電力工程直流電源中心議題：
- 蓄電池
- 整流器
- 直流電源監(jiān)控裝置
- 直流配電系統(tǒng)
電力工程直流電源解決方案：
- 選擇閥控式密封鉛酸蓄電池
- 整流器選擇高頻開(kāi)關(guān)型或晶閘管型
- 選擇直流斷路器作保護(hù)設(shè)備
摘要：電力工程直流電源的可靠性對(duì)保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行和事故處理具有重要作用。文章從設(shè)計(jì)選型角度指出了蓄電池選擇、充放電設(shè)備選擇、監(jiān)控裝置設(shè)置、系統(tǒng)接線(xiàn)和操作保護(hù)設(shè)備選擇等在直流電源可靠性方面存在的問(wèn)題以及解決方法。
關(guān)鍵詞： 直流電源；可靠性；設(shè)計(jì)選型
0 概述
電力工程包括各種類(lèi)型的發(fā)電廠(chǎng)和500kV及以下變電所，工業(yè)企業(yè)和樓宇的10kV變電所。為了使其正常運(yùn)行和進(jìn)行事故處理，可靠的直流電源是必不可缺少的，它給在正常運(yùn)行中的電力設(shè)備提供控制、保護(hù)、信號(hào)電源，高壓斷路器才可以正常操作，尤其是當(dāng)電力系統(tǒng)事故交流電源停電時(shí)，更需要一套安全可靠的直流電源，它除了給上述負(fù)荷供電外，還要給直流電動(dòng)機(jī)、事故照明及UPS等負(fù)荷供電，才能保證電力系統(tǒng)的事故處理和恢復(fù)供電。
多年以來(lái)，人們?cè)谥绷麟娫纯煽啃苑矫孀隽舜罅康睦碚撗芯亢蛯?shí)踐工作，廢除了一些落后設(shè)備和元器件，改善了系統(tǒng)接線(xiàn)，提高了自動(dòng)化水平，擁有了先進(jìn)的技術(shù)指標(biāo)，以及長(zhǎng)壽命和少維護(hù)的原則，可靠性已大大提高。目前，電力系統(tǒng)廣泛采用了閥控式密封鉛酸蓄電池、高頻開(kāi)關(guān)整流器或微機(jī)型晶閘管整流器、直流斷路器、直流電源監(jiān)控裝置等。
但是在蓄電池選擇、充放電設(shè)備選擇、監(jiān)控裝置設(shè)置、系統(tǒng)接線(xiàn)和操作保護(hù)設(shè)備選擇等方面仍然存在一些影響直流電源可靠性的問(wèn)題。除了設(shè)備技術(shù)質(zhì)量方面的問(wèn)題之外，本文將從設(shè)計(jì)選型方面對(duì)直流電源可靠性方面提出一些問(wèn)題和解決辦法。
1 蓄電池
近十年來(lái)閥控式密封鉛酸蓄電池得到了廣泛的應(yīng)用。它在使用中具有無(wú)需添加酸液，不漏液，無(wú)酸霧，自放電電流小，內(nèi)阻小，壽命長(zhǎng)，安裝方便少維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。但是它對(duì)溫度反應(yīng)靈敏，因而對(duì)充電電源要求較嚴(yán)格，不允許嚴(yán)重的過(guò)充或欠充。
因此，在設(shè)計(jì)選型方面應(yīng)注意以下問(wèn)題。
1.1 蓄電池組數(shù)的選擇
《直流設(shè)計(jì)規(guī)程》已經(jīng)對(duì)各種類(lèi)型的電力工程有了明確的規(guī)定，其原則是從直流負(fù)荷供電可靠性的觀點(diǎn)出發(fā)的，發(fā)電廠(chǎng)應(yīng)按單元機(jī)組和動(dòng)力、控制負(fù)荷分設(shè)獨(dú)立直流電源系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)控制部分獨(dú)立設(shè)置，遠(yuǎn)離主廠(chǎng)房的輔助車(chē)間單獨(dú)設(shè)置，盡量使每組蓄電池直流系統(tǒng)的供電范圍減小和保證功能的獨(dú)立性。110kV重要變電所和220kV及以上的變電所是從重要性和滿(mǎn)足繼電保護(hù)、斷路器跳閘機(jī)構(gòu)雙重化的供電需求出發(fā)，規(guī)定裝設(shè)2組蓄電池。因此，蓄電池組數(shù)應(yīng)從供電負(fù)荷的需要和可靠性出發(fā)，盡可能的減少供電范圍和從工程的重要性考慮配置情況。
