直流系统讲义

直流系统直流系统的作用及组成一二充电装置蓄电池组三四UPS不间断电源直流系统一、直流系统的作用及组成(一）直流系统的作用直流系统是给信号及远动设备、保护及自动装置、事故照明、断路器（隔离开关）分合闸操作提供直流电源的电源设备。直流系统是一个独立的电源，在外部交流电中断的情况下，由后备电源—蓄电池继续提供直流电源，保障系统设备正常运行。直流系统的用电负荷极为重要，对供电的可靠性要求很高。直流系统的可靠性是保障厂用电（站用电）安全运行的决定性条件之一。各种用电设备（包括继电保护及自动装置、断路器分合闸、载波通信、事故照明等）的工作都离不开直流电源。在系统发生故障，厂（站）用电中断的情况下，如果直流电源系统不能可靠地为工作设备提供直流工作电源，将会产生不可估计的损失。因此，有人把直流设备比喻为发电厂（变电站）的心脏。（二）基本概念1、直流母线：直流电源屏内的正、负极主母线。2、合闸母线：直流电源屏内供断路器合闸机构等动力负荷的直流母线。3、控制母线：直流电源屏内供保护及自动控制装置、控制信号回路等的直流母线。4、直流馈线：直流馈线屏至直流小母线和直流分电屏的直流电源电缆。合闸母线与控制母线的区别1、控制母线提供持续的，较小负荷的直流电源；而合闸母线提供瞬时较大的电源，平时无负荷电流。在合闸时电流较大，会造成母线电压的短时下降。2、控母电压一般为220V，合母电压稍高一些，为240V。为什么不用交流电源呢？直流电源与交流电源相比，优势在哪里？•1、输出电压稳定。•2、单个直流屏有二路交流输入（自动切换），加上蓄电池，相当于有三个电源供电，供电稳定。•3、假如用交流电源，当系统发生短路故障，电压会因短路而降低，使二次控制电压也降低，严重时会因电压低而使断路器跳不开！（三）对直流系统的要求直流系统可靠性的要求很高，为使其满足这样要求，必须做到以下几点：1、合理选择直流系统的额定电压。220V直流系统110V直流系统48V直流系统1）—48V系统：正极接地，负极为—48V。主要用于通讯系统设备。电压低，容量小，电缆短，要求电缆截面积小。蓄电池个数少，占地面积小，经济。抗干扰能力差，带负载能力弱。使用-48V电源是历史原因造成的。使用最早的通讯网是电话网，话机是由电讯局供电的，选48V是在当时的条件下尽可能提高用户到局端的距离（36V是安全电压，超过太多不安全）。后来为了兼容早期设备、降低成本考虑，局端通讯设备还是用-48V电源。•正极接地主要是为了防止电极的腐蚀。减少由于继电器或电缆金属外皮绝缘不良时产生的电蚀作用，使继电器和电缆金属外皮受到损坏。•在电蚀时，金属离子在化学反应下是由正极向负极移动的。继电器线圈和铁芯之间的绝缘不良，就有小电流流过，电池组负极接地时，线圈的导线有可能蚀断。反之，如电池组正极接地，虽然铁芯也会受到电蚀，但线圈的导线不会腐蚀，铁芯的质量较大，不会招致可察觉的后果。正极接地也可以使外线电缆的芯线在绝缘不良时免受腐蚀。2）110V系统：A、110V直流系统要求绝缘水平较低，从而提高了运行的安全性。B、110V系统直流网络较小，接地几率相对220V的直流网络要小，提高了控制系统的可靠性。C、110V蓄电池个数少，占地面积小，比用220V的安装和维护工作简单。3）、220V系统：A、所带设备多，负荷功率较大，供电距离较长，采用110V电压时，电缆截面较大，投资增加，通过技术经济比较，采用220V较好。B、220V直流电源对变电站的事故照明比较有利，接线简单。因为通常我国照明电压采用220V，如果使用110V直流系统事故照明备用电源时，需要采用逆变装置或其它办法来解决事故照明的供电问题，较为复杂2、选择的蓄电池容量必须满足要求。满足全站事故停电时，直流电源负荷、最大冲击负荷及1h事故照明等用电需要；且能保证直流母线电压在规定的额定值（正常运行时，操作电源母线电压波动范围小于5％额定值；事故时操作电源母线电压不低于90％额定值；失去浮充电源后，在最大负载下的直流电压不低于80％额定值），波纹系数小于5％。