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第四篇电气二次回路第十八章直流系统一、概述（1）在发电厂及变电站中，各种控制及保护系统极为复杂，对其可靠性要求也非常高，但控制及保护系统再完善，如果没有一个可靠的工作电源是不行的，所以在发电厂及大中型变电所中，一般都设有直流电源系统。一、概述（2）交流电源一般取自系统，它无法贮存，当系统发生故障时，可能会造成发电厂与变电所交流电全停，这样我们的控制系统及保护装置将无法工作，这是不能允许的。直流电源系统一般配有一定容量的蓄电池，平时由交流电通过充电机对蓄电池充电，当系统发生故障使交流电失去时，蓄电池能继续为控制系统与保护装置提供电源，确保发电厂与变电所的正常运行与事故除了。二、对直流系统的基本要求（1）对直流系统可靠性的要求很高，为使其满足这样要求，必须做到以下几点：1）必须合理选择直流系统的额定电压。按规程规定，直流系统的标称电压一般有220V、110V及48V三种，但实际工程中以220V、110V应用较多，不同的电压各有优劣，要已具体工程进行经济技术比较而定。二、对直流系统的基本要求（2）2）选择的蓄电池容量必须满足要求，只有蓄电池容量足够时，才能保证在交流电源失去时直流电源有足够的承载负荷的能力，确保交流失电时变电所的控制系统及保护装置的正常运行。二、对直流系统的基本要求（3）3）充电设备稳定可靠，各项功能与技术指标满足要求，其容量既能能满足供给正常负荷电流及蓄电池浮充电需要，也能满足均冲及核对性充放电需要，并保留一定的冗余度。二、对直流系统的基本要求（4）4）有合理的直流系统接线，该接线要方便于运行与维修，最主要是对整个直流系统与控制系统及保护装置的运行最为可靠。二、对直流系统的基本要求（5）5）直流系统对蓄电池、充电机及系统的运行情况要有完善的检测功能，当任何一部分发生异常时要发出就地告警信号及通过监控系统向远方的集控中心发出告警信息。三、直流系统的基本组成（1）直流系统主要有充电设备、蓄电池、输出馈线及监测系统等部分组成。图18－1是使用高频开关电源模块作为充电设备的典型接线图。图18－1高频开关模块充电机的直流系统典型接线图三、直流系统的基本组成（2）一、充电设备充电设备是直流系统中最为关键的设备，它的技术指标高低与运行稳定与否就直接绝对直流系统的技术指标及运行稳定性。三、直流系统的基本组成（3）其一般应满足以下要求：1）充电装置的输出电压、电流的调节范围应满足蓄电池组在充电、浮充电、均衡充电等运行状态下的要求。三、直流系统的基本组成（4）2）充电装置应具有恒定电流、恒定电压功能，能以自动浮充电、自动均衡充电、手动充电三种运行方式。三、直流系统的基本组成（5）3）波纹系数要小，按继电保护技术规程要求，在充电、浮充装置不与蓄电池并联时，其波纹系数应不大于5％，直流系统设计技术规程要求不大于2％。波纹系数是充电和浮充电装置的一个主要参数。尤其对浮充电装置更为重要，波纹系数大，意味着直流系统中的交流分量大，容易引起保护装置的不正确动作，也容易造成蓄电池的脉动充放电，影响蓄电池的寿命，特别是对镉镍蓄电池影响更大。三、直流系统的基本组成（6）4）对充电装置的稳压精度也有一定要求。要求充电、浮充装置有较高的稳压精度，才能保证蓄电池的正常运行，保证控制母线的电压稳定在额定值。提出稳压精度要求，一方面是由于交流电源有可能出现±10％的电压变化。三、直流系统的基本组成（7）4）另一方面是蓄电池本身对充电、浮充电电压的变化范围有要求。例如，要求普通铅酸蓄电池的浮充电电压在2.15～2.17V，中倍率镉镍蓄电池浮充电电压为1.42～1.45V，阀控式铅酸蓄电池浮充电电压为2.25～2.28V。三、直流系统的基本组成（8）4）当浮充电电压不稳，过高或过低都容易引起普通铅酸蓄电池的极板硫化，降低寿命。阀控式铅酸蓄电池对充电和浮充电装置的稳压精度要求更为严格，其均衡充电电压为2.35～2.4V。