直流系统技术.docx

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直流系统技术

第一章直流系统

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，它遍布厂或站的各个角落。

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。

第一节　直流系统的构成及对其的要求

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充电设备；直流馈线由主干线及支馈线构成

1．蓄电池

发电厂及变电站常用的蓄电池，主要有酸性的和碱性的两大类。

常用的酸性蓄电池是铅蓄电池，而常用的碱性蓄电池是镉－镍蓄电池。

（1）铅蓄电池

铅蓄电池的正极为二氧化铅，负极为铅（海绵铅），电解液是硫酸溶液。

工作时，蓄电池内部的化学反应为

　……………………………（1－1）

电池在放电时，正极、负极上均生成硫酸铅，而消耗硫酸，充电时与放电过程相反，其正、负极的硫酸铅分别反应成二氧化铅及海绵铅，同时生成硫酸。

（2）镉-镍蓄电池

镉－镍蓄电池的正极为氧化镍，而负极为镉－铁，其电解液采用氢氧化钠或氢氧化钾溶液，并加入少量的氢氧化铝。

电池内部的化学反应为

……………………………（1－2）

（3）电气参数

蓄电池的主要电气技术参数有

（I）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－镍蓄电池的额定电压为1.25V/只。

（II）额定容量（安时）

不同型号的蓄电池，其额定容量不同。

所谓额定容量是指：

放电时间10小时（或5小时）、放电终止电压为1.8V（或1V）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1600安时；而镉－镍蓄电池的容量，小的有10安时，大的有500安时。

（III）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。

（4）蓄电池的充电

蓄电池的充电方法，通常采用定电流充电方法。

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，对新电池的首次充电称之为初充电。

对已经放过电的蓄电池充电称之为正常充电。

均衡充电，实际上是定期充电。

在电池用5－20小时的放电之后，进行充电。

（5）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，需将几个蓄电池组并联使用。

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，需并联的支路数越多。

（6）蓄电池组的浮充

为延长蓄电池组的使用寿命并及时补充电池的容量损耗，需充电设备经常对蓄电池组进行充电。

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、滤波及稳压的交流－直流变换装置。

它应满足以下要求：

（1）输出电压及输出电流的调节范围

充电设备输出电压及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180~310V.

（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）输出电压的纹波系数小

当充意设备不与蓄电池并联运行时，其纹波系数不大于5%。

（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

浮充电设备的输出电流，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。

其额定电流应为

　　………………………………………………………（1－3）

在式1－3中：

－额定电流，安培；

－蓄电池放电容量；

　　　　　　　T－蓄电池长期放电时间，取12个小时；

－直流系统正常负荷电流。

考虑到核对性充放电，也可按最大充电电流选择

…………………………………………（1－4）

在式1－4中：

－额定电流；

－蓄电池10小时放电容量。

3．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及控制室的直流小母线上，或引至直流动力设备的输入母线上。

从各直流小母线上又分别引出多路出线，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%额定电压的范围内。

若电压过高，容易使长期带电的二次设备（例如继电保护装置及指示灯等）过热而损坏；若电压过低，可能使断路器、保护装置等设备不能正常动作。

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；此外，还应保证事故发生后能可靠切除断路器及维持直流动力设备（例如直流油泵等）的正常运行。

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．直流系统的接线应力求简单可靠，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；当直流系统发生短路故障时，能快速而有选择性地切除故障馈线，而不影响其他回路的正常运行。

第二节　直流系统的绝缘检测

前已述及，发电厂及变电站的直流系统分布面广，回路繁多，很容易发生故障或异常，其中最常见的不正常状态是直流系统接地。

一　直流系统接地的危害

运行实践表明，直流系统一点接地，容易致使运行中的断路器偷跳。

此外，当直流系统中发生一点接地之后，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，或造成运行中的断路器误跳或拒跳的事故发生。

