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                直流系統基礎知識

                發布時間:2022-09-21 點擊數:380

                一、  直流系統的作用

                1.  直流系統在變電站中為控制、信號、保護、自動裝置及事故照明等提供可靠的直流電源。它還為操作提供可靠的操作電源。直流系統的可靠與否,對變電站的安全運行起著至關重要的作用,是變電站安全運行的保證。

                2.  在生產設備發生故障的關鍵時刻,直流系統故障,特別是全站控制直流消失,必將造成主設備嚴重損壞或火災、爆炸、電力系統大面積停電等極其嚴重的后果和巨大經濟損失。


                二、  直流系統構成的主要部件

                1.  蓄電池、充電機、直流母線、絕緣監察裝置、饋出負荷。

                2.  直流系統示意圖:

                3.  組成一個不可分割的整體。若把蓄電池比喻成身體的心臟,直流回路就是身體中的血管,直流負載是身體的肌肉,而充電裝置就是身體的脾臟,它擔負這生血和造血的功能

                4.  直流系統的相關技術措施

                i.  變電站的交流、直流回路不能公用一條電纜:原因交直流系統是互相獨立的直流系統絕緣系統而交流是接地系統,兩者公用一條電纜,若兩者一旦發生短路會造成直流接地,同時影響兩個系統。交流傳入直流后果不堪設想,華北電網就發生類似事故。造成大面積停電事故。同時公用電纜會干擾。

                ii.  變電站直流系統應使用專用的直流熔斷器。用交流熔斷器的直流滅弧性能差

                iii.  高壓開關柜、開關機構箱內的照明和加熱器不能使用直流電源

                iv.  事故照明使用蓄電池時應限制事故照明的容量和使用時間。


                三、  蓄電池

                1.  閥控密封鉛酸蓄電池的特點(本講義主要講解該種蓄電池,以下簡稱蓄電池)

                1)  常采貧液式設計(也有膠體式,但使用不多),在正負極板之間預留有氣體通道,電池充電過程中,正極上產生的氧氣通過隔板順利到達負極,與負極活性物質反應并還原成水,從而實現了氣體再化合;同時板柵的設計,抑制了氫氣的析出,達到基本不失水的目的。在電池的整個使用壽命期間,不用加酸加水

                2)  電池氣密和液密好,使用過程中無酸霧溢出,不腐蝕設備

                3)  正常浮充使用壽命10年

                4)  自放電小

                5)  結構緊湊

                6)  安全閥:內部氣壓超過預定值時,安全閥自動開啟,釋放氣體,內部氣壓降低后安全閥自動閉合,同時防止外部空氣進入蓄電池內部

                2.  蓄電池的作用

                充電裝置與與蓄電池并聯工作,蓄電池的外特性較平坦,蓄電池的內阻比充電裝置小,再通過大電流時,大部分電流由蓄電池承擔,充電裝置在由平時很小的輸出電流突然需要輸出幾十乃至幾百安的大電流時,相當于是個短路過程,一般充電裝置都設有限流保護裝置。此外蓄電池在交流電源失去,充電機停止工作后,仍能為保護裝置、監控系統等最重要的直流負荷提供電源,保證這些設備的正常工作。

                3.  蓄電池浮充電運行

                充電裝置并接蓄電池帶直流負載。正常運行時充電裝置在承擔經常性負荷的同時向蓄電池補充充電,以補充蓄電池的自放電,使蓄電池組以滿容量的狀態處于備用。

                4.  蓄電池型號:

                5.  蓄電池的幾個概念

                1)  蓄電池的額定容量:制造廠規定的條件下,蓄電池能保證的最低容量。一般指蓄電池充足電時以10h放電率放電的容量。用C10表示。常見的如400A.h

                2)  蓄電池的容量:放電電流與放電小時的乘積,容量Cn=It單位A.h簡稱安時。

                3)  蓄電池的終止電壓:蓄電池出現過放電時,不致造成極板損壞所規定的放電最低極限電壓值。一般為1.8V(單體2V電池,10小時放電率時)(手機電池的終止電壓)

                4)  蓄電池的自放電:蓄電池內部極板短路,外部正負極柱絕緣不良等,造成的容量損失。(筆記本電池如何保護)

