（一般为80～110%Ue）。因此，对保护继电器的接点和长期受电的继电器（如BFy-10A/220V型晶体管负序电压继电器等），损坏率将大为增加。

③对具有相同耐压值的贮能电容器，充电电压的提高将严重降低其使用寿命。

④单相桥式整流器输出电压的脉动系数较三相桥式整流大得多，使得直流脉冲继电器及干簧管型继电器的使用带来困难。

上述问题的存在，正是导致目前这种电源方式濒临淘汰的主要原因。比如，在1983年9月水利电力部授权华东电力设计院修订的《变电所设计技术规程》（征求意见稿）上册第三章第六节第3.6.1条中，就曾明确否定了电容贮能电源方式在110（60）千伏终端变电所的应用价值。修订后的条文中写到“第3.6.1条为保证对直流负荷的供电，……110（60）千伏终端变电所宜采用小型密封镉镍式蓄电池或复式整流作为操作电源;……。”（第22页）。在该规程“（征求意见稿修订说明）上册”第28页二款中。就第3.6.1条的修改作了进一步地说明，原文写到：“二、修改了整流操作电源的内容：1.原规程第42条规定的整流操作电源有复式整流和电容储能整流2种。据不完全统计，后者事故率较高。由于电容器分组和容量选择不合理，控制回路和信号回路未分开，电容器质量较差且缺少合理的检测手段等原因，全国曾发生断路器拒分事故多起，……。”在第32页中继续指出：“由此可见，电容储能已无可取之处，完全可由小型密封镉镍式蓄电池或复式整流所取代。”

本发明的目的正是要解决现有电容储能电源方式存在的各种问题，并使这种电源方式发展为一种接线合理、性能可靠的电源装置。以取代中、小型变电所现有的不合理电容储能电源方式和投资昂贵、接线复杂、维护繁琐、使用寿命较短的铅酸蓄电池方案，并且在投资费用、使用寿命和维护费用等方面都将大大优于现行的镉镍式蓄电池方案。

发明是按照下述方法实现的：

1.按照继电保护动作逻辑关系和相邻保护的相互配合关系，对贮能电容器组提出了一套分组和分配原则，解决了保护动作断路器拒分时上一级保护和跳闸对电源的可靠性要求。

2.针对整流操作变电所直流电压变化较大、贮能电容器组放电时端电压按指数规律衰减、继电器和跳闸线圈动作电压值有上、下限要求、保护装置的构成方式和元件参数的不同对放电过程有影响等特殊条件，提出了一套严谨的电容量选择原则和要求。然后按照电路分析的基本方法，将保护和跳闸回路等效为多时间阶梯的R、L、C电路，再按照过渡过程和误差理论的分析方法，进一步将电路等效为多时间阶梯的R、C电路，继而导出了电容量C与电路各元件电阻值R、动作时间△t、电容器放电前的初始电压Uc（o）、考虑到保证断路器可靠跳闸时的端电压Uc（tk）（tk为跳闸铁芯刚好上升到最顶端时的时间，Uc（tk）为对应于tk时的电容器组端电压值）之间的关系式。结合所规定的电容量选择原则，求导了一个可供工程使用的电容量选择计算公式。

3.根据不同容量的电容器组在同一基准电压下，经相同的放电时间在相等的负载上放电后，其残余电压不相等这一规律，提出了能正确反映贮能电容器组容量变化的电容量检测装置构成方案。解决了对运行中的电容器组容量的检测技术。并为维护试验提供了一种简易可行的电容量测试仪器原理构成方案。

4.用在充电回路熔断器下端出口处并接一只直流中间继电器，当熔断器熔断时该中间继电器失磁返回，用其一对常闭接点接通中央信号预告音响回路，实现了对充电回路熔断器的声、光信号监视。

5.用在电容器组熔断器两端并接一只与其自身常闭接点串联的信号继电器，当电容器组熔断器熔断时，故障电流经信号继电器常闭接点使其启动并固定其动作状态，信号继电器常闭接点迅速打开切断流经其线圈的故障电流，其常开接点闭合接通预告音响信号回路发出声、光信号，实现了对电容器组熔断器的声、光信号监视。但是，为了简化接线、节省投资和减少故障点。对采用单只容量大于500μF的电容器组，可不必装设电容器组熔断器。

6.提出了将各组电容器正极和负极同时输出的保护电源独立接线方案。使保护电源的放电不依赖于操作回路去完成，提高了保护电源的独立性和可靠性，且有利于区分保护和控制回路的接地故障。

