電力工程直流電源可靠性研究

1、 電力工程直流電源可靠性研究【摘要】電力工程中直流供電的可靠性對(duì)于保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行和事故的處理具有重要作用。文章從設(shè)計(jì)選型的角度，指出了直流電源在電池選型、充放電設(shè)備選型、監(jiān)控裝置設(shè)置、系統(tǒng)接線和運(yùn)行保護(hù)設(shè)備選型等方面存在的問題及解決方法。 關(guān)鍵詞：直流電源；可靠性;設(shè)計(jì)選擇 0 概述 電力工程包括各類500kV及以下的發(fā)電廠和變電站，工業(yè)企業(yè)和建筑物的10kV變電站。為了使其正常運(yùn)行和處理事故，可靠的直流電源是必不可少的。它為正常運(yùn)行的電力設(shè)備提供控制、保護(hù)和信號(hào)電源，使高壓斷路器能夠正常運(yùn)行，特別是當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生交流電源意外故障時(shí)，一套安全可靠的需要直流電源。除為上述負(fù)載供電外，還為

2、直流電機(jī)、應(yīng)急照明、UPS等負(fù)載供電，以保證電力系統(tǒng)的事故處理和電力恢復(fù)。 多年來，人們?cè)谥绷麟娫吹目煽啃苑矫孀隽舜罅康睦碚撗芯亢蛯?shí)踐工作，廢除了一些落后的設(shè)備和元器件，改進(jìn)了系統(tǒng)布線，提高了自動(dòng)化水平，技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)，并實(shí)現(xiàn)了長壽命和少的原則。維修、可靠性有了很大提高。目前，閥控式密封鉛酸蓄電池、高頻開關(guān)整流器或微機(jī)晶閘管整流器、直流斷路器、直流電力監(jiān)控裝置等廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)。 但在電池選型、充放電設(shè)備選型、監(jiān)控裝置設(shè)置、系統(tǒng)接線和運(yùn)行保護(hù)設(shè)備選型等方面仍存在一些影響直流供電可靠性的問題。除了設(shè)備的技術(shù)質(zhì)量，本文將從設(shè)計(jì)選型方面提出直流電源可靠性的一些問題和解決方案。 1 塊電池 近十年來，

3、閥控式鉛酸蓄電池得到了廣泛的應(yīng)用。具有無需加酸、不漏液、無酸霧、自放電電流小、電阻小、壽命長、安裝方便、維修少等優(yōu)點(diǎn)。但它對(duì)溫度敏感，所以對(duì)充電電源有嚴(yán)格要求，不允許出現(xiàn)嚴(yán)重的過充或欠充。 因此，在設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)注意以下問題。 1.1 電池組數(shù)量的選擇 直流設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)各類電力工程作出了明確規(guī)定。其原理是從直流負(fù)載供電的可靠性角度出發(fā)。網(wǎng)絡(luò)控制部分獨(dú)立設(shè)置，遠(yuǎn)離主車間的輔助車間單獨(dú)設(shè)置，盡可能減小各蓄電池直流系統(tǒng)的供電范圍，保證功能的獨(dú)立性。 110kV重要變電站和220kV及以上變電站按重要性安裝2組蓄電池，滿足繼電保護(hù)和斷路器脫扣機(jī)構(gòu)的雙重供電需求。因此，電池組的數(shù)量應(yīng)根據(jù)供電負(fù)載的需要和可靠

4、性，盡可能減少供電面積，并從項(xiàng)目的重要性考慮配置情況。 1.2 電池?cái)?shù)量的選擇 無端電池和直流系統(tǒng)無降壓裝置，簡(jiǎn)化了直流系統(tǒng)的接線，避免了端電池硫化和硅降壓裝置的麻煩問題，從而提高了可靠性。但要求電池組的運(yùn)行必須滿足正常運(yùn)行時(shí)母線電壓為標(biāo)稱電壓的105%，在線均衡充電電壓時(shí)母線電壓不得超過標(biāo)稱電壓的110%，事故放電結(jié)束時(shí)的母線電壓為其標(biāo)稱電壓。 85%，即標(biāo)稱電壓為220V的直流系統(tǒng)的母線電壓允許在187242V之間波動(dòng)。這樣浮動(dòng)電壓為2.23V，均衡電壓可以在2.282.33V之間選擇，事故放電結(jié)束時(shí)的電壓可以選擇在1.8V以上，完全滿足直流母線的允許波動(dòng)電壓。根據(jù)計(jì)算，220V電池組的數(shù)