当电压超过2.4V时，将产生过充电，电解液损失加大，使蓄电池寿命降低。三、直流系统的基本组成（9）4）直流系统设计技术规定要求，浮充电时稳压精度应不大于±2％，充电时应不大于±5％。一般认为阀控式铅酸蓄电池的充电和浮充电装置在各种情况下稳压精度不应大于±1％。三、直流系统的基本组成（10）5）充电装置内应有限流功能，使其特性曲线的斜率较大，在与蓄电池组并联，负荷中出现冲击电流时，大部分电流应由蓄电池组承担，以防止充电装置出现过电流跳闸。此外，充电、浮充电整流器还应设短路保护、过电压保护和故障信号。三、直流系统的基本组成（11）6）由于直流系统的功率较大，也为了降低纹波系数，减小滤波电容值，充电装置的交流输入宜为三相制，额定电压为380V，并且应允许在±10％额定电压范围内波动而不影响其正常工作，额定频率为50Hz。三、直流系统的基本组成（12）目前，常用的充电设备有相控型与高频开关型两种。由于其原理不同，在组成系统时其配置也有差别。三、直流系统的基本组成（13）相控型充电装置是由可控硅元件来将交流电源整流为直流电源的，通过自动控制电路改变可控硅的整流角来跳整其充电电压或充电电流，并保证其恒定。为了保证充电装置具有一定的冗余度，相控型充电装置一般设一套浮充电源、一套均充电源，常用接线如图18－2。三、直流系统的基本组成（14）图中浮充机接I段合闸母线，均充机接于II段合闸母线。正常运行时母线不分段，由浮充机供电，当需要均充时或浮充机出现故障退出时，投入均充机。由上述运行方式可以知道，两台充电机的额定电流可以一大一小。图18－2相控电源充电机的直流系统接线图三、直流系统的基本组成（15）均充机的容量除了满足蓄电池组的初充电，事故放电后的充电，核对性充放电外，还应满足浮充电及均衡充电的要求，以及作为充电整流器的备用。三、直流系统的基本组成（16）蓄电池的初充电和核对性充放电，都是按蓄电池制造厂提供的充电曲线进行的。常用的充电方式有两种。三、直流系统的基本组成（17）1）一阶段的定电流充电方式，即从开始直到充电结束，以一个固定的电流进行充电，充电终期每个电池的电压，普通铅酸蓄电池为2.7～2.75V，高倍率镉镍蓄电池为1.6～1.75V。三、直流系统的基本组成（18）2）两阶段的定电流恒电压充电方式，即开始阶段蓄电池以固定电流充电到端电压为2.25～2.3V。第二阶段恒定电压充电，充电电流逐渐减小，达到最低值时保持2h，即为充电结束。采用这种充电方式要求充电装置具有自动稳压和自动稳流的功能。三、直流系统的基本组成（19）实践证明，第二种充电方式好，主要优点是充电效率高，充电末期蓄电池组端电压较低，可不与直流母线断开。三、直流系统的基本组成（20）均充机的额定电流应满足以下两种情况的要求计算：1）满足事故核对后的补充充电要求，额定电流按下式计算：Ie＝1.1Qeg/T＋Ijc2）满足核对性充放电要求，额定电流按下式计算：Ie＝（0.1～0.125）Q10三、直流系统的基本组成（21）其中：Ie――充电设备的额定电流，A；Qeg――蓄电池的事故放电容量，Ah；T――蓄电池组的最长充电时间，可取8～12h；Ijc――直流系统的经常负荷电流，A；Q10――蓄电池的10h放电容量，Ah。三、直流系统的基本组成（22）按两式计算后，取结果较大者作为均充机的额定电流。三、直流系统的基本组成（23）均充机的电压调节范围，应满足蓄电池在各种充电情况下所需的最高和最低电压的要求。一般对220V普通铅酸蓄电池组，充电设备的电压调节范围为200～330V；110V时为100～160V。三、直流系统的基本组成（24）浮充机的输出直流应能承担直流母线的最大负荷电流和蓄电池的自放电电流。浮充机的输出电压调节范围，一般和充电设备的输出电压调节范围取得一致，以便作为充电整流器的备用。三、直流系统的基本组成（25）蓄电池组的浮充电运行，实际上是在给定值下的恒电压充电。浮充电电流的大小和浮充电电压及蓄电池的特性有关。例如，GGF型蓄电池的浮充电电压一般取2.15V。