电力工程直流操作电源系统的原理、设计与设备选择

电力工程直流操作电源系统的原理、设计与设备选择许继电源有限公司2005年8月201.直流操作电源的历史与发展发电厂和变电站中，为控制、信号、保护和自动装置（统称为控制负荷），以及断路器电磁合闸、直流电动机、交流不停电电源、事故照明（统称为动力负荷）等供电的直流电源系统，通称为直流操作电源。1.1直流操作电源的历史根据构成方式的不同，在发电厂和变电站中应用的有以下几种直流操作电源：1）电容储能式直流操作电源：是一种用交流厂（站）用电源经隔离整流后，取得直流电为控制负荷供电的电源系统。正常运行时，它给与保护电源并接的足够大容量的电容器组充电，使其处于荷电状态；当电站发生事故时，电容器组继续向继电保护装置和断路器跳闸回路供电，保证继电保护装置可靠动作，断路器可靠跳闸。这是一种简易的直流操作电源，一般只是在规模小、不很重要的电站使用。2）复式整流式直流操作电源：是一种用交流厂（站）用电源、电压互感器和电流互感器经整流后，取得直流电为控制负荷供电的电源系统，在其设计上，要在各种故障情况下都能保证继电保护装置可靠动作、断路器可靠跳闸。这也是一种简易的直流操作电源，一般只是在规模小、不很重要的电站使用。3）蓄电池组直流操作电源：由蓄电池组和充电装置构成。正常运行时，由充电装置为控制负荷供电，同时给蓄电池组充电，使其处于满容量荷电状态；当电站发生事故时，由蓄电池组继续向直流控制和动力负荷供电。这是一种在各种正常和事故情况下都能保证可靠供电的电源系统，广泛应用于各种类型的发电厂和变电站中。以上电容储能式和复式整流式直流操作电源系统，在六、七十年代有较多的应用，八十年代以后，由于小型镉镍碱性蓄电池和阀控式铅酸蓄电池的应用，这种操作电源在发电厂和变电站中已不再采用。而蓄电池组直流操作电源系统，其应用历史悠久，且极为广泛。现代意义上的直流操作电源系统就是这种由蓄电池组和充电装置构成的直流不停电电源系统，通常简称为直流操作电源系统或直流系统。1.2直流操作电源的设计技术发展在1955年以前，国内发电厂和变电站的建设规模较小，其直流操作电源系统大多采用1110V、单母线和不带端电池的蓄电池组（以前直流装置得蓄电池分为两组，一组是基本级，供正常负荷时用，一组为端电池，供事故时调节直流母线电压用的，比如基本电池用得过多，造成直流母线的电压下降过多时，通过调节装置将端电池投上去，维持直流母线的电压水平。现在《DL/T5044-2004电力工程直流系统设计技术规程〉中：4.1直流电源中规定：4.1.6铅酸蓄电池组不宜设置端电池（没有端电池就是无端电池了）；镉镍碱性蓄电池组宜减少端电池得个数）。1956年以后，发电厂和变电站的建设规模增大。这是引进了当时苏联的设计技术，在所有新建和扩建的发电厂和变电站中，都采用了220V、带端电池的蓄电池组，并根据工程规模的大小，采用单母线或双母线接线。这个时间的设计，是充分利用了蓄电池的容量和具有较小的电压波动范围，但代价是采用了较复杂的接线。1984年以后，随着欧美设计技术的引进，以及发电厂和变电站建设规模的不断增大，在直流操作电源系统的设计上，又开始普遍采用单母线接线和不带端电池的蓄电池组，对于控制负荷则推行采用110V电压，而动力负荷则采用220V电压。这一期间设计的主导思想，则是以适当加大蓄电池的容量，允许电压有较大的波动范围为代价，达到简化接线、提高可靠性的目的。六十年代以前，国内设计的发电厂采用主控制室方式。在容量较小的发电厂中，装设一组蓄电池组构成的直流操作电源系统；在较大容量的发电厂中，则装设由两组蓄电池构成的直流操作系统；其接线采用单母线或双母线，但对于容量较大的发电厂，则广泛采用双母线接线。七十年代以后，单元制发电厂随着机组容量的增大而普及。在单元制发电厂中，直流操作电源系统按单元配置。七十年代到八十年代初期，一般是一个单元配置一套由一组蓄电池组构成的控制、动力混合供电的220V操作电源。