第九章直流系统

第九章直流系统及二次回路第一节蓄电池的基础知识在发电厂中，供给控制、信号、自动装置、事故照明和交流不停电电源装置的电源，称为直流电源，也称直流操作电源。蓄电池是一种独立可靠的直流电源，无论系统中发生任何事故，甚至是全厂停电的情况下，仍能保证提供可靠的操作电源，因而在发电厂中得到广泛的应用。一．蓄电池的工作原理蓄电池是储存直流电能的一种设备，它能把电能转变为化学能储存起来（充电），使用时再把化学能转变为电能（放电），供给直流负荷，这种能量的转变过程是可逆。蓄电池根据电极或电解液所用的物质不同，可分为铅酸蓄电池和碱性蓄电池两种，应用较多的为铅酸蓄电池，这里就以铅酸蓄电池为例，对其构造及工作原理进行介绍1．铅酸蓄电池的构造如图9—1所示，蓄电池由极板、电解液和容器构成。极板分正极板和负极板，在正极板上的活性物质是二氧化铅（PbO2）,负极板上的活性物质是灰色海绵状的金属铅（铅绵），电解液是浓度为27—37%的硫酸水溶液（稀硫酸），其比重在15℃时为1.21，放电时比重稍微下降。正极板采用表面式的铅板，在铅板表面上有许多肋片，这样可以增大极板与电解液的接触面积，以减少内阻和增大单位的蓄电容量。负极板采用匣式的铅板，中间有较大的栅络，；两边用有孔的薄铅皮加以封盖，以防止多孔性物质（铅绵）的脱落。匣中充以参加电化学反应的活性材料，即将铅粉及稀硫酸等物质调制成浆糊状混合物，涂填在铅质栅格骨架上。极板在工厂经过加工处理后，正极板的有效物质为深棕色的二氧化铅，负极板中的有效物质是淡灰色绵状的金属铅。正、负极板之间用多孔性隔板隔开，以使极板之间保持一定距离。电解液面应比极板上边至少高出10mm，比容器上边至少低15—20mm。前者是为了防止反应不完全而使极板翘曲，后值是防止电解液沸腾时从容器内溅出。蓄电池中负极板总比正极板多一块，使正极板的两面在工作中起的化学作用尽量相同，以防止极板发生翘曲变形。同极性的极板用铅条连接成一组，此铅条焊接在极板的突出部分，并用耳柄挂在容器的边缘上，为了防止在工作过程中有效物质脱落在底部沉积，造成正、负极板短路，所以极板的下边与容器底部应有足够的距离。2．蓄电池的工作原理⑴放电。把正、负极板互不接触而浸入容器的电解液中，在容器外用导线和灯泡把两极板连接起来，如图9—1中（a）所示，此时灯泡亮，因为二氧化铅和铅板都与电解液中的硫酸起了化学变化，使两极板之间产生了电动势，在导线中有电流流过，即化学能变成了电能。这种由于化学反应而输出电流的过程称为蓄电池放电。放电时，正负极板上的活性物质都与硫酸发生了化学变化，生成硫酸铅PbSO4。当两极板上大部分活性物质都变成了硫酸铅后，蓄电池的端电压就下降，当端电压降到1.8—1.75V以后，放电不宜继续下去，此时两极板间的电压称为终止放电电压。⑵充电。如果把外电路中的灯泡换成直流电源，并且把正极板接外电源的正极，负极板接外电源的负极，如图9—1中（b）所示，当外接电源的电压高于蓄电池的电势时，外电源的电流就会流入蓄电池，电流的方向刚好与放电时的电流方向相反，于是在蓄电池内就产生了与上述相反的化学反应，就是说，硫酸从极板中析出，正极板又转化为二氧化铅，负极板又转化为纯铅，而电解液中硫酸增多，水减少。经过这种转化，蓄电池两极之间的电动势又恢复了，蓄电池又具备了放电条件。这时，外接电源的电能充进了蓄电池变成化学能而储存起来，这种过程称为蓄电池充电。当充电电压上升到大约2.3V时，极板上开始有气体析出，正极板上逸出氧气，负极板上逸出氢气，造成强烈的冒气现象，这种现象称为蓄电池的沸腾。沸腾的原因是负极板上硫酸铅已经很少了，化学反应逐渐转变为水的电解所造成。为了减少能量损耗，防止极板活性物质脱落，因此在充电终期时，充电电流不宜过大，在有气体放出时应减少充电电流。在充电终期时，正、负极的颜色由暗淡色变为鲜明，蓄电池发生强烈的气泡，当蓄电池端电压在2.5—2.7V并经1h不变，即认为充电已完成。⑶蓄电池自放电现象。