直流电源的运行与维护.docx
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直流电源的运行与维护
直流电源的运行与维护
内容简介
◆蓄电池的定义与分类
◆蓄电池的基本构造
◆蓄电池的性能参数
◆蓄电池的基本原理
◆蓄电池的维护
◆蓄电池常见的故障及处理
◆高频开关电源的原理与性能
◆直流系统的接线方式
◆直流回路的级差配合原则
◆直流系统的选择与设计原则
◆微机绝缘检测系统
◆直流接地的危害及处理方法
一、蓄电池的定义与分类
1.1阀控式铅酸蓄电池的定义
阀控式铅酸蓄电池，其基本特点是使用期间不用加水维护，电池为密封结构，不会漏酸，也不会排酸雾，电池盖子上设有单向排气阀（也叫安全阀），该阀的作用是当电池内部气体量超过一定值（通常用气压值表示），即当电池内部气体升高到一定值时，排气阀自动打开，排出气体，然后自动关阀，防止空气进入电池内部。
1.2阀控式铅酸蓄电池的分类
阀控式铅酸蓄电池分为AGM（贫液）和GEL（胶体）电池两种，AGM采用吸附式玻璃纤维棉作隔膜，电解液吸附在极板和隔膜中，贫液设计，电池内无流动的电解液，电池可立放工作，也可以卧放工作;胶体（GEL）采用SiO2作凝固剂，电解液吸附在极板和胶体内，一般立放工作。
二、蓄电池的基本构造
2.1蓄电池的构造
正极板（二氧化铅.PbO2）--->活性物质
负极板（海绵状铅.Pb）--->活性物质
电解液（稀硫酸）--->硫酸（H2SO4）+水（H2O）
电池外壳
隔离板
其它（安全阀.极柱.盖子等）
三、蓄电池的性能参数
3.1开路电压
电池在开路状态下的端电压称为开路电压。
电池的开路电压等于正极的电极电势与负极电极之差。
1
3.2工作电压
工作电压指电池接负载后在放电过程中显示的电压，又称放电电压。
3.3容量
电池在一定放电条件下所能给出的电量称为电池的容量，以符号C表示。
常用单位为安培小时，简称安时（AH）。
电池的容量可以分为理论容量、额定容量、实际容量。
理论容量指把活性物质的质量按法拉第定律计算而得的最高理论值，单位为AH/KG。
实际容量指电池在一定条件下所能输出的电量。
它等于放电电流与放电时间的乘积，单位为AH，其值小于理论容量。
额定容量也叫保证容量，是按照国家或有关部门颁布的标准，保证电池在一定的放电条件下应该放出的最低限度的容量。
三、蓄电池的性能参数
3.4内阻
电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻，极化内阻又包括电化学极化与浓差极化。
内阻的存在使电池放电的端电压低于电池电动势和开路电压，充电时端电压高于电动势和开路电压。
电池的内阻不是常数，在充放电过程中随时间不断变化，
欧姆内阻遵循欧姆定律，极化电阻随电流密度增加而增大，但不是线性关系，常随电流密度和温度在不断变化。
3.5能量
电池的能量是指在一定放电制度下，蓄电池所能给出的电能，通常用瓦时（WH）表示。
电池的能量分为理论能量和实际能量。
理论能量W里可用理论容量和电动势（E）的乘积表示，即W里=C里E
电池的实际能量为一定放电条件下的实际容量C实与平均工作电压U平的乘积，即W实=C平U平
四、蓄电池的基本原理
4．1阀控式铅酸蓄电池的电化学反应原理
阀控式铅酸蓄电池的电化学反应原理就是充电时将电能转化为化学能在电池内储存起来，放电时将化学能转化为电能供给外系统。
其充电和放电过程是通过电化学反应完成的，充电过程中存在水分解反应，当正极充电到70%时，开始析出氧气，负极充电到90%时开始析出氢气，由于氢氧气的析出，如果反应产生的气体不能重新复合得用，电池就会失水干枯；对于早期的传统式铅酸蓄电池，由于氢氧气的析出及从电池内部逸出，不能进行气体的再复合，是需经常加酸加水维护的重要原因；而阀控式铅酸蓄电池能在电池内部对氧气再复合利用，同时抑制氢气的析出，克服了传统式铅酸蓄电池的主要缺点。
四、蓄电池的基本原理
