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电力工程直流电源可靠性研究
发表日期:2016-12-13

摘要:电力工程直流电源的可靠性对保证电力系统的正常运行和事故处理具有重要作用。文章从设计选型角度指出了蓄电池选择、充放电设备选择、监控装置设置、系统接线和操作保护设备选择等在直流电源可靠性方面存在的问题以及解决方法。
  关键词: 直流电源;可靠性;设计选型
  0 概述
   电力工程包括各种类型的发电厂和500kV及以下变电所,工业企业和楼宇的10kV变电所。为了使其正常运行和进行事故处理,可靠的直流电源是必不可缺少的,它给在正常运行中的电力设备提供控制、保护、信号电源,高压断路器才可以正常操作,尤其是当电力系统事故交流电源停电时,更需要一套安全可靠的直流电源,它除了给上述负荷供电外,还要给直流电动机、事故照明及UPS等负荷供电,才能保证电力系统的事故处理和恢复供电。
   多年以来,人们在直流电源可靠性方面做了大量的理论研究和实践工作,废除了一些落后设备和元器件,改善了系统接线,提高了自动化水平,拥有了先进的技术指标,以及长寿命和少维护的原则,可靠性已大大提高。目前,电力系统广泛采用了阀控式密封铅酸蓄电池、高频开关整流器或微机型晶闸管整流器、直流断路器、直流电源监控装置等。
   但是在蓄电池选择、充放电设备选择、监控装置设置、系统接线和操作保护设备选择等方面仍然存在一些影响直流电源可靠性的问题。除了设备技术质量方面的问题之外,本文将从设计选型方面对直流电源可靠性方面提出一些问题和解决办法。
  1 蓄电池
   近十年来阀控式密封铅酸蓄电池得到了广泛的应用。它在使用中具有无需添加酸液,不漏液,无酸雾,自放电电流小,内阻小,寿命长,安装方便少维护等优点。但是它对温度反应灵敏,因而对充电电源要求较严格,不允许严重的过充或欠充。
   因此,在设计选型方面应注意以下问题。
  1.1  蓄电池组数的选择
   《直流设计规程》已经对各种类型的电力工程有了明确的规定,其原则是从直流负荷供电可靠性的观点出发的,发电厂应按单元机组和动力、控制负荷分设独立直流电源系统,网络控制部分独立设置,远离主厂房的辅助车间单独设置,尽量使每组蓄电池直流系统的供电范围减小和保证功能的独立性。110kV重要变电所和220kV及以上的变电所是从重要性和满足继电保护、断路器跳闸机构双重化的供电需求出发,规定装设2组蓄电池。因此,蓄电池组数应从供电负荷的需要和可靠性出发,尽可能的减少供电范围和从工程的重要性考虑配置情况。
  1.2  蓄电池个数的选择
   无端电池和不设降压装置的直流系统,它简化了直流系统的接线,避免了端电池的硫化和硅降压设备的麻烦问题,因而提高了可靠性。但是要求蓄电池组的运行必须满足其正常运行时母线电压为标称电压的105%,在线均衡充电电压时母线电压不应超过标称电压的110%,事故放电末期的母线电压为其标称电压的85%,即标称电压为220V的直流系统的母线电压允许在187~242V之间波动。这样浮充电压为2.23V,均充电压可以选在2.28~2.33V之间,事故放电末期电压选择在1.8V以上,完全满足了直流母线电压在允许范围内波动。根据计算,220V蓄电池组的个数对于单体2V的蓄电池只能选择在103或104个。但是大多数小型电力工程的220V直流系统的蓄电池均选用200Ah以下蓄电池,大多选用12V或6V组合体蓄电池,对于12V组合体经常选用18只,这相当于单体2V蓄电池108个,这样正常运行时直流母线电压偏高,降低浮充电压则对蓄电池寿命有影响,由于运行中均衡充电时直流母线电压更高,因而更习惯采用硅降压装置调压,增加了复杂性,降低了可靠性。在直流负荷较小、蓄电池容量有保证的情况下,可以提高事故放电末期电压大于1.83V,选择单体2V 102个蓄电池或17只12V组合体,34只6V组合体的蓄电池。目前一些蓄电池厂可以生产带一假体的组合体电池,即生产10V组合体或4V组合体的蓄电池,若选择14×12V+4×10V或34×6V+1×4V也相当于单体2V的104个蓄电池组。总之应严格控制蓄电池组的个数,实现简化直流系统接线的目的。
