直流电源系统

直流电源系统讲课人：陆继贤目录一、直流电源系统的概述二、直流系统的构成及要求三、直流系统的绝缘检测四、直流系统接地原因及处理五、蓄电池现场安装要求一、直流电源系统的概述目前，发电厂及中、大型变电站的控制回路继电保护装置及其出口回路、信号回路，皆采用由直流电源供电。重要发电厂及变电站的事故照明也采用直流供电方式。另外，为确保发电机等主设备的安全，某些动力设备（例如电动油泵等)也由直流电源供电。完成对上述回路，装置及动力设备供电的系统称之为直流系统。直流系统是发电厂和变电站的重要系统。在发电厂及大、中型变电站，由于被操作和被保护的主设备众多，使直流系统分布面广。它遍布厂或站各个角落。因此，为确保发电厂和变电站的安全、经济运行，有完善而可靠的直流系统是非常必要的。二、直流系统的构成及要求（一）直流系统的构成发电厂和变电站的直流系统主要由直流电源、直流母线及直流馈线等组成。直流电源包括蓄电池及其充电设备；直流馈线由主干线及直馈线构成。1、蓄电池（1）发电厂及变电站常用的蓄电池，主要有酸性和碱性的两大类。常用的酸性蓄电池是铅蓄电池，而常用的碱蓄电池是镉-镍蓄电池。它们的化学反应方程式如下。PbO2+Pb+2H2SO4==PbSO4+2H2O2Ni(OH)2+Cd(OH)2==2NiOOH+Cd+2H2O（2）电气参数。蓄电池的主要电气技术参数包括：额定电压：发电厂及变电站常用的铅蓄电池的额定电压为2~2.5V/只，镉-镍蓄电池的为1.25V/只。放电充电充电放电额定容量（安时）:不同型号的蓄电池，其额定容量不同。所谓额定容量指：放电时间10h（或5h）、放电终止电压1.8V（铅蓄电池）或1V（镉-镍蓄电池）时的计算放电容量。铅蓄电池的容量，小的有几十安时，大的有1600Ah；而镉-镍蓄电池的容量，小的有10Ah，大的有500Ah。短路电流：短路时蓄电池供出电流的大小，决定于蓄电池的电动势、内阻及外回路的电阻。当外回路的内阻等于零时，镉-镍蓄电池可供出的最大短路电流为15-58A。（3）蓄电池的充电。蓄电池的充电方法，通常采用恒流充电方法。充电的种类有初充电、正常充电和均衡充电三种。为提高蓄电池的放电性能，新的蓄电池在交付使用前，为完全达到荷电状态所进行的第一次充电为初充电。对已经放过电的蓄电池充电称之为正常充电。为补偿蓄电池在使用过程中产生的电压不均匀现象，使其恢复到规定的范围内而进行的充电称之为均衡充电。（4）蓄电池组。发电厂及变电站直流系统的额定电压，通常48V、110V及220V三种。为取得上述各种电压，需要将多个蓄电池串联起来。另外，为使直流电源能输出较大的电流，需要将几个蓄电池并联使用。直流系统的电压越高，需串联的蓄电池个数越多；要求直流系统输出的电流越大，需并联的蓄电池支路数越多。（5）蓄电池的浮充。在充电装置的直流输出端始终并接着蓄电池和负载，以恒电压充电方式工作。正常运行时充电装置在承担经常性负荷的同时向蓄电池补充充电，以补偿蓄电池的自放电，使蓄电池组以满容量的状态处于备用，该充电方式叫做浮充。此时，充电电源与蓄电池组并联运行。浮充的方式有全浮充和半浮充两种。2、充电设备为补偿蓄电池运行中的功率损耗，维持电源电压及增大短路容量，需对蓄电池经常进行充电。充电设备通常采用将三相交流进行整流、滤波及稳压的交-直流变换装置。它应满足以下要求：（1）充电设备输出电压和输出电流的调节范围，应满足蓄电池组各种充电方式的需要。对于直流电压为110V的直流系统，充电设备输出电压的调节范围应为90-160V；对于额定电压为220V的直流系统，充电设备输出电压的调节范围为180V-310V。（2）具有维持恒定输出电压及恒定输出电流的调节功能。对于用可控硅整流设备作为充电装置时，当其输入电压在额定电压的+5%~-15%范围内变化及输出负荷电流在额定电流的20%-100%范围内变化时，其输出电压的变化≤+2%；输入电压在+5%~-15%额定电压的范围内变化时，输出稳定电流的误差小于±5%。