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于保證電力系統(tǒng)的正常運行和事故的處理具有重要作用。文章從設計選型的角度，指出了直流電源在電池選型、充放電設備選型、監(jiān)控裝置設置、系統(tǒng)接線和運行保護設備選型等方面存在的問題及解決方法。 關鍵詞：直流電源；可靠性;設計選擇 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。為了使其正常運行和處理事故，可靠的直流電源是必不可少的。它為正常運行的電力設備提供控制、保護和信號電源，使高壓斷路器能夠正常運行，特別是當電力系統(tǒng)發(fā)生交流電源意外故障時，一套安全可靠的需要直流電源。除為上述負載供電外，還為

2、直流電機、應急照明、UPS等負載供電，以保證電力系統(tǒng)的事故處理和電力恢復。 多年來，人們在直流電源的可靠性方面做了大量的理論研究和實踐工作，廢除了一些落后的設備和元器件，改進了系統(tǒng)布線，提高了自動化水平，技術指標先進，并實現(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、高頻開關整流器或微機晶閘管整流器、直流斷路器、直流電力監(jiān)控裝置等廣泛應用于電力系統(tǒng)。 但在電池選型、充放電設備選型、監(jiān)控裝置設置、系統(tǒng)接線和運行保護設備選型等方面仍存在一些影響直流供電可靠性的問題。除了設備的技術質(zhì)量，本文將從設計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。但它對溫度敏感，所以對充電電源有嚴格要求，不允許出現(xiàn)嚴重的過充或欠充。 因此，在設計選型時應注意以下問題。 1.1 電池組數(shù)量的選擇 直流設計規(guī)范對各類電力工程作出了明確規(guī)定。其原理是從直流負載供電的可靠性角度出發(fā)。網(wǎng)絡控制部分獨立設置，遠離主車間的輔助車間單獨設置，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，滿足繼電保護和斷路器脫扣機構的雙重供電需求。因此，電池組的數(shù)量應根據(jù)供電負載的需要和可靠

4、性，盡可能減少供電面積，并從項目的重要性考慮配置情況。 1.2 電池數(shù)量的選擇 無端電池和直流系統(tǒng)無降壓裝置，簡化了直流系統(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。但要求電池組的運行必須滿足正常運行時母線電壓為標稱電壓的105%，在線均衡充電電壓時母線電壓不得超過標稱電壓的110%，事故放電結束時的母線電壓為其標稱電壓。 85%，即標稱電壓為220V的直流系統(tǒng)的母線電壓允許在187242V之間波動。這樣浮動電壓為2.23V，均衡電壓可以在2.282.33V之間選擇，事故放電結束時的電壓可以選擇在1.8V以上，完全滿足直流母線的允許波動電壓。根據(jù)計算，220V電池組的數(shù)

5、量對于單個2V電池來說只能是103個或104個。但是，小功率項目的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。對于12V組合電池，經(jīng)常使用18節(jié)，相當于108節(jié)單節(jié)2V電池。直流母線電壓過高，降低浮充電壓會對電池壽命產(chǎn)生影響。由于運行時平衡充電時直流母線電壓較高，因此更習慣使用硅降壓器件進行穩(wěn)壓，增加了復雜性，降低了可靠性。在直流負載較小且電池容量有保證的情況下，事故放電結束時的電壓可提升至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，也相當于104個電池組的單個2V?？傊?，應嚴格控制電池組的數(shù)量，以達到簡化直流系統(tǒng)布線的目的。 1.3 試驗放電設備的選擇 DL/T 5044-2004電力工程直流系統(tǒng)設計技術規(guī)程規(guī)定“試驗放電裝置應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技術規(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方法，其可靠性并不高。電池端電壓的高低不是容量的指標。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、%以上的容量運行。滿足交流事故停電、電廠事故停運、變電站事故處理時對直流負載的需求。這也是直流電源可靠性的重要組成部分。 由于放電設備的設備水平落后，放電設備的選擇困難，沒有好的選擇，給電池的運行和維護帶來很多困難。 2個整流器 整流器是直流供電的重要設備，其優(yōu)劣直接影響電池的長期可靠運行，因此其主要技術特性應滿足電池的充電和浮充要求，并能長期連續(xù)工作系統(tǒng)應具有電壓調(diào)節(jié)、電流調(diào)節(jié)和限流功能。性能和技術參數(shù)符合相關標準要求，各種功能可自動或手動切換，操作安全靈活。 設計選型應注意以下問題： (1)閥控式密封鉛酸蓄電池的浮充電壓應為2.23V，這是影響直流系統(tǒng)長期可靠運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比較復雜的問題。浮充電壓應滿足補償電池自放電電流和維持氧循環(huán)的需要。事實上，電池結構、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)和補償電池的自放電，導致電池端電壓出現(xiàn)偏差。浮充電壓過高會加劇正極板的腐蝕速度、廢氣和失水量。對于閥控式電池，不允許對過充和欠充有很高的要求，因此應根據(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，浮充時的穩(wěn)壓特性非常重要。充電時的穩(wěn)流特性也很