                6.  閥控蓄電池的運行要求

                1)  閥控蓄電池在運行中電壓偏差值及放電終止電壓值應符合(表)的規定

                2)  蓄電池室應嚴禁煙火,應有良好的通風采暖設施,避免日光照射,采用防爆燈具

                3)  應定期測試蓄電池的單體電壓值,使用經效驗合格的四位半數字式電壓表。允許使用檢測合格的自動監測裝置測量蓄電池單體電壓,并作為檢測的依據。

                4)  應定期檢查蓄電池外殼、極柱周圍,有無漏液痕跡。

                5)  應定期對蓄電池組作外殼清潔工作。

                6)  蓄電池的運行溫度宜保持在5~30℃,推薦使用溫度為25℃。溫度過高使蓄電池容量嚴重下降,運行壽命縮短。

                7)  運行中主要監視蓄電池組的端電壓值,浮充電流值,每只蓄電池的電壓值,蓄電池組及直流母線的對地電阻值和絕緣狀態。

                8)  選擇合適的浮充電壓主要目的是為了使電池達到理想的使用壽命和額定容量,如果浮充電壓過高,電池的浮充電流隨之增大,引起板柵腐蝕速度加快,此外過充電,蓄電池內部生成氣體,內部壓力增大,氣體從安全閥排出,造成電解液減少或干枯,水分過量損耗使用壽命提前;浮充電壓過低,電池不能維持在完全荷電狀態,易導致不可逆硫酸鹽化,容量降低,縮短電池的使用壽命。

                9)  大容量的閥控蓄電池一般安裝在專用蓄電池室內。

                10)  200Ah及以下的閥控蓄電池,可安裝在電池柜內。電池柜內應裝設溫度計。電池柜體結構應有良好的通風、散熱。

                11)  變電站直流控制母線的標稱電壓為110V、 220V。運行時電壓變化范圍為標稱電壓的95%~110%。正常浮充運行時,直流控制母線電壓宜按上限調整。

                7.  蓄電池個數的選擇:

                按正常浮充運行時保證直流母線電壓為直流系統額定電壓的105%計算,即閥控蓄電池額定電壓的選擇:

                1)  常見的有單體2V和12V兩種。

                2)  2V蓄電池的優點是電池設計壽命長并且可靠性高,損壞1~2節可將其

                1)  常見的有單體2V和12V兩種。

                2)  2V蓄電池的優點是電池設計壽命長并且可靠性高,損壞1~2節可將其短接,不會對系統電壓有大的影響,缺點是造價較高、維護量大、占地面積大。

                3)  12V蓄電池的優點是每組僅18塊(220V系統),維護、更換都比較方便,造價比相同容量的2V電池低、結構緊湊、占地面積小,缺點是損壞1~2節對系統電壓影響較大,不能短接,一般需更換

                8.  均衡充電

                1)  均衡充電的定義:為補償蓄電池在使用過程中產生的電壓不均衡現象,使其恢復到規定的范圍內而進行的充電。

                2)  閥控密封鉛酸蓄電池不進行定期均衡充電(如充電電源無法徹底取消該功能時,將均衡充電周期設定為最長)。

                3)  充電裝置不具備自動均衡充電功能時,當出現以下情況,應進行均衡充電:

                a)  電池由于失去浮充,造成蓄電池放電,放出容量超過電池容量的20%及以上;

                b)  當普測電池時,發現有1/10的電池電壓超出浮充電壓正常范圍。

                4)  閥控密封式鉛酸蓄電池均衡充電的方法:采用應采用恒壓限流進行充電,限流值為I10,限壓值N×(2.30~2.33)V,自動或手動轉為恒壓充電;廠家使用說明書有規定時,按廠家說明書進行,但直流控制母線最高電壓不得超過110%標稱電壓。

                9.  閥控蓄電池的核對性放電(一般由專業檢修人員進行)

                浮充電運行方式下,從每一只電池的電壓,無法判斷蓄電池的現有容量,內部是否失水或干裂,只有通過核對性放電才能找出電池存在的問題,確定電池的現有容量。也就是說以規定的電流恒流放電,只要一個單體電池達到規定的終止電壓,就停止放電,按放電電流與放電時間的積來確定電池的實際容量

                1)  一組閥控蓄電池(以單體2V電池說明放電過程)

                變電所中只有一組電池,不能退出運行,也不能作全核對性放電,只能用I10 電流,恒流放出額定容量的50%,在放電過程蓄電池組端電壓不得低于2V N ,放電后應立即充電