1.2 蓄電池個(gè)數(shù)的選擇
無(wú)端電池和不設(shè)降壓裝置的直流系統(tǒng)，它簡(jiǎn)化了直流系統(tǒng)的接線(xiàn)，避免了端電池的硫化和硅降壓設(shè)備的麻煩問(wèn)題，因而提高了可靠性。但是要求蓄電池組的運(yùn)行必須滿(mǎn)足其正常運(yùn)行時(shí)母線(xiàn)電壓為標(biāo)稱(chēng)電壓的105%，在線(xiàn)均衡充電電壓時(shí)母線(xiàn)電壓不應(yīng)超過(guò)標(biāo)稱(chēng)電壓的110%，事故放電末期的母線(xiàn)電壓為其標(biāo)稱(chēng)電壓的 85%，即標(biāo)稱(chēng)電壓為220V的直流系統(tǒng)的母線(xiàn)電壓允許在187～242V之間波動(dòng)。這樣浮充電壓為2.23V，均充電壓可以選在2.28～2.33V之間，事故放電末期電壓選擇在1.8V以上，完全滿(mǎn)足了直流母線(xiàn)電壓在允許范圍內(nèi)波動(dòng)。根據(jù)計(jì)算，220V蓄電池組的個(gè)數(shù)對(duì)于單體2V的蓄電池只能選擇在 103或104個(gè)。但是大多數(shù)小型電力工程的220V直流系統(tǒng)的蓄電池均選用200Ah以下蓄電池，大多選用12V或6V組合體蓄電池，對(duì)于12V組合體經(jīng)常選用18只，這相當(dāng)于單體2V蓄電池108個(gè)，這樣正常運(yùn)行時(shí)直流母線(xiàn)電壓偏高，降低浮充電壓則對(duì)蓄電池壽命有影響，由于運(yùn)行中均衡充電時(shí)直流母線(xiàn)電壓更高，因而更習(xí)慣采用硅降壓裝置調(diào)壓，增加了復(fù)雜性，降低了可靠性。在直流負(fù)荷較小、蓄電池容量有保證的情況下，可以提高事故放電末期電壓大于 1.83V，選擇單體2V 102個(gè)蓄電池或17只12V組合體，34只6V組合體的蓄電池。目前一些蓄電池廠(chǎng)可以生產(chǎn)帶一假體的組合體電池，即生產(chǎn) 10V組合體或4V組合體的蓄電池，若選擇14×12V+4×10V或34×6V+1×4V也相當(dāng)于單體2V的104個(gè)蓄電池組。總之應(yīng)嚴(yán)格控制蓄電池組的個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化直流系統(tǒng)接線(xiàn)的目的。
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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)放電裝置宜采用電熱器件或有源逆變放電裝置。”DL/T 724—2000《電力系統(tǒng)用蓄電池直流電源裝置運(yùn)行與維護(hù)技術(shù)規(guī)程》也規(guī)定了蓄電池的核對(duì)性放電方法和放電周期。
長(zhǎng)年運(yùn)行在浮充電方式下的蓄電池的事故放電容量究竟是多少，若僅依靠一般的容量檢測(cè)方法其可信度不高。蓄電池端電壓的高低不是容量后的指標(biāo)。惟一的方法是定期進(jìn)行核對(duì)性充放電對(duì)蓄電池活化和對(duì)容量進(jìn)行核對(duì)，確保蓄電池始終能運(yùn)行在90%以上的容量。滿(mǎn)足當(dāng)交流事故停電時(shí)，發(fā)電廠(chǎng)事故停機(jī)和變電所的事故處理時(shí)直流負(fù)荷的需要。這也是直流電源可靠性的重要環(huán)節(jié)。
由于放電設(shè)備裝備水平的落后，放電設(shè)備選擇比較困難而沒(méi)有很好的選擇，給蓄電池的運(yùn)行維護(hù)帶來(lái)不少困難。
2 整流器
