變電站直流系統(tǒng)知識(shí)

1、變電運(yùn)行專(zhuān)業(yè)繼電保護(hù)知識(shí)講座,二0一0年八月,第一講：直流系統(tǒng),1.1直流負(fù)荷的分類(lèi),運(yùn)行的保護(hù)裝置及自動(dòng)裝置電源 信號(hào)燈、位置指示器 逆變電源,經(jīng)常性負(fù)荷,直流負(fù)荷,非經(jīng)常性負(fù)荷,分合閘控制電源 儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)動(dòng)力電源,跳合閘控制電源 跳合閘動(dòng)力電源 事故照明電源,事故負(fù)荷,事故沖擊負(fù)荷,第一章 直流系統(tǒng),1.2蓄電池概述,蓄電池是一種化學(xué)電源，它既能將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)，又能將儲(chǔ)存起來(lái)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能輸送出去。這兩個(gè)能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程，就叫做蓄電池的充電和放電。 蓄電池是獨(dú)立的電源，不會(huì)受電力網(wǎng)的影響。它具有電壓穩(wěn)定、使用方便和安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，并可根據(jù)需要選擇其容量或形式。所以，在國(guó)防、科研

2、和國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門(mén)中，特別是電力工業(yè)和通訊等部門(mén)都普遍采用蓄電池作為直流電源。 蓄電池按電解質(zhì)的不同，分為酸性蓄電池和堿性蓄電池。 發(fā)電廠(chǎng)、變電所目前采用的蓄電池主要有防酸隔爆式、消氫式及閥控式密封鉛酸蓄電池。老式開(kāi)口式鉛酸蓄電池已被淘汰。堿性鎘鎳蓄電池因具有體積小，機(jī)械強(qiáng)度高，工作電壓平穩(wěn)，大電流放電特性好而應(yīng)用于發(fā)電廠(chǎng)，變電所的直流電源。但由于價(jià)格昂貴，制作材料選擇困難，因而目前不如鉛酸蓄電池應(yīng)用廣泛,1.3蓄電池的容量 蓄電池的容量(q)是蓄電池蓄電能力的重要標(biāo)志。容量 q是在指定的放電條件(溫度、放電電流、終止電壓)下所放出的電量稱(chēng)為蓄電他的容量，單位用 a h(安培小時(shí))表示。蓄電池

3、放電至終止電壓的時(shí)間稱(chēng)放電率，單位為 h(小時(shí))率。 蓄電池的容量一般分為額定容量和實(shí)際容量?jī)煞N。 1額定容量 額定容量是指充足電的蓄電池在25時(shí)，以10h放電率放出的電能。 2實(shí)際容量 蓄電池實(shí)際容量與放電電流的大小關(guān)系甚大，以大電流放電，到達(dá)終止電壓的時(shí)間就短；以小電流放電，到達(dá)終止電壓的時(shí)間就長(zhǎng),2.2 鉛酸蓄電池的電化學(xué)原理,鉛酸蓄電池的工作原理可知，在放充電過(guò)程中有如下反應(yīng)過(guò)程： 正極 負(fù)極放電 pbo22 h2so4+ pb pbso42h2opbso4 充電 由于正、負(fù)極板的電化反應(yīng)各具特點(diǎn)，所以正、負(fù)極板的充電接受能在存在差別，當(dāng)正極板充電到70%時(shí)，開(kāi)始析氧o2；負(fù)極板充電到

4、90%時(shí)，開(kāi)始析氫h2。 。 正極 h2o 1/2o22h+2e - 負(fù)極 2h+ 2e - h2,2.3 閥控式鉛酸蓄電池,鉛酸蓄電池主要由正極板、負(fù)極板、電池槽、電解液所組成。一般每只電池的正、負(fù)板總數(shù)為 奇數(shù)，負(fù)板至少有 4 片以上 。 閥控式蓄電池與普通鉛酸蓄電池的區(qū)別 閥控式蓄電池屬于貧電解液蓄電池，其內(nèi)部電解液全部吸附在隔膜和極板中，隔膜處于90%的飽和狀態(tài)，電池內(nèi)無(wú)游離電解液，不會(huì)有電解液溢出。蓄電池在任何位置均能正常工作。 閥控式蓄電池在正常浮充電狀態(tài)下，處于密封狀態(tài)，裝設(shè)有能自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉的安全閥。當(dāng)內(nèi)部壓力超過(guò)規(guī)定開(kāi)閥值時(shí)，安全閥自動(dòng)開(kāi)啟；壓力低于關(guān)閥時(shí)又自動(dòng)關(guān)閉。安全閥上