9、重要。當電源電壓逐漸升高時，可以保持穩(wěn)定的電流，保證電池正常的電化學反應，順利進入恒壓均衡充電階段，從而改善電池特性參數(shù)或解決個別落后電池的問題。容量恢復問題。限流功能可以防止整流器在負載突然增大時出現(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 因為發(fā)電廠、變電站和電力調(diào)度部門都采用了計算機監(jiān)控和監(jiān)控技術。直流電源系統(tǒng)是電力工程中電氣系統(tǒng)的組成部分。它對保證電力系統(tǒng)自動化裝置的應用和可靠性具有重要作用。其技術條件、基本參數(shù)、基本功能、安全性能、結構工藝等應符合電力行業(yè)標準DL/T 856-2003電

10、力用直流電源監(jiān)控裝置的要求。行業(yè)標準規(guī)定主要監(jiān)測容量為充電電壓。 , 自動調(diào)整電流穩(wěn)定運行，根據(jù)運行方式自動將浮充轉(zhuǎn)均充或均充轉(zhuǎn)浮充，主直流斷路器的運行狀態(tài)和事故報警，直流正常顯示和異常報警母線電壓、直流系統(tǒng)絕緣狀態(tài)監(jiān)測、電池在線檢測、逆變器放電自動調(diào)節(jié)等。逆變器放電，嚴重接地自動跳閘，電池在線檢測的可靠性和智能化。 4 直流配電系統(tǒng) 直流系統(tǒng)布線、網(wǎng)絡設計、運行和保護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)的接線應簡單、安全可靠、易于維護和操作。 1組電池接線可以是單母線段或單母線。兩組電池設置有兩段母線，兩段母線之間設置聯(lián)絡電器，一般為隔離開關，必要時可加

11、裝保護電器?？傊?，直流母線連接1組蓄電池和相應的充電設備，支路負載由母線饋線供電。 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，但接線復雜，端部電池維護困難，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接線對于使用鎳鎘電池的系統(tǒng)是必不可少的，因為鎳鎘電池的單體電壓為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，事故放電結束電壓為1.10V，直流母線電壓將在266-198V之間波動.不可能滿足控制負載的要求，所以小容量電池要

12、滿足大電流合閘機構，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)絡設計 直流供電網(wǎng)絡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，可以是兩級網(wǎng)絡系統(tǒng)，電池接入直流母線后直接給負載供電。對于容量（200Ah以上）的蓄電池直流系統(tǒng)，由于供電面積大，可以在負載集中的地方設置直流配電柜，直流配電柜可以為負載供電，包括大負荷的再分配，僅形成34級。網(wǎng)絡系統(tǒng)。 輻射供電網(wǎng)絡對負載實行單一供電，互不影響。配電柜還節(jié)省了電纜，也為尋找接地和保護設備的選擇帶來了方便。 4.3 運行保護電器的選擇 該直流斷路器集操作和保護功能于一體，安裝方便，操作靈活，穩(wěn)定性

13、高，保護功能完善。一般兩級保護的直流斷路器具有過載長延時熱脫扣功能和短路時電磁脫扣瞬時脫扣功能。應該說是一個理想的選擇。但是，直流斷路器的額定電流選擇是由供給負載電流的計算決定的。如果選擇較大，由于負載電流較小，過載熱脫扣時間 (I2t) 會延長。如果選型小，由于負載電流大，長期運行，環(huán)境溫度高，熱脫扣可能會發(fā)生故障。當斷路器的額定電流確定后，除過載長延時熱脫扣的保護特性外，還形成了短路瞬時電磁脫扣特性，一般為10IN20%動作，但斷路器安裝時的電路 電流決定了短路瞬時脫扣的靈敏度，必須通過計算來驗證。 直流斷路器安裝的短路電流和靈敏度計算公式如下： 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相關斷路器的接觸電阻之和，； Kl 為靈敏度系數(shù)，不應低于 1.25； Idz 是斷路器的瞬時保護（脫扣器）動作電流，A。 由于參數(shù)復雜，每個工廠、整廠或運行單位不可能準確計算短路電流，因此無法驗證靈敏度。 由于短路電流的不確定性，最初根據(jù)負載電流選擇額定電流，并考慮上下級差動配合。但是，短路暫態(tài)保護不能保證其差動配合。如果短路電流大，肯定會出現(xiàn)越級現(xiàn)象，事故范圍擴大。是一個必須解決的問題。有的機組采用取消瞬時釋放或在電池插座處切換保險絲的方法。計算和試驗證明，仍會發(fā)生越界和設備損壞。在智能直流斷路器出現(xiàn)之前，采用三段式（過載長延時+短路瞬時+短路短延時）直流斷路器，從負載側(cè)到供電側(cè)逐漸增加時限，無需精確計算即可利用短