整流器是直流電源的重要設(shè)備，它的優(yōu)劣直接影響蓄電池長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，因此它的主要技術(shù)特性應(yīng)滿(mǎn)足蓄電池的充電和浮充電要求，長(zhǎng)期連續(xù)工作制，應(yīng)有穩(wěn)壓、穩(wěn)流及限流性能，技術(shù)參數(shù)滿(mǎn)足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，各種功能可以自動(dòng)或手動(dòng)切換，運(yùn)行安全、靈活等。
設(shè)計(jì)選型中應(yīng)注意以下問(wèn)題：
（1） 浮充電壓對(duì)于閥控式密封鉛酸蓄電池宜選擇2.23V，這是一個(gè)直流系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行和關(guān)系蓄電池壽命的重要問(wèn)題。蓄電池的浮充電壓正確選擇是一個(gè)較復(fù)雜的問(wèn)題。浮充電壓應(yīng)滿(mǎn)足補(bǔ)償電池自放電電流及維持氧循環(huán)的需要，實(shí)際上還應(yīng)考慮電池結(jié)構(gòu)、正極板柵腐蝕速度，電池內(nèi)氣體排放，以及直流系統(tǒng)母線(xiàn)電壓為105%UN的要求等。浮充電壓偏低則浮充電流不能維持蓄電池氧循環(huán)和補(bǔ)償電池自放電而使蓄電池端電壓形成偏差。浮充電壓過(guò)高則加劇正極板腐蝕速度、排氣、失水的后果。對(duì)閥控式蓄電池，不允許過(guò)充和欠充的要求較高，故應(yīng)根據(jù)蓄電池的特性，選擇合適的浮充電壓。
（2） 穩(wěn)壓、穩(wěn)流及限流特性。為了保證蓄電池能夠運(yùn)行在最佳狀態(tài)和應(yīng)用兩階段定電流恒電壓的充電方法。為了保證直流母線(xiàn)運(yùn)行電壓和防止落后電池的產(chǎn)生，浮充電時(shí)的穩(wěn)壓特性十分重要。充電時(shí)的穩(wěn)流特性也十分重要，在供電電壓逐步上升時(shí)可保持穩(wěn)定電流，保證電池的正常電化學(xué)反應(yīng)，并順利進(jìn)入到恒壓的均衡充電階段，達(dá)到改善電池特性參數(shù)或解決個(gè)別落后電池容量恢復(fù)的問(wèn)題。限流特性可防止在負(fù)荷突增時(shí)，整流器產(chǎn)生“搶負(fù)荷”和“超調(diào)”現(xiàn)象而輕易跳閘。穩(wěn)壓、穩(wěn)流及限流特性參數(shù)指標(biāo)應(yīng)滿(mǎn)足表1的要求。
表1 穩(wěn)壓、穩(wěn)流及限流特性參數(shù)指標(biāo)
3 直流電源監(jiān)控裝置
由于發(fā)電廠(chǎng)、變電所及電力調(diào)度部門(mén)均采用了計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)、監(jiān)控技術(shù)。直流電源系統(tǒng)是電力工程中電氣系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。它對(duì)保證電力系統(tǒng)自動(dòng)化裝置的應(yīng)用和可靠性起到重要作用。它的技術(shù)條件、基本參數(shù)、基本功能、安全性能、結(jié)構(gòu)工藝等均應(yīng)滿(mǎn)足DL/T 856—2003《電力用直流電源監(jiān)控裝置》電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定監(jiān)控的主要內(nèi)容有充電電壓、電流穩(wěn)定運(yùn)行的自動(dòng)調(diào)整，浮充轉(zhuǎn)均充或均充轉(zhuǎn)浮充的按運(yùn)行方式自動(dòng)轉(zhuǎn)換，主要直流斷路器的運(yùn)行狀態(tài)和事故報(bào)警，直流母線(xiàn)電壓的正常顯示和異常報(bào)警，直流系統(tǒng)絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)，蓄電池在線(xiàn)檢測(cè)，逆變放電的自動(dòng)調(diào)整等。目前在充電電壓、電流隨溫度變化的自動(dòng)調(diào)整，運(yùn)行中自動(dòng)轉(zhuǎn)換充電方式，逆變放電，嚴(yán)重接地自動(dòng)跳閘，蓄電池在線(xiàn)檢測(cè)的可靠性和智能化方面仍需努力。