（3）输出电压的波纹系数应满足《电力系统用蓄电池装置运行及维护技术规程》要求，直流母线波纹系数范围应不小于2%。（4）充电时应维持直流母线电压的变化小于5%.（5）充电设备的额定电流应按下式进行选择。浮充设备的输出电流应能承担正常运行时直流系统的负荷电流和蓄电池的自放电电流。其额定电流应该为IN=+Ijc式中IN为额定电流，A;Qs为蓄电池放电容量；T为蓄电池长期放电时间，取12h；Ijc为直流系统正常负荷电流。考虑到核对性充放电，也可按最大电流选择IN=（0.1~0.125）QS10/10式中:QS10为10h放电容量1.1QsT3、直流母线及输出馈线蓄电池组的输出与充电设备的输出并接在直流母线上。直流母线汇集直流电源输出的电能，并通过各直流馈线输送到各直流回路及其他直流负载（例如事故照明、直流电动机等）。直流母线的接线方式，取决于蓄电池组的数量、对直流母线负荷的供电方式及充电设备的配置方式。在中、大型发电厂及变电站，直流母线的接线方式多为单母线分段或双母线。根据需要从每段或每条直流母线上引出多路直流馈线，将直流电源引至全厂或全站的配电室的直流小小母线上，或引至直流动力设备的输入母线上。从各直流小母线上分别引至多路出线，分别接至保护盘，控制盘、事故照明盘或其他直流负荷盘。4、直流监控装置为测量、监视及调整直流系统运行状况及发出异常报警信号，对直流系统应设置监控装置。直流监控装置应包括测量表计，参数越限和回路异常报警系统等。（二）对直流系统的基本要求为确保发电厂及变电站的安全、经济运行，其直流系统应满足以下要求。（1）正常运行时直流母线电压的变化应保持在±10%额定电压范围内。（2）蓄电池的容量应足够大，以保证在浮充设备因故停运而其单独运行时，能维持继电保护及控制回路的正常运行，根据变电所设计规程，要求有人值班变电所全所事故停电蓄电池的放电容量不低于1h，无人值班变电所全所停电蓄电池的放电容量不低于2h；此外，还应保证事事故发生后能可靠切除断路器及维持直流动力设备（例如直流油泵）的正常运行，并有一定的冗余度。（3）充电设备稳定可靠，能满足各种充电方式的要求，并有一定的冗余度。（4）直流系统的接线要力求简单可靠，便于运行及维护，并能满足继电保护装置及控制回路供电可靠性要求。（5）具有完善的异常、事故报警系统及直流电源分级保护系统。当直流系统发生异常或运行参数越限时，能发出告警信号；当直系统发生短路故障时，能快速而有选择性地切除故障馈线，而不影响其他直流回路的正常运行。（6）宜使用具有切断直流负载能力的、不带热保护的小空气开关取代原有的直流熔断器，小空气开关的额定工作电流应按最大动态负荷电流的1.5~2倍选用。（7）对于配置了双重化保护的厂、站，还应要求直流系统的备用冗余配置，宜配置两组蓄电池，各带一段直流母线，每组蓄电池的容量应能带全站负荷，两端直流母线正常时分裂运行，事故时可通过合母联开关的方式实现备用。双重化配置的保护各在一个直流段上运行。三、直流系统的绝缘检测（一）直流系统接地的危害直流系统一点接地，容易致使断路器偷跳。此外，当直流系统中发生一点接地后，若再发生另外一处接地，将可能造成直流系统短路，致使直流电源中断供电，或造成断路器误跳或拒跳的事故发生。当控制回路中发生两点接地时，可能造成断路器的拒跳或误跳。（二）直流绝缘检测装置当直流系统发生一点接地之后，应立即进行检查及处理，以避免发生两点接地故障。这就需要设置直流系统对地绝缘的检测装置，当直流系统对地绝缘严重降低或出现一点接地之后，立即发出告警信号。1、直流绝缘检测装置的构成原理直流绝缘检测装置是根据电桥平衡原理构成的。其检测原理示意图如图6-60所示。2、绝缘检测和电压监视装置直流系统的绝缘检测装置的种类很多。但是，不管是哪种装置，其构成原理均为电桥平衡原理。不同的是:构成元件不同，功能多少不同。早期多采用继电器构成的绝缘检测装置，现在主要采用微机型绝缘检测装置。