5、量對(duì)于單個(gè)2V電池來說只能是103個(gè)或104個(gè)。但是，小功率項(xiàng)目的220V直流系統(tǒng)中的電池大多使用200Ah以下的電池，而且大多使用12V或6V的組合電池。對(duì)于12V組合電池，經(jīng)常使用18節(jié)，相當(dāng)于108節(jié)單節(jié)2V電池。直流母線電壓過高，降低浮充電壓會(huì)對(duì)電池壽命產(chǎn)生影響。由于運(yùn)行時(shí)平衡充電時(shí)直流母線電壓較高，因此更習(xí)慣使用硅降壓器件進(jìn)行穩(wěn)壓，增加了復(fù)雜性，降低了可靠性。在直流負(fù)載較小且電池容量有保證的情況下，事故放電結(jié)束時(shí)的電壓可提升至1.83V以上，單節(jié)2V的102節(jié)電池或12V組合的17節(jié)電池和6V組合的34節(jié)電池可被選中。目前有的電池廠可以生產(chǎn)帶假體的組裝電池，即生產(chǎn)10V組件或4V組件

6、的電池。如果選擇1412V+410V或346V+14V，也相當(dāng)于104個(gè)電池組的單個(gè)2V?？傊?，應(yīng)嚴(yán)格控制電池組的數(shù)量，以達(dá)到簡(jiǎn)化直流系統(tǒng)布線的目的。 1.3 試驗(yàn)放電設(shè)備的選擇 DL/T 5044-2004電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程規(guī)定“試驗(yàn)放電裝置應(yīng)采用電加熱裝置或有源逆變放電裝置”。 DL/T 724-2000電力系統(tǒng)用蓄電池直流供電裝置的操作和維護(hù)技術(shù)規(guī)程還規(guī)定了蓄電池的檢查放電方法和放電周期。 浮充模式運(yùn)行多年的電池意外放電容量是多少？如果僅僅依靠一般的容量檢測(cè)方法，其可靠性并不高。電池端電壓的高低不是容量的指標(biāo)。唯一的辦法就是定期檢查充放電激活電池，檢查容量，確保電池始終能以90

7、%以上的容量運(yùn)行。滿足交流事故停電、電廠事故停運(yùn)、變電站事故處理時(shí)對(duì)直流負(fù)載的需求。這也是直流電源可靠性的重要組成部分。 由于放電設(shè)備的設(shè)備水平落后，放電設(shè)備的選擇困難，沒有好的選擇，給電池的運(yùn)行和維護(hù)帶來很多困難。 2個(gè)整流器 整流器是直流供電的重要設(shè)備，其優(yōu)劣直接影響電池的長期可靠運(yùn)行，因此其主要技術(shù)特性應(yīng)滿足電池的充電和浮充要求，并能長期連續(xù)工作系統(tǒng)應(yīng)具有電壓調(diào)節(jié)、電流調(diào)節(jié)和限流功能。性能和技術(shù)參數(shù)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，各種功能可自動(dòng)或手動(dòng)切換，操作安全靈活。 設(shè)計(jì)選型應(yīng)注意以下問題： (1)閥控式密封鉛酸蓄電池的浮充電壓應(yīng)為2.23V，這是影響直流系統(tǒng)長期可靠運(yùn)行和蓄電池壽命的重要問題。正

