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电力工程直流电源可靠性研究


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电力工程直流电源可靠性研究

电力工程包括各种类型的发电厂和 500kV 及以下变电所, 工 业企业和楼宇的 10kV 变电所。为了使其正常运行和进行事故处 理,可靠的直流电源是必不可缺少的,它给在正常运行中的电力 设备提供控制、保护、信号电源,高压断路器才可以正常操作, 尤其是当电力系统事故交流电源停电时, 更需要一套安全可靠的 直流电源,它除了给上述负荷供电外,还要给直流电动机、事故 照明及 UPS 等负荷供电, 才能保证电力系统的事故处理和恢复供 电。 多年以来,人们在直流电源可靠性方面做了大量的理论研 究和实践工作, 废除了一些落后设备和元器件, 改善了系统接线, 提高了自动化水平,拥有了先进的技术指标,以及长寿命和少维 护的原则,可靠性已大大提高。目前,电力系统广泛采用了阀控 式密封铅酸蓄电池、高频开关整流器或微机型晶闸管整流器、直 流断路器、直流电源监控装置等。 但是在蓄电池选择、充放电设备选择、监控装置设置、系 统接线和操作保护设备选择等方面仍然存在一些影响直流电源 可靠性的问题。除了设备技术质量方面的问题之外,本文将从设 计选型方面对直流电源可靠性方面提出一些问题和解决办法。

1 蓄电池

近十年来阀控式密封铅酸蓄电池得到了广泛的应用。它在 使用中具有无需添加酸液,不漏液,无酸雾,自放电电流小,内 阻小, 寿命长, 安装方便少维护等优点。 但是它对温度反应灵敏, 因而对充电电源要求较严格,不允许严重的过充或欠充。 因此,在设计选型方面应注意以下问题。 1.1 蓄电池组数的选择 《直流设计规程》已经对各种类型的电力工程有了明确的 规定,其原则是从直流负荷供电可靠性的观点出发的,发电厂应 按单元机组和动力、控制负荷分设独立直流电源系统,网络控制 部分独立设置,远离主厂房的辅助车间单独设置,尽量使每组蓄 电池直流系统的供电范围减小和保证功能的独立性。110kV 重要 变电所和 220kV 及以上的变电所是从重要性和满足继电保护、 断 路器跳闸机构双重化的供电需求出发,规定装设 2 组蓄电池。因 此,蓄电池组数应从供电负荷的需要和可靠性出发,尽可能的减 少供电范围和从工程的重要性考虑配置情况。 1.2 蓄电池个数的选择 无端电池和不设降压装置的直流系统,它简化了直流系统 的接线,避免了端电池的硫化和硅降压设备的麻烦问题,因而提 高了可靠性。 但是要求蓄电池组的运行必须满足其正常运行时母 线电压为标称电压的 105%,在线均衡充电电压时母线电压不应 超过标称电压的 110%,事故放电末期的母线电压为其标称电压

的 85%, 即标称电压为 220V 的直流系统的母线电压允许在 187~ 242V 之间波动。这样浮充电压为 2.23V,均充电压可以选在 2.28~2.33V 之间,事故放电末期电压选择在 1.8V 以上,完全 满足了直流母线电压在允许范围内波动。根据计算,220V 蓄电 池组的个数对于单体 2V 的蓄电池只能选择在 103 或 104 个。但 是大多数小型电力工程的 220V 直流系统的蓄电池均选用 200Ah 以下蓄电池,大多选用 12V 或 6V 组合体蓄电池,对于 12V 组合 体经常选用 18 只,这相当于单体 2V 蓄电池 108 个,这样正常运 行时直流母线电压偏高,降低浮充电压则对蓄电池寿命有影响, 由于运行中均衡充电时直流母线电压更高, 因而更习惯采用硅降 压装置调压,增加了复杂性,降低了可靠性。在直流负荷较小、 蓄电池容量有保证的情况下,可以提高事故放电末期电压大于 1.83V,选择单体 2V 102 个蓄电池或 17 只 12V 组合体,34 只 6V 组合体的蓄电池。 目前一些蓄电池厂可以生产带一假体的组合体 电池,即生产 10V 组合体或 4V 组合体的蓄电池,若选择 14×12V+4×10V 或 34×6V+1×4V 也相当于单体 2V 的 104 个蓄 电池组。总之应严格控制蓄电池组的个数,实现简化直流系统接 线的目的。 1.3 试验放电设备的选择 DL/T 5044—2004《电力工程直流系统设计技术规程》规定 “试验放电装置宜采用电热器件或有源逆变放电装置。”DL/T 724—2000《电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规