3、充电设备稳定可靠，各项功能与技术指标满足要求。4、有合理的直流系统接线，该接线要方便于运行与维修，最主要是对整个直流系统与控制系统及保护装置的运行最为可靠。5、直流系统对蓄电池、充电机及系统的运行情况要有完善的检测功能，当任何一部分发生异常时要发出就地告警信号及通过监控系统向远方的集控中心发出告警信息。（四）运行规定1、电压规定①220V直流母线电压应经常保持在220V±5V的范围内。②蓄电池应经常处于浮充电状态，端电压通常应在2.23V/单体。2、温度规定①正常状况下，蓄电池温度应在15℃～25℃之间。最高不得超过30℃，最低不得低于10℃。②在大充电时，蓄电池电解液温度不得超过35℃～45℃。否则，应降低充电电压或停止充电。③蓄电池室室温应保持在15℃～25℃为宜。（五）直流系统的基本组成直流系统主要有充电屏、蓄电池（屏）、馈线屏及监控系统等部分组成。蓄电池组充电屏馈线屏监控系统直流系统RS485蓄电池交流配电充电模块充电模块供电模块供电模块降压硅链交流监控单元模块监控单元直流监控单元系统监控模块RS485RS232合闸母线控制母线充电机电池组馈线监控1、充电模块（高频开关电源模块）：在交流不断电的情况下，给直流母线供电；同时给蓄电池组充电，使蓄电池组工作在最佳状态，延长蓄电池组的使用寿命。2、蓄电池组：在交流断电的情况下，维持直流电源系统的供电，是直流电源系统的核心部分。其容量、性能和健康状况对整个直流电源系统的正常运行起到重大作用。3、馈线屏（交流配电、直流馈电）为直流电源系统中的充电装置、各控制负荷和动力负荷进行电源的合理配置。实现交流输入、直流输出、电压显示、电流显示等功能。所使用的器件如：电源线、接线端子、交流断路器、直流断路器、接触器、防雷器、分流器、熔断器、转换开关、按钮开关、指示灯以及电流、电压表等等4、智能监控模块：对整个直流电源系统的运行状况进行实时监测，控制蓄电池组的充、放电过程。主要包括：绝缘检测单元、电池巡检单元、开关量检测单元、降压单元等。（1）绝缘检测单元直流系统绝缘监测单元是监视直流系统绝缘情况的一种装置，可实时监测线路对地漏电阻，此数值可根据具体情况设定。当线路对地绝缘降低到设定值时，就会发出告警信号。直流系统绝缘监测单元目前有母线绝缘监测、支路绝缘监测。绝缘监测单元当绝缘值低于10KΩ时，装置开始报警。（2）电池巡检单元电池巡检单元就是对蓄电池在线电压情况巡环检测的一种设备。可以实时检测到每节蓄电池电压的多少，当哪一节蓄电池电压高过或低过设定时，就会发出告警信号，并能通过监控系统显示出是哪一节蓄电池发生故障。电池巡检单元一般能检测2V-12V的蓄电池和巡环检测1-108节蓄电池。电池巡检单元（3）开关量检测单元开关量检测单元是对开关量在线检测及告警干节点输出的一种设备。比如在整套系统中哪一路断路器发生故障跳闸或者是哪路熔断器熔断后开关量检测单元就会发出告警信号，并能通过监控系统显示出是哪一路断路器发生故障跳闸或者是哪路熔断器熔断。目前开关量检测单元可以采集到1-108路开关量和多路无源干节点告警输出。（4）降压单元降压单元就是降压稳压设备，是合母电压输入降压单元，降压单元再输出到控母，调节控母电压在设定范围内（110V或220V）。当合母电压变化时，降压单元自动调节，保证输出电压稳定。常用的降压稳压装置有硅链降压、斩波稳压与高频开关模块直供控制母线稳压三种。二、充电装置(一）充电装置的作用充电设备是直流系统中最为关键的设备，它的技术指标高低与运行稳定与否就直接关系直流系统的技术指标及运行稳定性。作用：从单相或三相交流电网取得交流电，并将其转换为符合要求的直流电。平时为负荷供电，为蓄电池充电。（二）充电设备的技术要求1、波纹系数要小。按继电保护技术规程要求，在充电、浮充装置不与蓄电池并联时，其波纹系数应不大于5％，直流系统设计技术规程要求不大于2％。