7.要求在充电回路或整流电源输出端必须装设一定阻值的限流电阻，以保证电容器不受冲击电流的损坏。

8.要求对长期停用或新投的电容组，投入运行时要使充电电压由零逐渐升起，以防止送电瞬间由于电容器漏电流突然增大，内部气压突然增高，而使得电容器的外壳顶盖掀起。

本发明的实现，从根本上解决了现有电容贮能电源方式存在的种种问题，完全能满足中、小型变电所采用不同主接线和不同保护构成方式时对保护和跳闸电源的可靠性要求。与铅酸蓄电池电源方式相比，本装置具有体积小（可与合闸硅整流器及充电硅整流器同屏合装）;投资低（用于35kV变电所时低于3000元，用于110kV变电所时低于5000元）;寿命长（可达20年以上）;维护费用低（平均年维护费小于100元）等优点，且能满足必要的可靠性和技术要求。与现行的镉镍蓄电池电源方式相比，也具有投资低（为其10～20%）;占地面积小（为其1/3）;运行维护简便（对浮充电流和充电设备无特殊要求等）;使用寿命长等优点。因此，本发明将为中、小型变电所提供一种理想的直流电源装置。

下面详细说明本发明。

图1是构成本电源装置的原理方框图。

图2是本电源装置中任一组贮能电容器的充电回路。充电回路的电源来自由三相桥式整流器供电的直流主母线。转换开关HK用来接通和关断充电回路电源;熔断器RD用来切断充电回路的短路电流，保护充电回路元件不受损坏;限流电阻R用来限制电容器初充电瞬间充电电流的幅值和充电回路短路电流的幅值，保护电容器和二极管D不受损坏;隔离二极管D用来阻止电容器组的能量不向直流主系统反馈。以保证在电网故障时有充足的保护电源能量;电源指示灯BD用来监视充电回路的工作状态;直流中间继电器JJ用来实现对充电回路熔断器的声、光信号监视，当RD熔断时，JJ失磁返回，JJ常闭接点闭合，光字牌GP亮，显示“充电回路熔断器断”声、光信号。

图3是本装置中任一组贮能电容器按三小组装配时，各电容器组熔断器监视回路的接线图。假设第一小组C-1内部发生短路，则熔断器RD1熔断，故障电流立即通过信号继电器1XJ线圈回路使1XJ启动，1XJ常闭接点立即打开将故障电流切断，同时1XJ常开接点闭合使光字牌GP亮，显示“电容器组熔断器断”声、光信号。采用信号继电器的优点是动作状态能固定保持，直至恢复正常。

图4是本电源装置电容量检测回路中检查切换部分在任一组电容器C和备用组Cb回路的接线，zK和zKb为LW2-5.5.5.5/F4-X型转换开关，当对工作组电容器C进行容量检测时，首先将转换开关zK切换到“检测”位置，zK②③和⑩接点分别接通，电容器组C则通过“检+”和“检-”与检测回路的测量部分相接，从而可进行电容量的检测。与此同时，zK⑥⑦和两对接点也分别接通，通过备用组的转换开关zKb使+TM与+TMb、-TM与-TMb分别接通，接在+TM和-TM上的保护和跳闸回路暂改由备用组贮能电容器供电。保证了在进行电容量检测过程中，被检测组的保护和跳闸回路不间断供电。

图5是本装置电容量检测回路中测量部分的接线。表Ⅴ/μF是标有电压值V和电容值μF刻度的直流电压表。μF值刻度为改增刻度。电容C的值与测量回路参数D之间的关系为：

上两式中：Uc·J-所规定的初始放电电压基准值，一般选择低于电源额定电压Ue;

Uc（tzd）-被测电容器组经整定时间tzd对测量回路放电后所具有的残余电压值;

△t1-时间继电器SJ瞬动常闭接点SJ1的打开时间;

△t2-SJ延时主接点的整定动作时间;

△t3-SJ瞬动常开接点SJ2的返回时间;

R1-对应于时间段△t1时测量回路的总电阻;

R2-对应于时间段△t2时测量回路的总电阻;

R3-对应于时间段△t3时测量回路的总电阻;

D-由测量回路固有参数△t1△t2、△t3和R1、R2、R3确定的参数。

对应于电容量C为不同值时的电压表刻度换算关系，可由下式表示：

式中Uc·J和D均为常数。

测量电容器组容量的操作过程如下：

（1）按下按钮1AN使表V/μF指针下降到基准电压Uc·J时立即释放1AN;