4 直流配電系統(tǒng)
直流系統(tǒng)接線(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、操作和保護(hù)電器選擇是影響直流電源可靠性的主要問(wèn)題。
4.1 直流系統(tǒng)接線(xiàn)
直流系統(tǒng)接線(xiàn)應(yīng)力求簡(jiǎn)單、安全可靠、維護(hù)操作方便。1組蓄電池接線(xiàn)可為單母線(xiàn)分段或單母線(xiàn)。2組蓄電池設(shè)兩段母線(xiàn)，兩段母線(xiàn)之間設(shè)聯(lián)絡(luò)電器，一般為隔離開(kāi)關(guān)，必要時(shí)可裝設(shè)保護(hù)電器。總之直流母線(xiàn)接1組蓄電池和相應(yīng)的充電設(shè)備，同時(shí)由母線(xiàn)饋出線(xiàn)路給支路負(fù)荷供電，只有在由雙重化直流負(fù)荷或1組蓄電池配2 套充電設(shè)備時(shí)，其母線(xiàn)才進(jìn)行分段。
目前有少數(shù)電廠(chǎng)和變電所仍有帶端電池的雙母線(xiàn)或是設(shè)降壓裝置的控制和合閘母線(xiàn)系統(tǒng)，帶端電池的雙母線(xiàn)系統(tǒng)雖然能夠使蓄電池容量得到充分利用，但接線(xiàn)復(fù)雜及端電池維護(hù)困難運(yùn)行操作不靈活，已基本不采用了。設(shè)降壓裝置的控制母線(xiàn)，合閘母線(xiàn)分設(shè)的接線(xiàn)方式對(duì)采用鎘鎳蓄電池的系統(tǒng)是必不可少的，因?yàn)殒k鎳蓄電池單體電壓為1.2V，220V系統(tǒng)選用180個(gè)左右蓄電池，浮充電壓為1.36～1.39V，均衡充電壓為1.47～1.48V，事故放電末期電壓為 1.10V，則直流母線(xiàn)電壓會(huì)在266～198V之間波動(dòng)。不可能滿(mǎn)足控制負(fù)荷的要求，因此小容量的蓄電池要滿(mǎn)足大電流電流合閘機(jī)構(gòu)，也應(yīng)設(shè)合閘母線(xiàn)。但是對(duì)于采用閥控密封鉛酸蓄電池的直流系統(tǒng)是不需要的。
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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）蓄電池直流系統(tǒng)，由于供電范圍小，可以是在蓄電池接入直流母線(xiàn)后直接給負(fù)荷分別供電的兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。中大容量（200Ah以上）的蓄電池直流系統(tǒng)，由于供電范圍大，可以在負(fù)荷集中處設(shè)直流分電柜，由直流分電柜給負(fù)荷供電，包括大負(fù)荷的再分配，也只形成3～4級(jí)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
幅射供電網(wǎng)絡(luò)，對(duì)負(fù)荷施行單一供電，因而互不影響，分電柜方式也節(jié)省了電纜，另外給查找接地、保護(hù)設(shè)備選擇方面均帶來(lái)方便。
4.3 操作保護(hù)電器選擇