所谓波纹系数是指直流电压中，脉动量峰值与谷值之差的一半，与直流输出电压平均值之比。2、稳压精度高要求充电、浮充装置有较高的稳压精度，才能保证蓄电池的正常运行，保证控制母线的电压稳定在额定值。提出稳压精度要求，一方面是由于交流电源有可能出现±10％的电压变化。另一方面是蓄电池本身对充电、浮充电电压的变化范围有要求。例如，要求普通铅酸蓄电池的浮充电电压在2.15～2.17V，阀控式铅酸蓄电池浮充电电压为2.23～2.28V。直流系统设计技术规定要求，浮充电时稳压精度应不大于±2％，充电时应不大于±5％。一般认为阀控式铅酸蓄电池的充电和浮充电装置在各种情况下稳压精度不应大于±1％。继电保护规程要求：装置直流电源电压，最低电压不低于额定电压的85%，最高电压不高于额定电压的110%。3、充电装置应具有恒定电流、恒定电压功能，能以自动浮充电、自动均衡充电、手动充电三种运行方式。4、充电装置内应有限流功能。在与蓄电池组并联，负荷中出现冲击电流时，大部分电流应由蓄电池组承担，以防止充电装置出现过电流跳闸。（三）高频开关充电机随着电力电子技术的发展，高频开关电源越来越趋于完善，高频开关型充电机在直流系统中得到越来越多的应用。将三相交流电经整流后转换成较平滑的直流，再经全桥PWM（脉宽调制）电路转换为高频交流电，其转换频率大约在20～200kHz之间，再经高频变压器隔离降压后进行整流输出。由于其频率高，高频变压器的体积很小，转换效率很高。使用高频开关电源不但使配置简化，可维护性好，而且使直流电源的各项技术指标大大提高。二、直流系统的基本组成（二）•高频开关电源一般做成模块化结构，一套直流电源有若干个模块并联而成，模块间设有均流功能，即负载电流有各模块平均分摊。•当其中一个模块故障时，该模块自动退出运行不会影响其它模块的正常工作，其输出电流由其它模块分担，故障模块可以在运行中拔出维修，称作热插拔。1、定义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，这种能量的变换过程是可逆的。也就是说，当蓄电池已部分放电或完全放电后，两电极表面形成了新的化合物，这时如果用适当的反向电流通入蓄电池，就可使已形成的新化合物还原成原来的活性物质，供下次放电之用。三、蓄电池2、分类根据电极或电解液所用物质的不同，蓄电池一般分为铅酸电池和碱性电池两种。酸性蓄电池：端电压高、冲击电流大，适合于断路器合分闸的冲击负荷，但其寿命短，运行维护复杂。碱性蓄电池：体积小、受命长，维护方便，但事故时放电电流较小。常用的蓄电池一般有碱性镉镍电池防酸铅酸蓄电池（防酸隔爆型、防酸消氢型）阀控式密封铅酸电池二、直流系统的基本组成（三）碱性镉镍电池采用金属镉作负极活性物质，氢氧化镍作正极活性物质,正、负极材料分别填充在穿孔的附镍钢带（或镍带）中，经拉浆、滚压、烧结、化成或涂膏、烘干、压片等方法制成极板。电解液通常为氢氧化钠或氢氧化钾溶液。优点是轻便、抗震、寿命长。大型袋式和开口式镉镍电池主要用于铁路机车、矿山、装甲车辆、飞机发动机等作起动或应急电源。圆柱密封式镉镍电池主要用于电动工具、剃须器等便携式电器。小型扣式镉镍电池主要用于小电流、低倍率放电的无绳电话、电动玩具等。敞开式防酸铅酸蓄电池敞开式蓄电池应用最早。此种电池用铅板做电极，硫酸溶液作电解质。该电池存放硫酸溶液的缸体不密封，充放电过程中产生氢气，伴有酸雾，对环境污染很大。硫酸溶液中的水份挥发后还会造成电解液的比重变化，影响电池容量，缩短电池寿命。所以这种电池需要经常测量端电压与内阻，还要测量电解液的比重，必要时需要补充蒸馏水。防酸隔爆式防酸消氢式阀控型铅酸蓄电池是80年代末期从国外引进的一种新型铅酸蓄电池。电解液有胶体与液体两种，液体的一般吸附在极板间由超细玻璃纤维制成的隔膜中，吸附比约为90％。阀控型蓄电池存储电解液的缸体是密封的，在缸体上装有一个安全排气阀，当内部气体压力超过规定值时，阀门自动排气，直到压力恢复正常自动关闭。无论电池立放或卧放，电解液