（2）点按2AN，则SJ启动，SJ1首先打开将电阻3R串入放电回路，SJ2相继闭合使SJ动作状态自保持;

（3）当SJ延时主接点闭合时，SJ线圈被短接，从而立即返回，各接点均返回到原始状态;

（4）立即读出表V/μF的指示值，则μF刻度的值表示被测电容器的容量，V刻度的值表示电容器组的残余电压值。

3R和4R采用可调式电阻器，目的在于得到不同的D值，以适应较大范围的电容量测试。为减小测量误差，表V/μF要求采用高内阻的直流电压表。

本测量回路接线的主要优点就在于结构简单，便于实行。根据此方法，可将电阻2R用一只按Uc·J整定的低电压继电器和与SJ的一对瞬动常闭接点串联的电路来代替，而按钮2AN则由低电压继电器的接点来代替。

图1中的放电回路，主要是指由电容器组和充电回路供电的正、负电源小母线+TM和-TM。保护和跳闸回路则由+TM和-TM取得电源。

图1中的贮能回路是由贮能电容器组所构成。电容器组按下列原则进行分组和分配：

1.分组应满足一台断路器拒分时，上一级断路器有可靠的保护电源，但不考虑上一级断路器再次拒分或多台断路器同时拒分的情况;

2.在保护定值上具有相互配合关系的相邻断路器和在保护动作逻辑关系上有相互制约的同级断路器。其保护电源不能由同一组贮能电容器供给;

3.在主变压器保护装置中，凡动作于高压侧断路器跳闸的保护装置，应与其跳闸回路共由一组贮能电容器供电;而动作于其它侧断路器跳闸的保护装置及有关联动跳闸回路，应分别由作用于对应侧断路器跳闸的贮能电容器供给;

对于两卷主变压器，当低压侧不另设过电流保护时，允许其低压侧断路器的跳闸电源与低压侧馈线的保护电源共用一组贮能电容器供电;

4.变电所属于同一电压等级馈线的保护电源，应共用一组贮能电容器供给，但不属于同一电压等级馈线的保护电源，也可以由同一组贮能电容器供给;

5.在满足1、2原则条件下，不同主设备的保护电源可由同一组贮能电容器供给;

6.要求另外增设一组备用贮能电容器组，以保证在任一组电容器故障检修或进行电容量检测过程中，运行中的主设备不失去保护电源。电容器组容量的选择应满足如下原则要求：

1.选择保护装置动作方式中可能出现的消耗直流电源能量最大的动作方式来选择确定贮能电容量。

2.选择直流系统在最低允许电压Uz.xx（为80%Ue＝176V）下运行时，贮能电容器所出现的最低充电电压Uc.xx（176V≤Uc.xx≤184.4V）为计算贮能电容量的初始放电电压，从提高可靠性出发，一般取Uc.xx的下限值176V。

3.要求在1、2条件下。保护动作使断路器跳闸铁芯刚好上升到最顶端时，贮能电容器两端的残余电压不低于跳闸线圈动作电压的上限值（为65%Ue＝143V）。

4.根据电网不同电压等级馈线和设备故障机率的大小，各贮能电容器组容量选择在满足1、2、3条件下，应按下列原则确定：

（1）对于35kV和6～10kV馈线，按满足两回馈线可靠跳闸来选择;

（2）对于110kV线路，按满足一回线路可靠跳闸来选择;

（3）对于单台主变压器，按满足主变高压侧断路器可靠跳闸来选择;

（4）对于双卷双台主变压器，按满足两台主变过电流保护同时动作于两台主变高压侧断路器可靠跳闸来选择;

（5）对于三卷双台主变压器，按两台主变高压侧过电流保护同时动作，其中一套当35kV侧分段断路器被联动跳闸后立即返回，另一套则一直动作到本侧断路器可靠跳闸来选择。

5.各组电容器的容量按实际选择结果配置，备用组按最大一组的容量选择。

6.贮能电容器采用铝电解电容器，工作电压应大于300V，单只容量应不小于100μF，并尽可能选用500μF以上的产品。

各贮能电容器组容量的选择和计算，可按下列方法步骤进行：

1.按照电容器的分组原则确定该组的负载。

2.选择负载中可能出现的最大耗能保护动作方式为电容器组的最大负载方式，并画出保护动作过程中，由主要耗能元件构成的等值电路图。一般可不考虑中间继电器电流线圈和大于0.025A的信号继电器对耗能的影响。