直流斷路器集操作與保護(hù)功能為一體，安裝方便，操作靈活，穩(wěn)定性高，保護(hù)功能完善。一般兩段式保護(hù)的直流斷路器，具有過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)的熱脫扣功能，又有短路時(shí)電磁脫扣瞬動(dòng)脫扣功能，應(yīng)該說(shuō)是理想的選擇。但是直流斷路器的額定電流選擇是根據(jù)所供電的負(fù)荷電流計(jì)算確定。選擇大了，由于負(fù)荷電流小，在過(guò)載時(shí)（I2t）熱脫扣延長(zhǎng)了時(shí)間。選擇小了，由于負(fù)荷電流大，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行加上環(huán)境溫度高，熱脫扣可能誤動(dòng)。當(dāng)斷路器的額定電流已經(jīng)確定后，除了過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)熱脫扣的保護(hù)特性已經(jīng)形成，同時(shí)短路瞬時(shí)電磁脫扣特性也已形成，一般是10IN±20%動(dòng)作，可是斷路器安裝處的短路電流決定短路瞬時(shí)脫扣的靈敏度，必須進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證。
直流斷路器安裝處的短路電流及靈敏度計(jì)算公式如下
Idk=nU0/n（r0+rl）+Σrj+Σrk
Kl=Idk/Idz
式中，Idk為斷路器安裝處短路電流，A；U0為蓄電池開(kāi)路電壓，V；rb為蓄電池內(nèi)阻，Ω；rl為電池間連接條或?qū)w電阻，Ω；Σrj為蓄電池組至斷路器安裝處連接電纜或?qū)w電阻之和，Ω；Σrk為相關(guān)斷路器觸頭電阻之和，Ω；Kl為靈敏系數(shù)，應(yīng)不低于1.25；Idz為斷路器瞬時(shí)保護(hù)（脫扣器）動(dòng)作電流，A。
由于參數(shù)復(fù)雜，各設(shè)計(jì)院、成套廠(chǎng)或運(yùn)行單位均不可能精確計(jì)算短路電流，因此靈敏度也無(wú)法校驗(yàn)。
由于短路電流的不確定性，本來(lái)按照負(fù)荷電流選擇額定電流并考慮了上下級(jí)的級(jí)差配合，但是短路瞬動(dòng)保護(hù)不能保證其級(jí)差配合，短路電流大，肯定會(huì)出現(xiàn)越級(jí)現(xiàn)象而擴(kuò)大事故范圍，這是必須要解決的問(wèn)題。一些單位用取消瞬動(dòng)脫扣器辦法或在蓄電池出口改用熔斷器的辦法，計(jì)算和試驗(yàn)證明，仍然會(huì)發(fā)生越級(jí)和損壞設(shè)備的情況。在智能型直流斷路器沒(méi)有出現(xiàn)之前，采用三段（過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)+短路瞬時(shí)+短路短延時(shí)）的直流斷路器，從負(fù)荷側(cè)向電源側(cè)逐級(jí)加大時(shí)限的方法，不必精確的計(jì)算短路電流，可以達(dá)到盡快的切除故障，又實(shí)現(xiàn)級(jí)差配合的要求，不拒動(dòng)、不誤動(dòng)，更不可能越級(jí)跳閘。
5 結(jié)論
電力工程直流電源可靠性的基本點(diǎn)是選擇閥控式密封鉛酸蓄電池，每組蓄電池應(yīng)有獨(dú)立的供電范圍，蓄電池組個(gè)數(shù)的選擇應(yīng)滿(mǎn)足各種運(yùn)行工程對(duì)直流母線(xiàn)電壓的要求，蓄電池應(yīng)考慮放電設(shè)備。整流器選擇高頻開(kāi)關(guān)型或晶閘管型，應(yīng)有冗余或備用，技術(shù)指標(biāo)主要是滿(mǎn)足蓄電池使用壽命需要。直流電源監(jiān)控裝置首先要保證充電整流器的需要，完善的監(jiān)控裝置仍需開(kāi)發(fā)研制。直流配電系統(tǒng)應(yīng)簡(jiǎn)化接線(xiàn)，輻射供電，保護(hù)設(shè)備應(yīng)選擇直流斷路器，在滿(mǎn)足過(guò)載保護(hù)可靠性的條件下，還能保證短路保護(hù)時(shí)的快速斷開(kāi)功能，必須具備可靠的級(jí)差配合。