                2)  兩組蓄電池

                變電所中若具有兩組閥控蓄電池,將其中一組閥控蓄電池組退出運行,進行全核對性放電,用I10電流,恒流放電,當蓄電池組端電壓下降到1.8V N 時,停止放電,隔1~2 h 后充電

                3)  該組電池實放容量低于額定容量的80%,則認為該電池組壽命終止。

                10.  閥控蓄電池的充電程序(一般由專業檢修人員進行)

                根據蓄電池不同種類, 確定不同的充電率進行恒流充電,蓄電池組端電壓達到某一整定值時,微機將控制充電裝置自動轉為恒壓充電,當充電電流逐漸減小到某一整定值時,微機將控制充電裝置自動轉為浮充電運行

                1)  閥控蓄電池的充電(以單體2V電池說明充電過程)

                a)  恒流限壓充電:采用 I10電流進行恒流充電,當蓄電池組端電壓上升到2.30~2.35 V N 限壓值時,自動或手動轉為恒壓充電

                b)   恒壓充電:在 2.30~2.35 V N 的恒壓充電下,I10 充電電流逐漸減小,當充電電流減小至0.1 I10電流時,充電裝置的倒計時開始起動,當整定的倒計時結束時,充電裝置將自動或手動地轉為正常的浮充電運行,浮充電壓值宜控制為2.23~2.28 V N

                2)  閥控蓄電池核對性放電周期

                a)  新安裝或大修后的閥控蓄電池組,應進行全核對性放電試驗

                b)  以后每隔2~3 年進行一次核對性試驗

                c)  運行了6 年以后的閥控蓄電池,應每年作一次核對性放電試驗


                四、  充電裝置:

                1.  相控充電裝置:

                缺點是接線復雜、自動穩壓功能不好、穩壓精度低,再老站還有使用

                2.  高頻開關模塊型充電裝置(現大量使用)

                1)  工作原理:交流電源接入整流模塊,經濾波及三相全波整流器后變成直流,再接入高頻逆變回路,將直流轉換為高頻交流,最后經高頻變壓器、整流橋、濾波器后輸出平穩直流

                2)  優點:體積小,效率高,充電機的主要參數,穩壓精度、穩流精度、紋波系數、功率因數、噪音、智能程度、供電可靠性等技術指標高。

                3.  高頻開關電源

                4.  模塊數量的確定:

                1)  充電裝置由若干個模塊并聯組成,模塊一般按N+1配置,即充電模塊運行在冗余狀態,模塊的總數不宜少于3塊,

                2)  如:某站單只模塊額定電流10A:安裝400AH蓄電池組,按10小時充電率最大需要40A充電電流,站內經常性負荷不大于20A,取20A計算,加一塊冗余,這樣就是40÷10+20÷10+1=7塊,7個模塊同時工作,如母線上直流負荷14A,則每個模塊平均電流為2A。

                3)  當充電機負荷達到50%以上時,各個開關電源模塊負荷差值應不超過5%

                變電站充電裝置的交流電源應來自站用電系統的不同母線,并加裝交流電源自投裝置。1#充電裝置1#交流電源故障,2#交流電源自投,當2#交流電源恢復后,自動恢復到1#交流電源工作。2#充電裝置同理。

                5.  微機集中監控器

                1)  負責對直流系統各單元(如電壓電流采集單元、充電模塊、絕緣監測、電池巡檢等)運行狀態與數據的采集、顯示;

                2)  系統單元運行參數的設置,并控制各單元的正常運行;

                3)  接收監控機發送來的命令及參數,并將系統運行狀態及參數發送給監控機

                6.  高頻開關電源模塊故障:

                當其中一個模塊故障,裝置發出告警信號,這時負荷由另外6個承擔,不影響正常供電,可將故障模塊更換。


                五、  絕緣監察裝置

                1.  直流系統微機型絕緣監測儀,能夠監測直流母線和各支路的對地絕緣狀況,某支路發生接地時發出直流接地信號。當直流母線上同時裝有常規絕緣監察裝置和微機絕緣監察裝置時,宜投入微機型絕緣監察裝置;

                2.  當直流系統絕緣良好時,正、負對地電壓接近110V;

                3.  當某極絕緣下降時,另外一極的對地電壓應升高;如達到定值時,絕緣檢查裝置將發出“直流接地”信號,此時應立即查找原因并及時處理;