3.忽略等值电路中包括跳闸线圈在内的全部元件的电感值，作出由各元件电阻值R、动作时间t以及待求的电容量C所组成的等值电路如图6。图中：Kn表示保护跳闸回路中第n条支路的接点，tn则表示Kn开始接通的时间。tn按所论元件可能出现的最长动作时间选择。

4.应用下式计算贮能电容量C：

式中：KK-为可靠系数。主要是考虑电解电容器容量偏差较大、自然老化，电路实际参数与计算取值不一致以及其它不利因素对电容量选择的影响。

tn-为第n条支路元件的动作时间。对于跳闸线圈的支路，tn为跳闸线圈开始通电至铁芯上升到最顶端的时间，这一时间与所加电压大小有关，在由电容器供电的跳闸回路中，对于CD2型220V、2.5A和CD10型220V、2.5A操作机构的跳闸线圈，按0.045秒选择;对于CD5型220V、2.75A操作机构的跳闸线圈，按0.06秒选择。

Rn-为第n条支路元件动作过程中电路的等值电阻值。

5.对考虑同时动作的同一电压等级馈线的保护和断路器，可先求出一回馈线所需配置的电容量C，则LC就是L条馈线保护同时动作于L台断路器跳闸时所需配置的贮能电容量。

发明的实施例：

图7为用于某一110kV终端变电所的贮能电容跳闸装置接线图。图8为这一变电所的主接线图及保护电源分配图。图中1～4TM分别表示由CI～CN组贮能电容器供电的保护电源;d1～d5表示在该点发生短路故障。下面就两个主要方面加以说明。

1.各电容器组容量的配置

根据电容量选择原则要求和计算方法，结合本变电所保护采用常规接线和由普通组合式继电器所构成这一特点，对各电容器的容量作出如下确定结果：

第一组CⅠ按能同时动作于两回10kV馈线可靠跳闸来选择，取值为14000μF;第二组CⅡ按能同时动作于两回35kV馈线可靠跳闸来选择，取值为20000μF;第三组CⅢ按能满足一台主变10kV侧过电流保护动作于本侧断路器可靠跳闸来选择，取值为6000μF;第四组CⅣ按两台主变高压侧过电流保护同时动作，其中一套当35kV侧分段断路器被联动跳闸后立即返回，另一套则一直动作到本侧断路器可靠跳闸来选择，取值为30000μF;备用组CⅤ＝CⅥ＝30000F。

电容器采用CD131、350V、1000μF的产品。

2.分组可靠性检验

（1）d1点短路馈线断路器拒分

此时1TM组能量消耗严重，2TM和4TM组则不受影响，故能满足主变1B低压侧断路器和10kV母线分段断路器可靠跳闸。

（2）d2点短路

①当10kV母线分段断路器拒分时，4TM组能量消耗严重，2TM和3TM组则不受影响，故能满足两台主变的低压侧过电流保护可靠动作及其两台断路器可靠跳闸。

②当主变1B低压侧断路器拒分时，2TM组能量消耗严重，1TM、3TM和4TM组则不受影响，故能满足主变1B高压侧过电流保护可靠动作及其高、中压侧断路器和中压侧母线分段断路器可靠跳闸。

（3）d3点或差动保护区内任一点短路

①当主变1B低压侧断路器拒分时，2TM组能量消耗严重，3TM和4TM组则不受影响，故能满足主变2B低压侧过电流保护可靠动作及低压侧母线分段断路器可靠跳闸

②当主变1B中压侧断路器拒分时，1TM组能量消耗严重，3TM和4TM组则不受影响，故能满足主变2B高压侧过电流保护可靠动作及中压侧母线分段断路器可靠跳闸。

（4）d4点短路馈线断路器拒分。

此时2TM组能量消耗严重，1TM、3TM和4TM组均不受影响，故能满足两台主变的高压侧过电流保护可靠动作，以及中压侧母线分段断路器和主变1B中压侧断路器可靠跳闸。

（5）d5点故障

①当母线分段断路器拒分时，3TM组能量消耗严重，1TM和4TM组则不受影响。故能满足两台主变的高压侧过电流保护可靠动作及其两台主变中压侧断路器可靠跳闸。

②当主变1B中压侧断路器拒分时，1TM组能量消耗严重，2TM、3TM和4TM则不受影响。故能满足两台主变的高压侧过电流保护可靠动作，以及中压侧母线分段断路器和主变1B高、低压侧断路器可靠跳闸。

上述分析方法和结论，可用于系统任一点的短路。由此表明，本电源装置能够满足系统任一点短路且断路器拒分时对保护和跳闸电源的可靠性要求。