由于电解液所含金属杂质沉淀在负极板上，以及极板本身活性物质中也含有金属杂质，因此，在负极板上形成局部的短路，形成了蓄电池的自放电现象。通常在一昼夜内，铅蓄电池由于自放电，将使其容量减少0.5—1%。自放电现象也随着电解液的温度、比重和使用时间的增长而增加。⑷蓄电池放电和充电程度的测量。已知放电时电解液因硫酸减少而变稀，充电时电解液因硫酸增多而变浓。因此，电解液的浓度就代表着蓄电池放电和充电的程度。电解液的浓度用其密度大小来衡量，液体的比重是液体的质量与相同容积水的密度的比值，水的密度为1，蓄电池使用的纯硫酸的密度是1.83，因此电解液的比重总是大于1，具体数字要看其中所含硫酸的多少而定。蓄电池放电放得越多，电解液中硫酸越少，比重就越小；反之，充电充得越多，电解液中硫酸越多，比重就越大。通常，在室内温度为20℃时，充足电的蓄电池，它的电解液比重是1.275—1.3，当蓄电池放电到电解液比重为1.13—1.18时，它的正、负极板已接近全部转化为硫酸铅，此时应该停止放电。⑸蓄电池的容量。蓄电池电势的大小与蓄电池极板上活性物质的电化性和电解液的浓度有关，与极板的大小无关。当极板上活性物质已固定后，铅蓄电池的电势主要由电解液的浓度决定。因此，蓄电池的电势可近似由下式决定E=0.85+d式中：E—为铅蓄电池的电势（V）；d—为电解液的比重；0.85—为铅蓄电池电势的常数。电势还受电解液的温度的影响，运行中蓄电池室的温度保持在10—20℃之间为宜，因电解液在此温度范围内变化较小，对电势的影响甚微，可忽略不计。蓄电池在运行，电解液的最高温度不允许超过35℃。当蓄电池以恒定电流值放电时，其容量等于放电电流和放电时间的乘积，即Q=It式中：Q—为蓄电池容量（Ah）；I—为放电电流（A）；t—为放电时间（h）。蓄电池在使用过程中，其容量主要受放电率和电解液温度的影响，单位时间内放电电流越大，蓄电池的容量越小；电解液温度越高，电化学反应越强，蓄电池容量越大。⑹蓄电池的数量。蓄电池的数量主要由发电厂操作电源直流系统的电压和单个蓄电池的电压决定，当使用铅酸蓄电池时，对所需电池的个数分别计算如下：对于220V系统：该系统的直流母线电压应为230V，而蓄电池的放电终止电压为1.75—1.8V，所需蓄电池的总个数为230/1.75≈130（个）单个蓄电池充电时的端电压为2.6—2.7V，当全部蓄电池均充满电时，为保持直流母线电压，应接入母线的电池（称为基本电池）的个数为230/2.6≈88（个）通常把一组中蓄电池的总个数与基本电池个数的差额称为端电池，其数目为130—88=42（个）对于110V系统：此系统的直流母线电压应为115V，该系统各蓄电池的数目分别为总个数115/1.75≈65（个）基本电池115/2.6≈44（个）端电池65—44=21（个）第二节直流系统的运行一．充电设备蓄电池只能用直流电原来充电，发电厂厂用电是交流电，这就需要使用将交流电变为直流的设备，即整流设备。目前，电厂中广泛采用硅整流器作为直流电源蓄电池的充电设备。硅整流装置的型号为KZ123—4/5—6其中：K—可控硅整流装置。Z—硅整流装置。1—用途代号：B——般工业；C—充电；V—浮充电；F—充、放电；CQ—快速充电；D—电镀；G—高压静电；K—电磁保护；DT—镀铁；H—电化。2—元件冷却方式：A—空气自冷；F—强迫风冷；S—水冷；J—油浸；SJ—油浸水冷；AS（或SA）—空气自冷及水冷；AJ—空气自冷及油浸。3—设计序号。4—额定直流输出电流（A）。5—额定直流输出电压（V）6—特殊环境条件代号：F或FS—防腐；TH—湿热带地区；TA—干热带地区。图9—2为GCA—20/0～230型硅整流充电装置的电气接线图，它使用三相380V交流电源，经熔断器FU1、FU2、FU3、交流接触器KO、调压器AV、电流继电器KA1、KA2及整流变压器TU向三相侨式硅整流电路供电。它的额定直流输出电流为20A，输出电压在0～230V范围内调节。