微机型绝缘检测装置不但可以监测全直流系统对地绝缘状况，还可判断出接地的极性，还能检测出具体发生接地的直流馈线。该装置的原理接线如图6-61所示。（三）对直流绝缘监测装置的要求直流系统是不接地系统，直流系统的两级（正极和负极）对地应没有电压，大地也应没有直流电位。但是，由于绝缘检测装置的电压表及信号继电器的一端是接地的，就使得直流系统通过该仪表及信号继电器与大地连接。实际上，发电厂及变电站的直流系统是经高阻接地的接地系统。又因为图6-60中的R1等于R2，因此在正常情况下，地的直流电位应等于直流系统电压的1/2。对直流系统绝缘检测装置用直流表计内阻的要求是：用于220V回路的电压表，内阻不低于20KΩ，用于110V回路的电压表，内阻不低于10KΩ。四、直流系统接地原因及处理一、直流系统接地的原因：直流系统分布范围广、外露部分多、电缆多、且较长。所以，很容易受尘土、潮气的腐蚀，使某些绝缘薄弱元件绝缘降低，甚至绝缘破坏造成直流接地。分析直流接地的原因有如下几个方面：（1）二次回路绝缘材料不合格、绝缘老化、绝缘性能降低，或年久失修、严重老化。或存在某些损伤缺陷，如磨伤、砸伤、压伤、扭伤或过流引起的烧伤等。（2）雷雨季节，室外端子箱或机构箱内潮湿积水、室外刀闸辅助接点接线盒密封不严进水受潮，导致直流二次回路中的正电源或负电源对地绝缘电阻下降，严重者可能到零，从而形成接地。（3）全封闭开关柜小母线因热胀冷缩等原因变形弯曲接触到开关柜体造成直流接地。部分型号手车开关的可动部分与固定部分的二次连接插头或插座缺少可靠的绝缘隔离措施，手车来回移动导致其中导线破损，使直流回路与开关金属部分相接触，从而导致接地。（4）小动物爬入或小金属零件掉落在元件上造成直流接地故障，如老鼠、猫等小动物爬入带电回路；某些元件如线头、未使用的螺丝、垫圈等零件，掉落在带电回路上。（5）因施工工艺不严格，造成直流回路出现裸线、线头接触柜体等，引起接地。二、查找接地故障的方法：1、处理方法：当直流系统发生接地时，根据变电所绝缘监测装置实际配置情况，借助接地光字牌、主监控绝缘报警系统、直流接地检测仪报警等监测手段，并通过切换接地监测电压表或查看报警记录及参数，判明直流接地的极性。接地极性明确后，可进行以下处理：检查绝缘水平低（室外端子箱、接线箱、密封不严的刀闸机构箱、无防雨罩的瓦斯继电器等室外设备、现场工序易潮湿）、易发生接地的开路、存在设备缺陷及有检修工作的电气设备和线路是否有接地情况；在坚持查找直流接地故障的原则的前提下，依次切断直流屏上各负荷开关，若直流屏上负荷开关所带负荷中存在不允许短时停电负荷(失去电源后会引起保护误动作)，则禁止直接断开直流屏上此负荷开关，而应从该负荷开关所带本段各配出开路本柜控制电源上逐一拉路查找，查找过程中也不允许选切不允许短时停电负荷(失去电源后会引起保护误动作)，若直流屏上负荷开关所带负荷中不存在不允许短时停电负荷，则可直接拉直流屏负荷开关，但切断时间不得超过3秒钟，不论回路接地与否均应合上，如果拉开此开关直流接地现象消除，则可以判断接地点就在该段母线上，接下来可依次拉开该段母线上所有配出开路直流电源，进而判断确切的接地开路并进行有效处理，彻底消除接地现象。如果拉开直流屏上此开关直流接地现象没有消除，则应选择依次拉直流屏上其他配出负荷开关，方法同上。不管是在直流屏配出负荷开关中拉路查找接地还是在直流屏配出负荷开关所带的下一级负荷中查找接地，都必须坚持直流系统查找接地的原则。最后，如果直流接还没消除，则应检查蓄电池、充电装置及直流屏柜内各二次回路及接线是否有接地现象等。在切断上述每一直流回路后，应迅速恢复送电。在切断每一回路过程中，工作人员应根据仪表和信号装置的指示，判断是否有接地。如切断时接地消失，恢复送电后接地又出现，则可肯定接地发生在该回路上，应及时查找接地点设法消除。2．查找接地拉路的顺序：（1）、阴雨天气，重点先找室外端子箱、接线箱、密封不严的刀闸机构箱、无防雨罩的瓦斯继电器等室外设备。（2）、先找有工作的回路和近期工作过的回路，