从八十年代后期开始，对于300～600MW大机组电厂，则每一单元配置两套直流操作电源：一套220V由一组蓄电池组构成，专供动力负荷；另一套110V由两组蓄电池组构成，专供控制负荷。同时，在一些辅助车间，如水泵房、输煤控制楼等处，开始应用由小容量的蓄电池组构成的操作电源系统。对于220KV及以下电压等级的变电站，一般装设由一组蓄电池组构成的直流操作电源；对于容量较大和500KV以上的大型变电站，则装设由两组蓄电池组构成的直流操作电源；对于220KV的变电站，2002年国家电力公司要求全部装设两组蓄电池组。这一发展过程表明，随着大机组、超高压工程的发展，人们更加关注的是直流操作电源的可靠性，并为此提高适当提高电池组的容量和增加数量，普遍采用单母线接线方式，提高了工程造价。1.3直流操作电源的设备技术发展在直流操作电源系统中，主要的设备有蓄电池组、充电装置、绝缘监测装置以及控制保护等设备。随着制造技术的发展，几十年来也发生了很大的变化。蓄电池组型式，在七十年代以前发电厂和变电站中应用的都是开启式铅酸蓄电池，使用2的容量逐渐增加，单组额定容量达到了1400～1600Ah。七十年代以后，开始应用半封闭的固定防酸式铅酸蓄电池，并逐步得到普遍采用。到八十年代中期以后，镉镍碱性蓄电池以其放电倍率高、耐过充和过放的优点，开始在变电站中得到应用，但由于价格较高，一般使用的都是额定容量在100Ah以内的，限制了其应用的范围。九十年代发展起来的阀控式铅酸蓄电池，以其全密封、少维护、不污染环境、可靠性较高、安装方便等一系列的优点，在九十年代中期以后等到普遍的采用。回顾蓄电池的变化可知，蓄电池在向维护工作量小、无污染、安装方便、可靠性提高的方向发展。虽然提高蓄电池的寿命是一重要课题，但在提高寿命方面国内的技术进展不大，一般的阀控式铅酸蓄电池在5～10年之间，低的只有3～5年；目前国外的技术一般可以做到10～15年，高的达到18～20年。而且，国内市场的恶性竞争环境，使许多蓄电池制造厂不愿在设计寿命上投资，提高制造成本。需要说明是，蓄电池的使用寿命，在很大程度上要依靠正确的运行和维护。对于充电装置，在七十年代以前，主要是用电动直流发电机组作充电器；七十年代开始应用整流装置，并逐渐取代了电动发电机组，得到普遍的应用。八十年代以前，考虑到经济性和运行的稳定性，对充电和浮充电整流装置采用不同的容量设计。1984年以后，对充电和浮充电整流装置开始采用相同的容量设计，使之更有利于互为备用，并且这种作法被普遍接受。充电装置的配置方式是：一组蓄电池的直流操作电源系统配置两组充电装置，两组蓄电池的直流操作电源系统配置三组充电装置。1995年以后，随着高频开关型整流装置的普及，考虑到整流模块的N+1(2)冗余配置和较短的修复时间，大量采用一组蓄电池配置一组充电装置的方式。（核电的配置方式不一样）作为充电器的整流装置，多年来在不断的发展改进，七十年代是分立元件控制的晶闸管整流装置，可靠性和稳定性较差，技术指标偏低。八十年代发展为集成电路控制的晶闸管整流装置，可靠性和稳定性以及技术指标得到较大的提高，这一时期的晶闸管整流控制技术也日臻成熟，并具备简单的充电、浮充电和均衡充电自动转换控制功能。进入九十年代以后，随着微机控制技术的普及，集成电路控制型晶闸管整流装置逐渐被微机控制型晶闸管整流装置取代，使整流装置的稳流和稳压调节精度得到较大的提高，并且自动化水平的提高可以实现电源的“四遥”，为实现无人值班创造了条件。1996年以后，随着高电压、大功率开关器件和高频变换控制技术的成熟，高频开关整流装置以其模块化结构、N+1(2)并联冗余配置、维护简单快捷、技术指标和自动化程度高的优点，得到迅速的推广和普及。目前，这种高频开关型整流装置已成为市场的主角，未来几年不会有新的整流装置替代。绝缘监测装置是直流操作电源系统不可缺少的组成部分，用于在线监测直流系统的正负极对地的绝缘水平。在八十年代以前，一直是采用苏联技术设计的、以电桥切换原理构成的绝缘检查装置，用继电器、电压表和切换开关构成，具有发现接地故障、测量直流正负极对3地绝缘电阻和确定接地极的功能。