8、確選擇電池的浮充電壓是一個(gè)比較復(fù)雜的問題。浮充電壓應(yīng)滿足補(bǔ)償電池自放電電流和維持氧循環(huán)的需要。事實(shí)上，電池結(jié)構(gòu)、正極板柵的腐蝕速率、電池氣體排放、105%UN的直流系統(tǒng)母線電壓也應(yīng)該考慮在內(nèi)。如果浮充電壓過低，浮充電流就不能維持電池的氧循環(huán)和補(bǔ)償電池的自放電，導(dǎo)致電池端電壓出現(xiàn)偏差。浮充電壓過高會(huì)加劇正極板的腐蝕速度、廢氣和失水量。對(duì)于閥控式電池，不允許對(duì)過充和欠充有很高的要求，因此應(yīng)根據(jù)電池的特性選擇合適的浮充電壓。 (2)穩(wěn)壓、穩(wěn)流、限流特性。為保證電池能以最佳狀態(tài)運(yùn)行，采用兩段式恒流恒壓充電方式。為了保證直流母線的工作電壓，防止產(chǎn)生落后電池，浮充時(shí)的穩(wěn)壓特性非常重要。充電時(shí)的穩(wěn)流特性也很

9、重要。當(dāng)電源電壓逐漸升高時(shí)，可以保持穩(wěn)定的電流，保證電池正常的電化學(xué)反應(yīng)，順利進(jìn)入恒壓均衡充電階段，從而改善電池特性參數(shù)或解決個(gè)別落后電池的問題。容量恢復(fù)問題。限流功能可以防止整流器在負(fù)載突然增大時(shí)出現(xiàn)“搶載”和“過沖”現(xiàn)象而容易跳閘。穩(wěn)壓、穩(wěn)流和限流特性參數(shù)應(yīng)符合表1的要求。 表1 電壓調(diào)節(jié)、電流調(diào)節(jié)和限流特性參數(shù) 3 直流電源監(jiān)控裝置 因?yàn)榘l(fā)電廠、變電站和電力調(diào)度部門都采用了計(jì)算機(jī)監(jiān)控和監(jiān)控技術(shù)。直流電源系統(tǒng)是電力工程中電氣系統(tǒng)的組成部分。它對(duì)保證電力系統(tǒng)自動(dòng)化裝置的應(yīng)用和可靠性具有重要作用。其技術(shù)條件、基本參數(shù)、基本功能、安全性能、結(jié)構(gòu)工藝等應(yīng)符合電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 856-2003電

10、力用直流電源監(jiān)控裝置的要求。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定主要監(jiān)測(cè)容量為充電電壓。 , 自動(dòng)調(diào)整電流穩(wěn)定運(yùn)行，根據(jù)運(yùn)行方式自動(dòng)將浮充轉(zhuǎn)均充或均充轉(zhuǎn)浮充，主直流斷路器的運(yùn)行狀態(tài)和事故報(bào)警，直流正常顯示和異常報(bào)警母線電壓、直流系統(tǒng)絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)、電池在線檢測(cè)、逆變器放電自動(dòng)調(diào)節(jié)等。逆變器放電，嚴(yán)重接地自動(dòng)跳閘，電池在線檢測(cè)的可靠性和智能化。 4 直流配電系統(tǒng) 直流系統(tǒng)布線、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、運(yùn)行和保護(hù)電器的選擇是影響直流電源可靠性的主要問題。 4.1 直流系統(tǒng)接線 直流系統(tǒng)的接線應(yīng)簡(jiǎn)單、安全可靠、易于維護(hù)和操作。 1組電池接線可以是單母線段或單母線。兩組電池設(shè)置有兩段母線，兩段母線之間設(shè)置聯(lián)絡(luò)電器，一般為隔離開關(guān)，必要時(shí)可加

11、裝保護(hù)電器?？傊?，直流母線連接1組蓄電池和相應(yīng)的充電設(shè)備，支路負(fù)載由母線饋線供電。 目前，仍有少數(shù)電廠和變電站采用帶端電池的雙母線或帶降壓裝置的控制和合閘母線系統(tǒng)。帶端部電池的雙母線系統(tǒng)雖然可以充分利用電池容量，但接線復(fù)雜，端部電池維護(hù)困難，操作不靈活，因此基本不用。降壓裝置的控制母線和合閘母線的單獨(dú)接線對(duì)于使用鎳鎘電池的系統(tǒng)是必不可少的，因?yàn)殒囨k電池的單體電壓為1.2V，220V系統(tǒng)選用180左右電池，浮充電壓 如果電壓為1.36-1.39V，平衡充電電壓為1.47-1.48V，事故放電結(jié)束電壓為1.10V，直流母線電壓將在266-198V之間波動(dòng).不可能滿足控制負(fù)載的要求，所以小容量電池要