                4.  當發現兩極的對地電壓都升高,說明此時直流系統兩極對地絕緣同時下降,運行人員應立即查找原因并及時處理;

                5.  支路接地的檢測方法:

                1)  交流法(浙江星炬公司的WZJ)

                各分支回路的絕緣監測,是用一低頻信號源作為發送器,通過兩隔直耦合電容向直流系統正、負母線發送交流信號,一交流CT同時套在各回路的正、負出線上。由于通過互感器的直流分量大小相等,方向相反,它產生的磁場相互抵消,而通過發送器發送至正負母線的交流信號電壓幅值相等,方向相同。這樣,在互感器二次側就可反應出正、負極對地絕緣電阻和分布電容的泄漏電流向量和,然后取出阻性分量,經微機處理后數字顯示接地支路。如果直流系統存在多點非金屬性接地,啟動信號源,該裝置可將所有接地支路找出。如果這些接地點中存在一個或一個以上的金屬性接地;該裝置只能尋找距該裝置最近的一條金屬性接地支路。

                2)  直流法:(奧特訊,泰坦)

                采用直流有源CT,不需注入交流信號。當出現接地時,直流CT將直流漏電流變換為0~5V或4~20mA的電信號


                六、  直流系統接地對運行的危害及處理

                1.  直流系統發生一點接地時,由于沒有形成短路回路,并不影響用電設備的正常運行。但如果在直流系統發生一點接地后,若在同一極或在另一極又發生另一點接地,即構成兩點接地,其危害如下:

                1)  兩點接地可能造成斷路器跳閘

                如圖所示,當直流接地發生在A、B兩點時,將電流繼電器觸點短接,而將出口中間繼電器ZJ啟動,ZJ觸點閉合而跳閘。A、C兩點接地時短接ZJ觸點而跳閘。在A、D兩點,D、F兩點兩點接地同樣都能造成斷路器跳閘。

                2)  兩點接地可能造成斷路器拒動

                接地放生在B、E兩點、D、E兩點或C、E兩點斷路器可能拒動。

                3)  兩點接地可能引起熔絲熔斷

                當直流接地發生在A、E兩點,引起熔絲熔斷。

                4)  當直流接地發生在B、E兩點和C、E兩點,保護動作時,不但斷路器拒動,而且引起熔絲熔斷,同時有燒毀繼電器觸電的可能。

                2.  直流系統一點接地時的處理

                1)  正常情況下,直流系統絕緣應良好,不允許直流系統在接地的情況下長期運行。直流系統發生一點接地時,應首先確定是正極接地,還是負極接地;是完全接地還是絕緣電阻降低。然后再根據運行方式、操作情況、氣候影響以及以前經驗判斷可能的接地處所和造成接地的原因,系統中若裝有直流接地選線裝置的,可依據選線結果,直接進行查找。

                2)  檢查裝置沒有正確顯示時,應分析可能造成接地的原因,并按如下原則查找:

                a)  先找有工作的回路和近期工作過的回路,后找其它回路;

                b)  先找事故照明、信號回路、充電裝置回路、蓄電池組(兩組蓄電池的變電站),后找其它回路;

                c)  先找主合閘回路,后找控制回路、保護回路;

                d)  先找室外設備,后找室內設備;

                e)  先找10kV、35kV、66 kV回路,后找110kV、220kV、500kV回路;

                f)  先找簡單回路,后找復雜回路;

                g)  先找一般路,后找重要路。

                h)  使用拉路法進行查找直流接地時,至少應由兩人進行,控制回路、保護回路斷開直流時間不得超過3S。

                i)  查找直流接地,停用保護時間超過3S時,應征得調度同意后進行,保護停用時間應盡量短,運行人員只查至保護屏端子排處,防止保護誤動。

                j)  查找和處理直流接地時工作人員應戴線手套,穿長袖工作服,應使用內阻大于2000Ω/V的高內阻電壓表,工具應絕緣良好。防止在查找和處理直流接地時造成新的接地。