5、有濾酸裝置，不會(huì)排出酸霧等有害氣體，也不會(huì)發(fā)生電解液泄漏，可防火花引起電池爆炸,2.4閥控式鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu),2.5 閥控式蓄電池的運(yùn)行參數(shù),浮充電壓：廠(chǎng)家規(guī)定為2.23-2.28vn，我們?nèi)?.25n,均充電壓：廠(chǎng)家規(guī)定為2.30-2.35vn，我們?nèi)?.35n,n=104 234v n=106 238.4v n=108 243v,n=104 244.4v n=106 249. 1v n=108 253v,南橋蓄電池為104只，馬家磅、郢中、胡集為106只，長(zhǎng)林、棗山為108只,浮充電流：在25時(shí)，浮充電流小于2ma/ah, 浮充電壓的調(diào)整：溫度每升高或下降5電壓校正系數(shù)相應(yīng)減少或增加15m

6、v 閥控式蓄電池的使用環(huán)境：5-30 充電機(jī)的直流輸出紋波系數(shù)2,閥控式密封鉛酸蓄電池在運(yùn)行中電壓偏差及放電終止電壓的規(guī)定,2.6閥控密封鉛鉛蓄電池為什么要進(jìn)行補(bǔ)充充電,閥控式密封鉛酸蓄電池在運(yùn)行過(guò)程中，因浮充電電流調(diào)整不當(dāng)，補(bǔ)償不了閥控式密封鉛酸蓄電池自放電、爬電、漏電而造成蓄電池容量虧損。因此根據(jù)需要設(shè)定時(shí)間（一般為3個(gè)月），充電裝置將自動(dòng)或手動(dòng)進(jìn)行一次恒流限壓充電-恒壓充電-浮充電過(guò)程，使蓄電池組隨時(shí)處于滿(mǎn)容量狀態(tài)，以確保直流電流運(yùn)行的安全可靠,2.7閥控式蓄電池的,閥控密封鉛酸蓄電池的充放電制度 恒流限壓充電 采用1.0i10電流進(jìn)行恒流充電，當(dāng)蓄電池組端電壓上升到（2.302.35）

7、vn限壓值時(shí)，自動(dòng)或手動(dòng)轉(zhuǎn)為恒壓充電。 恒壓充電 在（2.302.35）vn的恒壓充電下，1.0i10率充電電流逐漸減小，當(dāng)充電電流減小至0.1i10充電電流時(shí)，充電裝置的倒計(jì)時(shí)開(kāi)始啟動(dòng)，當(dāng)整定的倒計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，充電裝置將自動(dòng)或手動(dòng)轉(zhuǎn)為正常的浮充電運(yùn)行，浮充電壓值宜控制為（2.232.28）vn,1.8 閥控式蓄電池核對(duì)性放電,1、直流系統(tǒng)有一組閥控式蓄電池的核對(duì)性放電 當(dāng)發(fā)電廠(chǎng)或變電所的直流系統(tǒng)只安裝有一組蓄電池組時(shí)，為了確保直流系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠，蓄電池組不能退出運(yùn)行，也不能作全核對(duì)性放電。只能在充電機(jī)停用后，由蓄電池組向直流負(fù)載和放電電阻供電，放電電流放電電阻調(diào)節(jié)到1.0i10電流進(jìn)行。當(dāng)

8、恒流放出額定容量的50%，蓄電池端電壓不低于2v時(shí)，應(yīng)立即用1.0i10電流對(duì)蓄電池組進(jìn)行恒流限壓充電-恒壓充電-浮充電。蓄電池經(jīng)過(guò)反復(fù)放充2-3次，其容量可得到恢復(fù)。 2、直流系統(tǒng)有兩組閥控式蓄電池的核對(duì)性放電 當(dāng)發(fā)電廠(chǎng)或變電所的直流系統(tǒng)只安裝有兩組蓄電池組時(shí)，可先對(duì)其中一組蓄電池進(jìn)行全核對(duì)性放電。放電電流以1.0i10電流恒流進(jìn)行，當(dāng)蓄電池端電壓下降到1.8vn時(shí)，停止放電，隔1-2h以后，再用1.0i10電流進(jìn)行恒流限壓充電-恒壓充電-浮充電。反復(fù)放充電2-3次，其容量可得到恢復(fù)。若經(jīng)過(guò)3次全核對(duì)性放電，蓄電池容量達(dá)不到額定容量的80%，可認(rèn)為此組蓄電池組的使用期限已到，應(yīng)采取更換措施,