  1.3  试验放电设备的选择
   DL/T 5044—2004《电力工程直流系统设计技术规程》规定“试验放电装置宜采用电热器件或有源逆变放电装置。”DL/T 724—2000《电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程》也规定了蓄电池的核对性放电方法和放电周期。
   长年运行在浮充电方式下的蓄电池的事故放电容量究竟是多少,若仅依靠一般的容量检测方法其可信度不高。蓄电池端电压的高低不是容量后的指标。惟一的方法是定期进行核对性充放电对蓄电池活化和对容量进行核对,确保蓄电池始终能运行在90%以上的容量。满足当交流事故停电时,发电厂事故停机和变电所的事故处理时直流负荷的需要。这也是直流电源可靠性的重要环节。
   由于放电设备装备水平的落后,放电设备选择比较困难而没有很好的选择,给蓄电池的运行维护带来不少困难。
  2 整流器
   整流器是直流电源的重要设备,它的优劣直接影响蓄电池长期可靠运行,因此它的主要技术特性应满足蓄电池的充电和浮充电要求,长期连续工作制,应有稳压、稳流及限流性能,技术参数满足有关标准的要求,各种功能可以自动或手动切换,运行安全、灵活等。
  设计选型中应注意以下问题:
  (1) 浮充电压对于阀控式密封铅酸蓄电池宜选择2.23V,这是一个直流系统长期可靠运行和关系蓄电池寿命的重要问题。蓄电池的浮充电压正确选择是一个较复杂的问题。浮充电压应满足补偿电池自放电电流及维持氧循环的需要,实际上还应考虑电池结构、正极板栅腐蚀速度,电池内气体排放,以及直流系统母线电压为105%UN的要求等。浮充电压偏低则浮充电流不能维持蓄电池氧循环和补偿电池自放电而使蓄电池端电压形成偏差。浮充电压过高则加剧正极板腐蚀速度、排气、失水的后果。对阀控式蓄电池,不允许过充和欠充的要求较高,故应根据蓄电池的特性,选择合适的浮充电压。
  (2) 稳压、稳流及限流特性。为了保证蓄电池能够运行在最佳状态和应用两阶段定电流恒电压的充电方法。为了保证直流母线运行电压和防止落后电池的产生,浮充电时的稳压特性十分重要。充电时的稳流特性也十分重要,在供电电压逐步上升时可保持稳定电流,保证电池的正常电化学反应,并顺利进入到恒压的均衡充电阶段,达到改善电池特性参数或解决个别落后电池容量恢复的问题。限流特性可防止在负荷突增时,整流器产生“抢负荷”和“超调”现象而轻易跳闸。稳压、稳流及限流特性参数指标应满足表1的要求。
   表1 稳压、稳流及限流特性参数指标
  



  3 直流电源监控装置
   由于发电厂、变电所及电力调度部门均采用了计算机监测、监控技术。直流电源系统是电力工程中电气系统的一个组成部分。它对保证电力系统自动化装置的应用和可靠性起到重要作用。它的技术条件、基本参数、基本功能、安全性能、结构工艺等均应满足DL/T 856—2003《电力用直流电源监控装置》电力行业标准的要求,行业标准规定监控的主要内容有充电电压、电流稳定运行的自动调整,浮充转均充或均充转浮充的按运行方式自动转换,主要直流断路器的运行状态和事故报警,直流母线电压的正常显示和异常报警,直流系统绝缘状态监测,蓄电池在线检测,逆变放电的自动调整等。目前在充电电压、电流随温度变化的自动调整,运行中自动转换充电方式,逆变放电,严重接地自动跳闸,蓄电池在线检测的可靠性和智能化方面仍需努力。
  4 直流配电系统
   直流系统接线、网络设计、操作和保护电器选择是影响直流电源可靠性的主要问题。
  4.1直流系统接线
   直流系统接线应力求简单、安全可靠、维护操作方便。1组蓄电池接线可为单母线分段或单母线。2组蓄电池设两段母线,两段母线之间设联络电器,一般为隔离开关,必要时可装设保护电器。总之直流母线接1组蓄电池和相应的充电设备,同时由母线馈出线路给支路负荷供电,只有在由双重化直流负荷或1组蓄电池配2套充电设备时,其母线才进行分段。