程》也规定了蓄电池的核对性放电方法和放电周期。 长年运行在浮充电方式下的蓄电池的事故放电容量究竟是 多少,若仅依靠一般的容量检测方法其可信度不高。蓄电池端电 压的高低不是容量后的指标。 惟一的方法是定期进行核对性充放 电对蓄电池活化和对容量进行核对,确保蓄电池始终能运行在 90%以上的容量。满足当交流事故停电时,发电厂事故停机和变 电所的事故处理时直流负荷的需要。 这也是直流电源可靠性的重 要环节。 由于放电设备装备水平的落后,放电设备选择比较困难而 没有很好的选择,给蓄电池的运行维护带来不少困难。

2 整流器

整流器是直流电源的重要设备,它的优劣直接影响蓄电池 长期可靠运行, 因此它的主要技术特性应满足蓄电池的充电和浮 充电要求,长期连续工作制,应有稳压、稳流及限流性能,技术 参数满足有关标准的要求,各种功能可以自动或手动切换,运行 安全、灵活等。 设计选型中应注意以下问题: (1) 浮充电压对于阀控式密封铅酸蓄电池宜选择 2.23V, 这是一个直流系统长期可靠运行和关系蓄电池寿命的重要问题。 蓄电池的浮充电压正确选择是一个较复杂的问题。 浮充电压应满

足补偿电池自放电电流及维持氧循环的需要, 实际上还应考虑电 池结构、正极板栅腐蚀速度,电池内气体排放,以及直流系统母 线电压为 105%UN 的要求等。浮充电压偏低则浮充电流不能维持 蓄电池氧循环和补偿电池自放电而使蓄电池端电压形成偏差。 浮 充电压过高则加剧正极板腐蚀速度、排气、失水的后果。对阀控 式蓄电池,不允许过充和欠充的要求较高,故应根据蓄电池的特 性,选择合适的浮充电压。 (2) 稳压、稳流及限流特性。为了保证蓄电池能够运行在 最佳状态和应用两阶段定电流恒电压的充电方法。 为了保证直流 母线运行电压和防止落后电池的产生, 浮充电时的稳压特性十分 重要。充电时的稳流特性也十分重要,在供电电压逐步上升时可 保持稳定电流,保证电池的正常电化学反应,并顺利进入到恒压 的均衡充电阶段, 达到改善电池特性参数或解决个别落后电池容 量恢复的问题。限流特性可防止在负荷突增时,整流器产生“抢 负荷”和“超调”现象而轻易跳闸。稳压、稳流及限流特性参数 指标应满足表 1 的要求。 表 1 稳压、稳流及限流特性参数指标 参数类别 晶闸管型 高频开关型 稳压精度/% ≤±1 稳流精度/% ≤±2 纹波系数/% ≤1 ≤±0.5 ≤±1 ≤0.5

3 直流电源监控装置

由于发电厂、 变电所及电力调度部门均采用了计算机监测、 监控技术。直流电源系统是电力工程中电气系统的一个组成部 分。它对保证电力系统自动化装置的应用和可靠性起到重要作 用。它的技术条件、基本参数、基本功能、安全性能、结构工艺 等均应满足 DL/T 856—2003《电力用直流电源监控装置》电力 行业标准的要求,行业标准规定监控的主要内容有充电电压、电 流稳定运行的自动调整, 浮充转均充或均充转浮充的按运行方式 自动转换,主要直流断路器的运行状态和事故报警,直流母线电 压的正常显示和异常报警,直流系统绝缘状态监测,蓄电池在线 检测,逆变放电的自动调整等。目前在充电电压、电流随温度变 化的自动调整,运行中自动转换充电方式,逆变放电,严重接地 自动跳闸,蓄电池在线检测的可靠性和智能化方面仍需努力。

4 直流配电系统

直流系统接线、网络设计、操作和保护电器选择是影响直 流电源可靠性的主要问题。 4.1 直流系统接线 直流系统接线应力求简单、安全可靠、维护操作方便。1 组蓄电池接线可为单母线分段或单母线。 组蓄电池设两段母线, 2