9、高頻開(kāi)關(guān)整流器由主電路、調(diào)整控制電路和輔助電路三部分組成。主電路由交流整流濾波、直流直流變換（高頻變換）器等元器件組成，其作用是從單相或三相交流電網(wǎng)取得交流電，并將其轉(zhuǎn)換為符合要求的直流電。控制電路目前一般采用pwm脈寬調(diào)制電路，它包括輸出采樣、信號(hào)放大、控制調(diào)節(jié)、基準(zhǔn)比較等單元，其作用是對(duì)輸出電壓進(jìn)行檢測(cè)和取樣，并與基準(zhǔn)定值進(jìn)行比較，從而控制高頻開(kāi)關(guān)功率管的開(kāi)關(guān)時(shí)間比例，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。功率因數(shù)校正網(wǎng)絡(luò)也是高頻開(kāi)關(guān)整流器的重要組成部件，其功能是通過(guò)控制過(guò)程，使輸入電流波形跟蹤正弦基波電流，且相位與輸入電壓同相，以保持輸出電壓穩(wěn)定和功率因數(shù)接近于1.0。輔助電路包括手動(dòng)調(diào)整、穩(wěn)壓電源、

10、保護(hù)信號(hào)、事故報(bào)警以及通信接口等,1.9 高頻開(kāi)關(guān)整流器原理,整流電壓,pwm調(diào)制,輸出電壓,1.10微機(jī)高頻開(kāi)關(guān)電源參數(shù),1、高頻開(kāi)關(guān)電源浮充時(shí)，直流輸出調(diào)節(jié)范圍為95%-117%un，均充時(shí)，直流輸出上限值為120%un。 2、在單機(jī)50%-100%額定輸出電流范圍內(nèi)，其均負(fù)荷的不平衡度不超過(guò)直流輸出電流定值的5%。 3、輸出電流限制整定在1.05-110in，過(guò)流整定在1.151.20in。 4、穩(wěn)流精度1%，穩(wěn)壓精度0.5%，紋波系數(shù)0.5% 5、高頻開(kāi)關(guān)整流模塊的額定電流及整流屏上的模塊數(shù)量不宜超過(guò)6-10個(gè)。 6、穩(wěn)流精度檢查：充電機(jī)在充電（穩(wěn)流）狀態(tài)下，交流輸入電壓在10%un范

11、圍內(nèi)變化，輸出電流在20%-100%范圍內(nèi)的任一數(shù)值上穩(wěn)定，充電電壓在規(guī)定的調(diào)整范圍內(nèi)變化時(shí)，其穩(wěn)流精度應(yīng)符合規(guī)定值。 式中：i-穩(wěn)流精度； im -輸出電流波動(dòng)極限值； iz -輸出電流整定值,7、穩(wěn)壓精度檢查：充電裝置在浮充（穩(wěn)壓）狀態(tài)下，交流輸入電壓在10%un范圍內(nèi)變化，輸出電流在0%-100%范圍內(nèi)變化，輸出電壓在其浮充電壓調(diào)整范圍內(nèi)變化時(shí)，其穩(wěn)壓精度應(yīng)符合規(guī)定值。 式中：u-穩(wěn)壓精度； um-輸出電壓波動(dòng)極限值； uz-輸出電壓整定值。 8、紋波系數(shù)檢查：充電裝置在浮充電(穩(wěn)壓)狀態(tài)下，交流輸入電壓在超過(guò)其額定值的+15%、-10%的范圍內(nèi)變化，輸出電流在其額定值的0%100%范圍

12、內(nèi)變化，輸出電壓在浮充電電壓調(diào)節(jié)范圍內(nèi)任一數(shù)值上，測(cè)得電阻性負(fù)載兩端的紋波系數(shù)均應(yīng)規(guī)定。紋波系數(shù)用以下公式計(jì)算： 式中：-紋波系數(shù)； uf-直流電壓脈動(dòng)峰值； uq-直流電壓脈動(dòng)谷值； up-直流電壓平均值,微機(jī)高頻開(kāi)關(guān)電源型號(hào)說(shuō)明,1.11 調(diào)壓裝置,根據(jù)工作原理的不同，調(diào)壓裝置可分為硅鏈分級(jí)調(diào)壓和開(kāi)關(guān)變換型無(wú)級(jí)調(diào)壓兩種。硅鏈調(diào)壓是利用大功率整流二極管pn結(jié)正向壓降疊加來(lái)產(chǎn)生調(diào)整壓降，具有安全、可靠、抗電流沖擊性好、容易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)；無(wú)級(jí)調(diào)壓裝置實(shí)際上是一種串聯(lián)調(diào)節(jié)buck開(kāi)關(guān)變換器，通過(guò)控制pwm脈沖的寬度來(lái)調(diào)節(jié)控制母線(xiàn)的電壓，優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)電壓的連續(xù)調(diào)節(jié)，缺點(diǎn)是電路相對(duì)復(fù)雜、不易維護(hù)等,1