12、滿足大電流合閘機(jī)構(gòu)，還要加裝合閘母線。但使用 VRLA 電池的直流系統(tǒng)不需要。 4.2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 直流供電網(wǎng)絡(luò)宜采用輻射供電方式。小容量（200Ah以下）電池直流系統(tǒng)，由于供電面積小，可以是兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，電池接入直流母線后直接給負(fù)載供電。對(duì)于容量（200Ah以上）的蓄電池直流系統(tǒng)，由于供電面積大，可以在負(fù)載集中的地方設(shè)置直流配電柜，直流配電柜可以為負(fù)載供電，包括大負(fù)荷的再分配，僅形成34級(jí)。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 輻射供電網(wǎng)絡(luò)對(duì)負(fù)載實(shí)行單一供電，互不影響。配電柜還節(jié)省了電纜，也為尋找接地和保護(hù)設(shè)備的選擇帶來了方便。 4.3 運(yùn)行保護(hù)電器的選擇 該直流斷路器集操作和保護(hù)功能于一體，安裝方便，操作靈活，穩(wěn)定性

13、高，保護(hù)功能完善。一般兩級(jí)保護(hù)的直流斷路器具有過載長延時(shí)熱脫扣功能和短路時(shí)電磁脫扣瞬時(shí)脫扣功能。應(yīng)該說是一個(gè)理想的選擇。但是，直流斷路器的額定電流選擇是由供給負(fù)載電流的計(jì)算決定的。如果選擇較大，由于負(fù)載電流較小，過載熱脫扣時(shí)間 (I2t) 會(huì)延長。如果選型小，由于負(fù)載電流大，長期運(yùn)行，環(huán)境溫度高，熱脫扣可能會(huì)發(fā)生故障。當(dāng)斷路器的額定電流確定后，除過載長延時(shí)熱脫扣的保護(hù)特性外，還形成了短路瞬時(shí)電磁脫扣特性，一般為10IN20%動(dòng)作，但斷路器安裝時(shí)的電路 電流決定了短路瞬時(shí)脫扣的靈敏度，必須通過計(jì)算來驗(yàn)證。 直流斷路器安裝的短路電流和靈敏度計(jì)算公式如下： Idk=nU0/n(r0+rl)+rj+r

14、k Kl=Idk/Idz 式中，Idk為斷路器安裝處的短路電流，A； U0為電池的開路電壓，V； rb 為電池內(nèi)阻，； rl電池間的連接條或?qū)w的電阻，； rj 為電池組安裝到斷路器的連接電纜或?qū)w的電阻之和，； rk相關(guān)斷路器的接觸電阻之和，； Kl 為靈敏度系數(shù)，不應(yīng)低于 1.25； Idz 是斷路器的瞬時(shí)保護(hù)（脫扣器）動(dòng)作電流，A。 由于參數(shù)復(fù)雜，每個(gè)工廠、整廠或運(yùn)行單位不可能準(zhǔn)確計(jì)算短路電流，因此無法驗(yàn)證靈敏度。 由于短路電流的不確定性，最初根據(jù)負(fù)載電流選擇額定電流，并考慮上下級(jí)差動(dòng)配合。但是，短路暫態(tài)保護(hù)不能保證其差動(dòng)配合。如果短路電流大，肯定會(huì)出現(xiàn)越級(jí)現(xiàn)象，事故范圍擴(kuò)大。是一個(gè)必須解決的問題。有的機(jī)組采用取消瞬時(shí)釋放或在電池插座處切換保險(xiǎn)絲的方法。計(jì)算和試驗(yàn)證明，仍會(huì)發(fā)生越界和設(shè)備損壞。在智能直流斷路器出現(xiàn)之前，采用三段式（過載長延時(shí)+短路瞬時(shí)+短路短延時(shí)）直流斷路器，從負(fù)載側(cè)到供電側(cè)逐漸增加時(shí)限，無需精確計(jì)算即可利用短