八十年代，在此原理技术上，国内制造了用集成电路构成的绝缘监测装置，并把母线电压监视功能与之合并在一起，提高了装置的灵敏度和易操作性。上述的绝缘监测装置，在直流系统发生接地故障时，只能确定哪一极接地，而不能确定哪一条供电支路接地，在运行维护中查找接地点非常麻烦，并且存在监测死区。针对这种情况，国内在九十年代以后，采用微机控制技术，开发制造了具有支路巡检功能的绝缘监测装置。其不但能够准确的测量直流系统正负极的接地电阻，同时还可以确定接地支路的位置。当前这种具有支路巡检功能绝缘监测装置得到普遍的应用，技术的发展围绕支路巡检功能展开，早期全部采用低频叠加原理，目前以直流漏电流原理为主，两种原理各有优缺点。蓄电池组、充电装置和直流馈电回路，多年来一直用熔断器作短路保护，用隔离开关作回路操作，直到现在仍在普遍使用。进入九十年代以来，随着技术的发展，这些老式的保护和操作设备逐渐被具有高分断能力和防护等级的新型设备替代。到1996年以后，开始用带热磁脱扣器的直流自动空气开关，兼作保护和操作设备，为直流屏的小型化设计创造了条件。目前，这种直流专用空气开关在直流系统中已普遍的应用，并开发出具有三段式选择性保护功能的直流空气开关产品。2.高频开关直流操作电源系统的构成和原理2.1直流系统的构成高频开关直流操作电源系统是由交流配电单元、高频开关整流模块、蓄电池组、硅堆降压单元、电池巡检装置、绝缘监测装置、充电监控单元、配电监控单元和集中监控模块等部分组成。其系统原理接线图如图2-1所示。图2-1高频开关直流操作电源系统原理接线图交流输入*)系统不设置硅降压装置时，动力母线和控制母线合并。绝缘监测交流配电单元硅堆降压整流模块电池巡检监控模块至电站监控系统配电监控充电监控整流模块控制母线动力母线整流模块*)动力输出控制输出无源触点42.2直流系统的工作原理1）交流正常工作状态：系统的交流输入正常供电时，通过交流配电单元给各个整流模块供电。高频整流模块将交流电变换为直流电，经保护电器(熔断器或断路器)输出，一面给蓄电池组充电，一面经直流配电馈电单元给直流负载提供正常工作电源。硅堆降压单元：根据蓄电池组输出电压的变化自动调节串入降压硅堆（串连二极管）的数量，使直流控制母线的电压稳定在规定的范围内。当提高蓄电池组的容量，减少单体串连的个数时，可以取消硅堆降压单元，达到简化系统接线、提高可靠性的目的。绝缘监测装置：实时在线监测直流母线的正负极对地的绝缘水平，当接地电阻下降到设定的告警电阻值时，发出接地告警信号。对于带支路巡检功能的绝缘监测装置，还可以确定接地故障点是发生在哪一条馈电回路中。电池巡检装置：实时在线监测蓄电池组的单体电压，当单体电池的电压超过设定的告警电压值时，发出单体电压异常信号。该装置为电站的运行维护人员随时了解蓄电池组的运行状况提供了方便，但对于每个用户来说并不是必需的。充电监控单元：接受集中监控模块的控制指令，调节整流模块的输出电压实现对蓄电池组的恒压限流充电和均浮充自动转换，同时上传整流模块的故障信号。当集中监控模块故障退去的情况下，该模块仍能按预先设定的浮充电压值继续对蓄电池组充电。配电监控单元：采集系统中交流配电、整流装置、蓄电池组、直流母线和馈电回路的电压、电流运行参数，以及状态和告警接点信号，上传到集中监控模块进行运行参数显示和信号处理。集中监控模块：采用集散方式对系统进行监测和控制。整流模块、蓄电池组、交直流配电单元的运行参数分别由充电监控电路和配电监控电路采集处理，然后通过RS485通信口把处理后的信息上传给监控模块，由监控模块统一处理后显示在液晶屏幕上。同时监控模块可通过人机对话操作方式对系统进行运行参数的设置和运行状态的控制，还可以通过RS485或RS232通信口接入电站监控系统，实现对电源系统的远程监控。另外，监控模块通过对采集数据的分析和判断，能自动完成对蓄电池组充电的均浮充转换和温度补偿控制，以保证电池的正常充电，最大