13、.11.1硅鏈自動(dòng)調(diào)壓裝置 硅鏈?zhǔn)怯啥嘀淮蠊β收鞫O管串聯(lián)而成，利用pn結(jié)基本恒定的正向壓降來(lái)產(chǎn)生調(diào)整電壓，通過(guò)改變串入線(xiàn)路的pn結(jié)數(shù)量來(lái)獲得適當(dāng)?shù)膲航?，達(dá)到電壓調(diào)節(jié)的目的,1.11.2 dc/dc斬波穩(wěn)壓器 dc/dc斬波穩(wěn)壓器是一種開(kāi)關(guān)變換型無(wú)級(jí)調(diào)壓裝置，它采用了vmos場(chǎng)效應(yīng)功率模塊和專(zhuān)用pwm集成控制芯片，通過(guò)控制pwm脈沖的寬度來(lái)調(diào)節(jié)控制母線(xiàn)的電壓,何為直流系統(tǒng)接地,當(dāng)直流系統(tǒng)的正極或負(fù)極與大地之間的絕緣水平降到某一整定值或低于某一規(guī)定值時(shí)，統(tǒng)稱(chēng)為直流系統(tǒng)接地； 當(dāng)正極絕緣水平低于某一規(guī)定值時(shí)稱(chēng)為正接地； 當(dāng)負(fù)極絕緣水平低于某一規(guī)定值時(shí)稱(chēng)為負(fù)接地,表1 絕緣電阻整定值,dl/t85

14、6-2004附錄a（規(guī)范性附錄,1.12 直流接地的危害與檢測(cè),按故障類(lèi)型分為： 直接接地（金屬接地） 直接接地是指直流系統(tǒng)電源正極或負(fù)極對(duì)地的電阻等于或接近于零的情況。這種接地情況在直流系統(tǒng)中如果同時(shí)出現(xiàn)兩點(diǎn)時(shí)，就很可能造成斷路器誤動(dòng)或拒動(dòng)，或熔斷絲燒斷等現(xiàn)象 間接接地（非金屬接地） 間接接地是指直流系統(tǒng)電源正極或負(fù)極對(duì)地絕緣電阻低至某一允許值之下。這時(shí)的接地電阻是否會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成危害，就要看各個(gè)單位的具體情況，它與系統(tǒng)接地的位置和繼電器的靈敏度有關(guān)比如當(dāng)前發(fā)電廠(chǎng)和變電站中最靈敏的中間繼電器的內(nèi)阻，對(duì)于為，對(duì)為，對(duì)為 絕緣降低 絕緣降低是指直流系統(tǒng)所采用的電纜、設(shè)備的絕緣電阻由于某種原因低于出

15、廠(chǎng)數(shù)值。這些電纜，設(shè)備構(gòu)成的直流系統(tǒng)的直流電源的正，負(fù)極對(duì)地絕緣電阻總體上低于充許值,直流系統(tǒng)接地故障分類(lèi),電纜引起 故障主要是由于電纜絕緣層的老化或電纜加工、敷設(shè)過(guò)程中的工作不慎損傷電纜絕緣層造成。 設(shè)備引起 設(shè)備在制造過(guò)程中絕緣部分受損或者絕緣材料質(zhì)量低，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后，薄弱部位就會(huì)裸露出來(lái)，如果空氣潮濕就可能產(chǎn)生直流接地故障。 其他外來(lái)物引起 外來(lái)物包括外來(lái)金屬碎片、設(shè)備的緊固件及小動(dòng)物軀體等,直流絕緣異常常見(jiàn)情況,當(dāng)直流系統(tǒng)正極接地時(shí)，將會(huì)有造成保護(hù)誤動(dòng)的可能； 當(dāng)直流系統(tǒng)負(fù)極接地時(shí)，將會(huì)有造成保護(hù)拒動(dòng)的可能。 因此，當(dāng)正極發(fā)生一點(diǎn)接地后，危害性很大,直流接地故障的危害,直流系統(tǒng)中有