1．断路器的偷跳

前几年，由于直流系统一点接地，而造成断路器偷跳的事例较多。

其原因在二次回路中讲述。

对于

断路器接线的母线，各串中间的断路器容易偷跳；而对于双母线接线，其母联断路器容易偷跳。

2．断路器的误跳及拒跳

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。

断路器的简化跳闸回路如图1－1所示。

图1－1　简化的断路器跳闸回路

在图1－1中：

K－继电保护出口继电器的常开接点；

　　　　　　　A、B、C、D、E－分别为接地点位置；

　　　　　　　KM－跳闸中间继电器；

　　　　　　　SA－断路器操作开关的辅助接点；

　　　　　　　TQ－断路器的跳闸线圈；

　　　　　　　RKM－电阻；

　　　　　　　1RD、2RD－熔断器或快速开关刀口；

　　　　　　　DL－断路器辅助接点，断路器在合位时闭合；

　　　　　　　＋WC、－WC－控制回路直流正、负小母线。

由图1－1可以看出：

当A、B两点接地或A、C两点接地、或A、D两点接地时，跳闸线圈TQ将有电流通过，致使断路器跳闸；而当C、E两点接地、或B、E两点接地、或D、E两点接地时，可导致断路器拒跳，或由于跳闸中间继电器不能启动而在继电保护动作后，断路器不能跳闸现象的发生。

3．直流回路短路

另外，当图1－1中的A、E两点同时发生接地时，将造成直流电源的正极与负极之间的短路故障，致使熔断器（或快速开关）1RD、2RD要熔断（或快速开关跳闸），导致控制回路直流电源消失。

二　直流绝缘检测装置

当直流系统发生一点接地之后，为避免发生两点接地故障，应立即进行检查及处理。

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机理

直流绝缘检测装置是根据电桥平衡原理构成的。

其检测原理的示意图如图1－2所示。

图1－2　直流绝缘检测装置检测原理示意图

在图1－2中：

R1、R2－监测装置内P的辅加电阻；R3、R4－分别为直流电源两极对地的绝缘电阻；XJ－电压信号继电器；V－直流电压表；＋WC、－WC－直流电源的正、负小母线。

正常工况下，直流系统正、负两极对地的绝缘电阻R3＝R4，由于装置内电阻R1＝R2，因此，在由R1、R2、R3、R4构成的四臂电桥中R1R4＝R2R3，满足电桥平衡条件。

A点的电位与地电位相等，直流电压表

的指示等于零。

信号继电器XJ两端无电压，它不动作。

当某一极对地的绝缘电阻下降或直接接地时，R3不再等于R4，故R1R4≠R2R3电桥平衡被破坏，A点对地产生电压，信号继电器XJ动作，发出告警信号。

图1－2中直流电压

的刻度为电压和电阻的双刻度，电压的刻度应与直流系统的额定电压相对应

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。

不同处的是：

构成元件不同，功能多少不同。

以下简要介绍最基本的由继电器构成的绝缘检测装置及微机型绝缘检测装置的原理接线图。

（1）继电器构成的绝缘检测装置

由继电器构成的典型绝缘监察装置的原理接线如图1－3所示。

图1－3　直流绝缘监察装置原理接线图

在图1－3中：

1ZK－测量转换开关；

2ZK－绝缘测量及对地电阻测量转换开关；

CK－电压监视及接地位置选测切换开关；

XTJ－接地信号继电器；

－电压和电阻双刻度测量表计；

－直流电压表。

由图1－3可以看出：

该装置将直流系统的绝缘监测与电压监视集为一体，它适用于双母线或单母线分段的直流系统。

装置由一、二段母线测量转换、绝缘监测、绝缘测量及母线电压测量等部分构成。

（I）母线测量转换

两段母线测量的转换，主要由测量转换开关1ZK来完成。

当测量I段母线的对地绝缘时，将测量开关拨至“I母”位置。

此时，开关接点

及

闭合，将I段母线的正极和负极接入监视装置。

当测量II段母线的绝缘时，将测量开关拨至“II母”位置，开关接点

及

闭合，将二段母线的两极引至装置。

（II）绝缘测量及绝缘监测

绝缘测量及绝缘监测部分由电阻1R、2R、电位器3R、开关2ZK、信号继电器XTJ及

表计构成。

正常工况下，开关2ZK的接点

和、

闭合，开关CK的接点

闭合。

与电位器3R连接的表通过CK的

接点接地。

此时，由于直流系统对地绝缘良好，其正、负两极的对地电阻相等，并与电阻1R、2R构成的四臂电桥处于平衡状态