此时浮充电电流If可按如下经验公式计算If＝0.0042Qe如按制造厂建议，阀控型铅酸蓄电池浮充电电流约2mA/Ah。三、直流系统的基本组成（26）浮充电整流器的最大输出电流Ife为Ife＝If+Ijc三、直流系统的基本组成（27）随着电力电子技术的发展，高频开关电源越来越趋于完善，高频开关型充电机在直流系统中得到越来越多的应用。三、直流系统的基本组成（28）高频开关充电机是将三相交流电经直流后转换成高压直流，再经全桥PWM电路转换为高频交流电，其转换频率大约在20～200kHz之间，再经高频变压器隔离降压后进行整流输出。由于其频率高，高频变压器的体积很小，转换效率很高。图18－3是高频开关电源原理框图。图18－3高频开关电源原理框图三、直流系统的基本组成（29）高频开关电源一般做成模块化结构，一套直流电源有若干个模块并联而成，模块间设有均流功能，即负载电流有各模块平均分摊。当其中一个模块故障时，该模块自动退出运行不会影响其它模块的正常工作，其输出电流由其它模块分担，故障模块可以在运行中拔出维修，称作热插拔。三、直流系统的基本组成（30）鉴于以上特点，采用高频开关电源的充电机一般不设置两台充电机互为备用，而是采用模块N+1的方式进行热备用，即上式计算出均充机额定电流，用该电流除模块的额定电流得出模块数，考虑一只模块损坏后输出电流仍然满足要求，所以实际配置的模块数应是计算出的模块数加1，称为N＋1。如计算的充电机需要输出的最大电流为18A，使用10A的模块，按负载需要配置模块2只，加一只备用，实际配置3只模块。使用高频开关模块的直流电源原理图见图18－1。三、直流系统的基本组成（31）使用高频开关电源不但使配置简化，可维护性好，而且使直流电源的各项技术指标大大提高。如交流输入的电压变化允许更大，一般波动达到±15％额定电压，允许输入交流的频率可达±10％额定频率或更高，有的设置可以交直流兼用。稳压稳流精度达到0.5%，纹波系数不大于0.1％。与相控型充电机相比均有了很大的提高。三、直流系统的基本组成（32）二、蓄电池在变电所中，常用的蓄电池一般有镉镍电池、敞开式铅酸电池和阀控式铅酸电池等。敞开式蓄电池应用最早，由于该电池存放硫酸溶液的缸体不密封，充放电过程中产生的酸气对环境污染很大。硫酸溶液中的水份挥发后还会造成电解液的比重变化，影响电池容量，缩短电池寿命。所以这种电池需要经常测量端电压与内阻，还要测量电解液的比重，必要时需要补充蒸馏水。三、直流系统的基本组成（33）随着蓄电池制造技术的不断发展，新型防酸隔爆型蓄电池已经代替了敞开式的蓄电池。新型蓄电池不仅维护方便，寿命也长。三、直流系统的基本组成（34）近年来，也有的变电所采用了镉镍蓄电池、密封免维护铅酸蓄电池。下面对镉镍蓄电池和阀控型铅酸蓄电池的特性作简要介绍。三、直流系统的基本组成（35）镉镍蓄电池是目前国内能生产并可在工程上采用的碱性蓄电池。其正极板采用氧化镍，负极板为镉－铁；电解液为氢氧化钠或氢氧化钾的水溶液中加入适量的氢氧化锂组成；外壳为封闭型。按放电流Ｉ（Ａ）与蓄电池的额定容量Ｃ5（Ａh）的关系分类，可分为四种，即Ｉ＜0.5Ｃ5（Ａ），为低倍率型；Ｉ＝（0.5～3.5）Ｃ5（Ａ），为中倍率型；Ｉ＝（3.5～7）Ｃ5（Ａ），为高倍率型；Ｉ＞7Ｃ5（Ａ），为超高倍率型，我们常用的为中倍率型和高倍率型。三、直流系统的基本组成（36）镉镍蓄电池的主要电气特性如下：（1）额定电压1.25V/只；（2）充电特性：镉镍蓄电池的充电状态有正常充电、浮充电、三种。1）正常充电：一般以0.2C5（A）来充电，充电时间为6～8h，终止电压为1.6～1.8V/只。三、直流系统的基本组成（37）2）浮充电：浮充电电流为0.5～3mA/Ah。浮充电压，中倍率型为1.42～1.45V/只，高倍率性为1.36～1.40V/只。3）均衡充电：充电电压，中倍率型为1.52～1.55V/只，高倍率型为1.47～1.48V/只。充电时间，中倍率型为12h，高倍率型为8h。三、直流系统的基本组成（3