4.2阀控式铅酸蓄电池的氧循环原理
阀控式铅酸蓄电池采用负极活性物质过量设计，AGM或GEL电解液吸附系统，正极在充电后期产生的氧气通过AGM或GEL空隙扩散到负极，与负极海绵状铅发生反应变成水，使负极处于去极化状态或充电不足状态，达不到析氢过电位，所以负极不会由于充电而析出氢气，电池失水量很小，故使用期间不需要加酸加水维护。
在阀控式铅酸蓄电池中，负极起着双重作用，即在充电末期或过充电时，一方面极板中的海绵状铅与正极产生的O2反应而被氧化成一氧化铅，另一方面是极板中的硫酸铅又要接受外电路传输来的电子进行还原反应，由硫酸铅反应成海绵状铅。
在阀控式铅酸蓄电池内部，氧以两种方式传输；一是溶解在电解液中的方式，即通过在液相中的扩散，达到负极表面；二是以气相的形式扩散到负极表面。
传统富液式电池中，氧的传输只能依赖于氧在正极区H2SO4溶液中溶解，然后依
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靠在液相中扩散到负极。
如果氧气呈气相在电极间直接通过开放的通道移动，那么氧的迁移速率就比单靠液相中扩散大的多。
充电末期正极析出氧气，在正极附近有轻微的过压，而负极化合了氧，产生一轻微真空，于是正、负间的压差将推动气相氧经过电极间的通道向负极移动。
阀控式铅酸蓄电池的设计提供了这种通道，从而使阀控式铅酸蓄电池在浮充所要求的电压范围下工作，而不损失水。
四、蓄电池的基本原理
4.3化学反应方程式
铅蓄电池内的阳极（PbO2）及阴极（Pb）浸到电解液（稀硫酸）中，两极间会产生2V的电力，这是根据铅蓄电池原理，经由充放电，则阴阳极及电解液即会发生如下的变化：
（阳极） （电解液） （阴极）
PbO2 + 2H2SO4 + Pb ---> PbSO4+2H2O+PbSO4 （放电反应）
（二氧化铅）（硫酸）（海绵状铅）
（阳极） （电解液） （阴极）
PbSO4 + 2H2O + PbSO4--->PbO2+2H2SO4+Pb （充电反应）
（硫酸铅） （水） （硫酸铅）
五、蓄电池的维护
5.1名词术语
5.1初充电
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，初充电的工作程序应参照制造厂家说明书进行。
5.2恒流充电
充电电流在充电电压范围内维持在恒定值的充电。
5.3均衡充电
为补偿蓄电池在使用过程中产生的电压不均匀现象，使其恢复到规定范围内而进行的充电。
5.4恒流限压充电
先以恒流方式进行充电，当蓄电池端电压上升到限压值时，充电装置自动转换为恒压充电，直到充电完毕。
5.5浮充电
在充电装置的直流输出端始终并接蓄电池和负载，以恒压充电方式进行。
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。
五、蓄电池的维护
5.1名词术语
5.6补充充电
蓄电池在存放中，由于自放电，容量逐渐减少，甚至损坏，按厂家说明书，需定期进行的充电。
5.7恒流放电
蓄电池放电过程中，放电电流始终保持不变，直放到规定的终止电压为止。
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5.8终止电压
为防止蓄电池出现过放电的现象，以致造成极板损伤，所规定的放电的最低电压值。
5.9全核对性放电
在正常运行中的蓄电池组，为了检验其实际容量，将蓄电池组脱离运行，以规定的放电电流进行恒流放电，只要其中一个单体蓄电池放到终止电压，就停止放电，考核其容量。
五、蓄电池的运行与维护
1.阀控蓄电池组的运行方式及监视
a）阀控蓄电池分类
目前主要分贫液式和胶体式两类。
b）运行方式及监视
阀控蓄电池组在运行中以浮充电方式运行，浮充电压宜控制为（2.23~2.28）V*N、均衡充电电压宜控制为（2.30~2.35）V*N，在运行中主要监视蓄电池的端电压值，浮充电流值，每只蓄电池的电压值、蓄电池组及直流母线的对地电阻值和绝缘状态。