考虑到当整流器电路发生过载或负载侧短路时，流过硅元件的电流很大，将使元件的温度急剧地上升而易被烧坏，所以装置中采用了快速熔断器FU1～FU4作为装置外部短路的过电流保护。R和C构成装置的过电压保护，KA1、KA2及KM作为装置的过载保护，当过载时，KA1或KA2动作，经KM使接触器KO跳闸，切断电源，并有警铃HA报警及信号灯HY指示。充电装置应根据蓄电池组的电压，容量及直流系统经常负荷电流的大小来选用。二．蓄电池组的运行方式1．充电放电运行方式图9—3为蓄电池组按充电放电方式运行的典型电路。蓄电池采用充电放电方式运行时，蓄电池经常接在直流母线上供直流负荷用电，充电机组除充电期间外是不工作的。在充电时，启动充电机组，一方面向蓄电池组充电补充能源的储存（充电约每两天进行一次），另一方面供经常性直流负荷用电。蓄电池组按充电放电方式工作的主要缺点是必须频繁地对蓄电池组进行充电，运行维护工作量大，蓄电池老化也较快，因而目前该运行方式已很少使用。2．浮充电运行方式图9—4所示为蓄电池组按浮充电方式运行的电路图。蓄电池组采用浮充电方式运行时，用浮充电机组、硅整流器或可控硅整流器作为浮充电源，浮充电源与蓄电池组并列运行在直流母线上，浮充电源一方面供经常性的直流负荷用电，另一方面以很小的电流（此值约等于0.03QN/36，QN为蓄电池组的额定容量）向蓄电池充电，以补偿蓄电池组自放电的损耗。浮充电流It可按容量的倍数计算，即It=(0.01—0.03)QN/36对于GG—36型蓄电池其浮充电流一般取0.01—0.03A。浮充电流是决定蓄电池寿命的关键参数，浮充电流过大，会使电池过充电，造成正极板脱落物增加而加速损坏；浮充电流过小，会使电池欠充电，造成负极板脱落物增加，以及使负极板硫化（生铅盐），同时还会降低蓄电池的容量。因此，必须是浮充电流处于良好状态。影响浮充电流的因素有很多，其中主要是电池的电压，浮充电压应在2.1～2.2V之间，一般取UC=2.15V，若电池的电压比UC高，就是过充电，反之，就是欠充电。用硅整流器作浮充电源时，由于一次系统电压的变化，是硅整流器的输出电压随之变化，因而影响了浮充电流，所以应该设法使浮充电流随系统电压的波动变化最小，以保证蓄电池的使用寿命。三．硅整流装置的运行及检查1．启动前的检查准备工作⑴检查所有导线的连接处、紧固处、硅整流元件的引接线和固定螺栓是否松动；所有电路焊接点有无脱落或断裂等现象；导线或绕组的裸露部分是否有碰壳接地或短路现象。⑵检查调压手柄转动是否灵活，有无卡涩现象；各电磁继电器的触点是否清洁，接触是否良好；所有仪表指针是否指0位；所有熔断器的熔件及电阻元件是否完好。⑶测量交流电路、直流电路与机壳之间的绝缘（用500V摇表测量，并将硅整流元件从电路中断开），其值应大于0.5MΩ。⑷用万用表粗略检查所有整流元件是否完好。2．运行操作上述各项检查确认正常后，变可接入交流电源，此时“停止”信号灯应亮，然后按下述步骤进行操作。⑴将调压器手轮按反时针方向旋转到起点位置（0位），负载回路连接完备后，方可启动，以防断路器合闸时因冲击电流过大而烧坏硅元件，然后按顺时针方向转动手轮至运行位置。⑵按下运行按钮，则中间继电器、交流接触器均应动作，并接通电路，同时“停止”信号灯灭，“运行”信号灯亮，直流电压表应有指示值（不能超过额定值）。将调压器手柄按顺时针方向缓慢旋转，直流电压表指示逐渐上升，此时需注意，旋转调压器手柄时应缓慢进行，以免电压迅速上升超过调压范围的上限值而损坏元件。⑶硅整流器投入运行后，应检查其输入和输出电压是否为正常值，不得过高或过低。此外还应检查其电流应为额定值，因为长期过负荷运行会使硅元件烧坏。另外需检查硅整流器各元件的温度不得超过下列数值：隔离变压器的绕组温度≤85℃硅元件的温升≤60℃电阻性元件的温升≤250℃还应检查接触器、调压器等接触部分有无过热及冒火花现象。四．直流系统运行中的检查及维护⑴直流母线电压的检查。直流母线电压应正常保持在225V，允许在220—230V之间波