16、一點(diǎn)接地是不會(huì)對(duì)直流系統(tǒng)造成直接危害的，但是必須及時(shí)消除故障，否則在直流系統(tǒng)中再有一點(diǎn)接地就可能造成對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的嚴(yán)重危害,直流接地故障常見(jiàn)情況,兩點(diǎn)接地可能造成斷路器誤跳 a、b兩點(diǎn)，a、c兩點(diǎn)，a、d兩點(diǎn)，d、f兩點(diǎn)接地都可能造成斷路器誤跳。 兩點(diǎn)接地可能造成斷路器拒動(dòng) b、e兩點(diǎn)，d、e兩點(diǎn)或c、e兩點(diǎn)接地都可能造成斷路器拒動(dòng)。 兩點(diǎn)接地可能引起熔斷器熔斷 a、e兩點(diǎn)接地可能引起熔斷器熔斷。 當(dāng)接地點(diǎn)發(fā)生在b、e和c、e兩點(diǎn)，保護(hù)動(dòng)作時(shí)，不但斷路器拒動(dòng)，熔斷器熔斷，而且還有燒壞斷電器觸點(diǎn)的可能,圖1 直流系統(tǒng)接地情況圖,r正與r負(fù)為r1r5的等效電阻，系統(tǒng)正常時(shí)，r正=r負(fù)，v+=v-

17、=110v，當(dāng)系統(tǒng)正級(jí)或負(fù)級(jí)發(fā)生接地或絕緣異常時(shí)，其正對(duì)地與負(fù)對(duì)地電壓即會(huì)發(fā)生變化。 如果正極接地電阻為rx，如圖4,得,接地阻值與電壓偏差關(guān)系分析,圖3 電橋等效原理圖,圖4 正接地等效原理圖,電壓偏差越大，接地越嚴(yán)重？它們之間有何種關(guān)系,則,分別以r正=r負(fù)=1m，以及r正=r負(fù)=50k時(shí)正接地電阻為50k時(shí)考察電壓的變化情況。 平衡電阻為1m 時(shí)，v+=10.5v,v-=209.5v 平衡電阻為50k 時(shí)，v+=73v, v-=147v,接地阻值與電壓偏差關(guān)系分析,1.13 220kv變電站直流饋線(xiàn)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)接線(xiàn)方式,直流系統(tǒng)供電方式總體原則：直流系統(tǒng)宜采用直流系統(tǒng)屏（柜）一級(jí)供電方式，二

18、次設(shè)備室的測(cè)控、保護(hù)、故障錄波、自動(dòng)裝置、電能采集、220kv以及110kv斷路器儲(chǔ)能回路等采用輻射式供電方式，35(10)kv開(kāi)關(guān)柜采用環(huán)網(wǎng)供電方式。 220kv線(xiàn)路單元 i段直流母線(xiàn)饋電屏提供1路饋出給第一套線(xiàn)路保護(hù)、第一組跳閘回路（含合閘）及斷路器機(jī)構(gòu)壓力監(jiān)視回路提供電源；ii段直流母線(xiàn)饋電屏提供1路饋出給第二套線(xiàn)路保護(hù)、第二組跳閘回路提供電源。 主變壓器單元 i段直流母線(xiàn)饋電屏提供3路饋出：分別給第一套主變保護(hù)及高壓側(cè)第一組跳合閘回路（含機(jī)構(gòu)壓力監(jiān)視）、非電量保護(hù)、中壓側(cè)斷路器操作箱等提供電源；ii段直流母線(xiàn)饋電屏提供3路饋出：分別給第二套主變保護(hù)及高壓側(cè)第二組跳閘回路、低壓側(cè)斷路器操作電源、主變測(cè)控屏提供電源。 110kv線(xiàn)路單元 110kv線(xiàn)路保護(hù)、操作及測(cè)控電源由直流饋電屏按間隔單獨(dú)輸出1路，相鄰線(xiàn)路間隔供電電源宜分別取自不同的直流母線(xiàn)段,低壓部分 對(duì)于新建站點(diǎn)，35（10）kv保護(hù)測(cè)控及斷路器儲(chǔ)能回路電源宜按段（按主變單元?jiǎng)澐郑┓謩e采取兩路電源環(huán)網(wǎng)供電方式，運(yùn)行時(shí)開(kāi)環(huán)運(yùn)行。改（擴(kuò)）建站點(diǎn)，可以不按段分別供電，但中間應(yīng)設(shè)置分段開(kāi)關(guān)。 站內(nèi)其它雙重化的智能裝置，其供電電源應(yīng)分別取自直流系統(tǒng)的不同母線(xiàn)段；單一性質(zhì)的智能裝置供電電源宜合