   目前有少数电厂和变电所仍有带端电池的双母线或是设降压装置的控制和合闸母线系统,带端电池的双母线系统虽然能够使蓄电池容量得到充分利用,但接线复杂及端电池维护困难运行操作不灵活,已基本不采用了。设降压装置的控制母线,合闸母线分设的接线方式对采用镉镍蓄电池的系统是必不可少的,因为镉镍蓄电池单体电压为1.2V,220V系统选用180个左右蓄电池,浮充电压为1.36~1.39V,均衡充电压为1.47~1.48V,事故放电末期电压为1.10V,则直流母线电压会在266~198V之间波动。不可能满足控制负荷的要求,因此小容量的蓄电池要满足大电流电流合闸机构,也应设合闸母线。但是对于采用阀控密封铅酸蓄电池的直流系统是不需要的。
  4.2网络设计
   直流供电网络宜采用辐射供电方式。小容量(200Ah以下)蓄电池直流系统,由于供电范围小,可以是在蓄电池接入直流母线后直接给负荷分别供电的两级网络系统。中大容量(200Ah以上)的蓄电池直流系统,由于供电范围大,可以在负荷集中处设直流分电柜,由直流分电柜给负荷供电,包括大负荷的再分配,也只形成3~4级的网络系统。
   幅射供电网络,对负荷施行单一供电,因而互不影响,分电柜方式也节省了电缆,另外给查找接地、保护设备选择方面均带来方便。
  4.3操作保护电器选择
   直流断路器集操作与保护功能为一体,安装方便,操作灵活,稳定性高,保护功能完善。一般两段式保护的直流断路器,具有过载长延时的热脱扣功能,又有短路时电磁脱扣瞬动脱扣功能,应该说是理想的选择。但是直流断路器的额定电流选择是根据所供电的负荷电流计算确定。选择大了,由于负荷电流小,在过载时(I2t)热脱扣延长了时间。选择小了,由于负荷电流大,长时间运行加上环境温度高,热脱扣可能误动。当断路器的额定电流已经确定后,除了过载长延时热脱扣的保护特性已经形成,同时短路瞬时电磁脱扣特性也已形成,一般是10IN±20%动作,可是断路器安装处的短路电流决定短路瞬时脱扣的灵敏度,必须进行计算验证。
   直流断路器安装处的短路电流及灵敏度计算公式如下
   Idk=nU0/n(r0+rl)+Σrj+Σrk
   Kl=Idk/Idz
   式中,Idk为断路器安装处短路电流,A;U0为蓄电池开路电压,V;rb为蓄电池内阻,Ω;rl为电池间连接条或导体电阻,Ω;Σrj为蓄电池组至断路器安装处连接电缆或导体电阻之和,Ω;Σrk为相关断路器触头电阻之和,Ω;Kl为灵敏系数,应不低于1.25;Idz为断路器瞬时保护(脱扣器)动作电流,A。
   由于参数复杂,各设计院、成套厂或运行单位均不可能精确计算短路电流,因此灵敏度也无法校验。
   由于短路电流的不确定性,本来按照负荷电流选择额定电流并考虑了上下级的级差配合,但是短路瞬动保护不能保证其级差配合,短路电流大,肯定会出现越级现象而扩大事故范围,这是必须要解决的问题。一些单位用取消瞬动脱扣器办法或在蓄电池出口改用熔断器的办法,计算和试验证明,仍然会发生越级和损坏设备的情况。在智能型直流断路器没有出现之前,采用三段(过载长延时+短路瞬时+短路短延时)的直流断路器,从负荷侧向电源侧逐级加大时限的方法,不必精确的计算短路电流,可以达到尽快的切除故障,又实现级差配合的要求,不拒动、不误动,更不可能越级跳闸。
  5 结论
   电力工程直流电源可靠性的基本点是选择阀控式密封铅酸蓄电池,每组蓄电池应有独立的供电范围,蓄电池组个数的选择应满足各种运行工程对直流母线电压的要求,蓄电池应考虑放电设备。整流器选择高频开关型或晶闸管型,应有冗余或备用,技术指标主要是满足蓄电池使用寿命需要。直流电源监控装置首先要保证充电整流器的需要,完善的监控装置仍需开发研制。直流配电系统应简化接线,辐射供电,保护设备应选择直流断路器,在满足过载保护可靠性的条件下,还能保证短路保护时的快速断开功能,必须具备可靠的级差配合。