                七、  直流系統的接線方式

                1.  直流母線為單母線

                單組蓄電池和充電裝置接到同一母線上,母線上只裝設一套絕緣監察裝置和電壓表,接線簡單,可靠性低。在110kV及以下變電站有采用。

                2.  單母線分段接線

                充電裝置和蓄電池接入同一母線,正常分段開關在合閘狀態,蓄電池和充電機并聯運行,可靠性較高,當蓄電池退出運行時,此時充電裝置繼續運行,但充電機不能帶沖擊性負荷運行;當充電機退出運行時,由蓄電池繼續對負荷供電,此時蓄電池得不到浮充,處于放電狀態,時間長了也不允許。其特點是接線簡單,可靠性差。在110kV及以下變電站有采用。

                3.  單母線分段(一組蓄電池,兩臺充電裝置)

                蓄電池經兩個空氣開關分別接到兩段母線上兩套充電裝置接在不同母線上,充電裝置停電時均保障母線上有充電裝置和蓄電池,兩段母線共用一套絕緣監察裝置,充電裝置可以單套退出運行,供電可靠性較高,但蓄電池退出運行時,此時充電裝置繼續運行,但充電機不能帶沖擊性負荷運行,用在110kV及以下變電站。

                4.  單母線分段(兩組蓄電池,三套充電裝置)

                1)  220kV及以上變電站或重要的110kV變電站直流系統常采用兩組蓄電池、三臺充電機的方案簡稱(2+3方式)該充電機一般是相控型充電裝置,也有變電站采用高頻開關電源。

                2)  每組蓄電池和充電機應分別接于一段直流母線上,第三臺充電裝置(備用充電裝置)可在兩段母線之間切換,任一工作充電裝置退出運行時,手動投入第三臺充電裝置。

                3)  分段開關正常斷開,兩段母線分裂運行,重要負荷有兩段母線分別供電任何一段母線停電均不會使負荷停電,每段母線均有絕緣監察裝置和電壓監視裝置。

                5.  單母線分段(兩組蓄電池,兩套充電裝置)

                高頻開關電源,現在廣泛使用,220kV及以上變電站或重要的110kV變電站直流系統,也常采用如下接線方式(簡稱2+2方式)


                八、  直流系統的倒閘操作:

                1.  電池因工作需要停運時,應按以下步驟執行:(以一組電池為例)

                1)  檢查兩套直流系統絕緣狀況應良好。

                2)  檢查兩套直流系統蓄電池總電壓差應小于10V

                3)  合上母線聯絡閘

                4)  退出一段饋出母線絕緣監察裝置

                5)  拉開一段充電裝置輸出開關

                6)  拉開一段充電裝置交流輸入開關。

                7)  拉開一組蓄電池總閘

                2.  操作體現的原則:

                1)  裝有兩組蓄電池的變電站,正常兩組蓄電池應分列運行,兩組蓄電池不應長期并列運行。

                2)  分列運行的兩條直流母線并列前,應檢查兩條母線的電壓基本一致;

                3)  直流系統運行時,負荷不能脫離蓄電池組;蓄電池組退運,充電裝置也要退運。

                4)  兩條直流母線并列后,應將其中一套直流絕緣監察裝置退運。


                九、  直流供電網絡分為輻射型和環形兩種

                1.  輻射型的優點是接線簡單、可靠,易于查找接地故障;

                2.  220kV及以上電壓等級的變電站還采用分電屏。一般110kV及以上按電壓等級及主變壓器設置分電屏,主要供給控制、保護回路,可以簡化接線,節約電纜。

                3.  環形供電是從兩段母線上引出電纜在適當的地方用刀開關分段。當網絡中一點發生故障時,可以將故障分開,迅速查出故障,及時消除,同時不影響其他供電設備的繼續工作。

                十、  直流回路的斷路器與熔斷器

                1.  直流回路不得使用交流空氣斷路器,這是由于交流電弧與直流電弧具有不同的滅弧機理,決定了交流和直流真空斷路器的滅弧室具有根本的差異,交流空氣斷路器不具備熄滅直流短路電弧的能力。

                2.  交直流兩用斷路器也應慎重選用

                3.  空氣斷路器與熔斷器混合保護的級差配合比較困難,由于無時限的空氣斷路器的脫扣速度基本不變,而熔斷器的動作具有反時限特性,電流越大,動作速度就越短。無論空氣斷路器安裝在熔斷器之前或之后,總在某些短路電流值范圍內會出現失去動作選擇性。因此,應盡量避免這種組合保護方式。

                4.  同一條支路上直流熔斷器或自動空氣斷路器不應混合使用,尤其不能在自動空氣斷路器之前再使用熔斷器。防止在回路故障時失去動作選擇性。

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