两段母线之间设联络电器,一般为隔离开关,必要时可装设保护 电器。总之直流母线接 1 组蓄电池和相应的充电设备,同时由母 线馈出线路给支路负荷供电, 只有在由双重化直流负荷或 1 组蓄 电池配 2 套充电设备时,其母线才进行分段。 目前有少数电厂和变电所仍有带端电池的双母线或是设降 压装置的控制和合闸母线系统, 带端电池的双母线系统虽然能够 使蓄电池容量得到充分利用, 但接线复杂及端电池维护困难运行 操作不灵活,已基本不采用了。设降压装置的控制母线,合闸母 线分设的接线方式对采用镉镍蓄电池的系统是必不可少的, 因为 镉镍蓄电池单体电压为 1.2V, 220V 系统选用 180 个左右蓄电池, 浮充电压为 1.36~1.39V,均衡充电压为 1.47~1.48V,事故放 电末期电压为 1.10V, 则直流母线电压会在 266~198V 之间波动。 不可能满足控制负荷的要求, 因此小容量的蓄电池要满足大电流 电流合闸机构,也应设合闸母线。但是对于采用阀控密封铅酸蓄 电池的直流系统是不需要的。 4.2 网络设计 直流供电网络宜采用辐射供电方式。小容量(200Ah 以下) 蓄电池直流系统,由于供电范围小,可以是在蓄电池接入直流母 线后直接给负荷分别供电的两级网络系统。中大容量(200Ah 以 上)的蓄电池直流系统,由于供电范围大,可以在负荷集中处设 直流分电柜,由直流分电柜给负荷供电,包括大负荷的再分配, 也只形成 3~4 级的网络系统。

幅射供电网络,对负荷施行单一供电,因而互不影响,分 电柜方式也节省了电缆,另外给查找接地、保护设备选择方面均 带来方便。 4.3 操作保护电器选择 直流断路器集操作与保护功能为一体,安装方便,操作灵 活,稳定性高,保护功能完善。一般两段式保护的直流断路器, 具有过载长延时的热脱扣功能, 又有短路时电磁脱扣瞬动脱扣功 能,应该说是理想的选择。但是直流断路器的额定电流选择是根 据所供电的负荷电流计算确定。选择大了,由于负荷电流小,在 过载时(I2t)热脱扣延长了时间。选择小了,由于负荷电流大, 长时间运行加上环境温度高,热脱扣可能误动。当断路器的额定 电流已经确定后,除了过载长延时热脱扣的保护特性已经形成, 同时短路瞬时电磁脱扣特性也已形成,一般是 10IN±20%动作, 可是断路器安装处的短路电流决定短路瞬时脱扣的灵敏度, 必须 进行计算验证。 直流断路器安装处的短路电流及灵敏度计算公式如下 Idk=nU0/n(r0+rl)+Σ rj+Σ rk Kl=Idk/Idz 式中,Idk 为断路器安装处短路电流,A;U0 为蓄电池开路电压, V;rb 为蓄电池内阻,Ω ;rl 为电池间连接条或导体电阻,Ω ; Σ rj 为蓄电池组至断路器安装处连接电缆或导体电阻之和,Ω ;

Σ rk 为相关断路器触头电阻之和,Ω ;Kl 为灵敏系数,应不低 于 1.25;Idz 为断路器瞬时保护(脱扣器)动作电流,A。 由于参数复杂,各设计院、成套厂或运行单位均不可能精 确计算短路电流,因此灵敏度也无法校验。 由于短路电流的不确定性,本来按照负荷电流选择额定电 流并考虑了上下级的级差配合, 但是短路瞬动保护不能保证其级 差配合,短路电流大,肯定会出现越级现象而扩大事故范围,这 是必须要解决的问题。 一些单位用取消瞬动脱扣器办法或在蓄电 池出口改用熔断器的办法,计算和试验证明,仍然会发生越级和 损坏设备的情况。在智能型直流断路器没有出现之前,采用三段 (过载长延时+短路瞬时+短路短延时)的直流断路器, 从负荷侧向 电源侧逐级加大时限的方法,不必精确的计算短路电流,可以达 到尽快的切除故障,又实现级差配合的要求,不拒动、不误动, 更不可能越级跳闸。

5 结论

电力工程直流电源可靠性的基本点是选择阀控式密封铅酸 蓄电池,每组蓄电池应有独立的供电范围,蓄电池组个数的选择 应满足各种运行工程对直流母线电压的要求, 蓄电池应考虑放电 设备。整流器选择高频开关型或晶闸管型,应有冗余或备用,技 术指标主要是满足蓄电池使用寿命需要。 直流电源监控装置首先

要保证充电整流器的需要,完善的监控装置仍需开发研制。直流 配电系统应简化接线,辐射供电,保护设备应选择直流断路器, 在满足过载保护可靠性的条件下, 还能保证短路保护时的快速断 开功能,必须具备可靠的级差配合。


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