5.2阀控蓄电池组的运行维护
五、蓄电池的运行与维护
1.恒流限压充电
采用I10电流进行充电，当蓄电池组端电压上升到限压值时，自动或手动运转为恒压充电。
2.恒压充电
在（2.30~2.35）V*N的恒压充电下，I10充电电流逐渐减小，当充电电流减小至0.1I10电流时，充电装置的倒计时开始启动，当整定的倒计时结束时，充电装置将自动或手动地转换为正常的浮充电运行，浮充电压值宜控制为
（2.23~2.28）V*N。
补充充电
为了弥补运行中因浮充电流不当造成的欠充，补偿不了阀控蓄电池组自放电和爬电漏电所造成蓄电池组的亏损，根据需要设定时间（一般为3个月）充电装置自动或手动进行一次恒流限压充电—恒压充电—浮充电，使蓄电池组随时具有满
容量，确保运行安全可靠。
5.3阀控蓄电池的充放电程序
五、蓄电池的运行与维护
5.4阀控蓄电池的核对性放电
长期使用限压限流的浮充电运行方式或只限压不限流的运行方式，无法判断阀控蓄电池的现有容量，内部是否失水或干裂。
只有通过核对性放电，才能找出蓄电池存在的问题。
a）一组阀控蓄电池
变电站只有一组电池，不能退出运行、也不能做全核对性放电，只能用I10电流恒流放出额定容量的50%，在放电过程中，蓄电池组单电压不得低于2V*N.放电后应立即用I10电流进行恒流限压充电—恒压充电—浮充电，反复放充（2~3）此，蓄电池组容量可到恢复，蓄电池存在的缺陷也能找出和处理。
若有备用阀控蓄电池组临时代用，该组阀控蓄电池可做全核对性放电。
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b）两组阀控蓄电池
变电站若有两组蓄电池，可先对其中一组蓄电池组进行全核对性放电，用I10电流恒流放电，当蓄电池组端电压下降1.8V*N时，停止放电，隔1小时后，再用I10电流进行恒流限压充电—恒压充电—浮充电，反复放电（2~3）此，蓄电池存在的问题也能查出，容量也能得到恢复。
若经过3次全核对性放充电，蓄电池组容量达不到额定容量的80%时，可认为此组蓄电池组阀控蓄电池使用年限已到，应立即汇报有关部门。
新安装或大修后的阀控蓄电池组，应进行全核对性放电试验，以后每隔2年进行一次核对性试验，运行了6年以后的蓄电池，应每年做一次放电试验。
五、蓄电池的运行与维护
5.5阀控蓄电池核对性放电周期
5.6阀控蓄电池的运行维护
1.阀控蓄电池在运行中的电压偏差及放电终止电压偏差应符合下表规定。
阀控蓄电池在运行电压偏差值及放充电终止电压值的规定
阀控式密封铅酸蓄电池 标称电压
2 6 12
运行中的电压偏差 ±0.05 ±0.15 ±0.3
开路电压最大最小差值 0.03 0.04 0.06
放电终止电压值 1.8 5.4 10.58
五、蓄电池的运行与维护
2.变电站值班人员在巡视中应检查蓄电池的单体电压值，连接片有无松动和腐蚀现象，壳体有无渗漏和变形，极柱与
安全阀周围是否有酸雾溢出，绝缘电阻是否下降，蓄电池组温度是否过高等。
对于阀控蓄电池，变电站每月测量一次蓄
电池端电压，并做好记录。
3.备用搁置的蓄电池，每个月由检修维护人员进行一次补充充电。
4.阀控蓄电池的温度补偿系数受环境影响，基准温度为25度，每下降1度，单体2V阀控蓄电池浮充电压应提高3~5mV。
5.根据现场实际情况，应由检修维护人员定期对蓄电池组作外壳清洁工作。
六、蓄电池常见的故障及处理
阀控蓄电池壳体异常。
造成原因：
充电电流过大，充电电压超过了2.4V*N，内部有短路或局部放电、温升超标、阀控失灵。
处理方法：
减小充电电流，降低充电电压，检查安全安全阀是否堵死。
运行中浮充电压正常，但一放电，电压很快下降到终止电压。
原因是蓄电池内部失水干竭，电解物质变质。
处理方法是更换蓄电池。
七、高频电源的原理与性能
7.1高频整流模块的工作原理
一.主回路电路
高频开关整流模块的主回路电路包括EMI滤波、全桥整流、无源PFC、高频逆变、隔离变压器、高频整流和LC滤波，各部分的主要功能如下:
1.输入EMI滤波：
滤波交流电网中其他设备产生的尖峰电压干扰分量，给模块提供干净的交流输入电源；阻断整流模块产生的高频干扰反向传输污染电网。
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2.交流全波整流:
利用三相整流桥直接将电压变换为脉动直流电。
3.无源PFC校正：
采用无源的LC器件将所得的300HZ脉动直流电转换成平滑的直流电，在串连电抗器的电感量足够大的情况下，能起到很好的无源功率因数校正作用，使交流输入功率因数接近0.95。
七、高频电源的原理与性能
7.1高频整流模块的工作原理
4.高频逆变：
采用MOSFET或IGBT开关器件，将输入直流电变换为脉冲宽度可调的高频交流脉冲波。
5.高频变压器：
将高频交流脉冲隔离、耦合输出，实现交流输入与直流输出的电气隔离和功率传输。
由于采用了高频交流脉冲传输技术，因此变压器的体积较小、重量较轻。
6.输出高频整流：
采用快恢复二极管，将高频交流脉冲波变换为高频脉动直流电。
7.输出LC滤波：
采用无源的LC器件，将整流所得的高频脉动直流电变换成平滑的直流输出。
7.2开关电源基本组成
七、高频电源的原理与性能
7.3直流变换器
DC-DC变换器是开关电源的核心部分。
它通过功率开关管的开断，将直流电压变为脉冲状的交流电压，此交流电压通过高频变压器隔离并可变换成任意大小的交流电压，再经过二极管进行二次整流与电容、电感平滑后变为直流输出电压。
控制电路将输出电压的一部分和基准电压进行比较，来控制开关管的通断时间，从而调整输出直流电压。
八、直流系统的接线方式
1.220kV及以上变电站应满足两组蓄电池、两台高频开关电源或三台相控充电装置的配置要求。
2.110kV变电站应满足一组蓄电池、一台高频开关电源或两台相控充电装置的配置要求。
部分重要110kV变电站可配置两组蓄电池、两台高频开关电源或三台相控充电装置。
3.220kV及以上变电站直流母线应采用单母线接线方式，每组蓄电池和充电装置分别接于一段母线上，两段母线之间应设联络电器。
4.对于具有双重化控制和保护回路要求双电源供电的负荷，应采用两段母线，两回直流电源应来自不同蓄电池组。
5.应根据直流负荷重要性及负荷大小合理布置馈线屏出线。
6.直流环网回路中刀开关应不装设保护器。
注意：
变电站直流馈线屏上的1QS1,2QS1应放在1-2位置，不应该放在1-3位置
九、直流回路的级差配合
9.1直流回路保护器配合原则
直流回路应使用保护器，直流回路严禁使用交流空气断路器。
直流系统保护器应分级配置，上下级熔体应满足选择性配合要求,一般变电站保护器分为三级。
1 第一级为蓄电池保护器。
2 第二级为直流屏上的操作控制、合闸、信号、及其它回路的保护器。
3 第三级为各单元的操作控制回路保护器，各操作机构的合闸回路保护器或储能电机回路保护器。
9.2直流系统熔断器（空气开关）的配置原则
1 熔断器和空气开关的额定电压应大于或等于回路的额定电压。
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2 控制、信号、保护回路保护器的额定电流应按二次回路最大负荷电流选择。
3 对于断路器的电磁合闸回路，保护器的额定电流按0.25~0.3倍额定合闸电流配置。
4 对于直流电机回路，需考虑躲过电动机启动电流的情况，熔件额定电流应为Ie=Iqd/K。
其中Iqd为电机启动电流，K为配合系数取3。
5 对于有些合闸回路，如端子箱和开关机构箱中均有保护器时，应属同一保护级别，按额定电流小的计算。
6 对于断路器操作机构中的跳合闸回路空气开关，应和操作回路的保护器同等对待。
7 对非综自站的保护，有些保护装置上有空气断路器，应和操作回路的保护器同等对待。
9.3直流保护器的配合原则
1当空气断路器和熔断器串联作为保护电器时，应按下列配合：
1.1 熔断器装设在断路器上一级时，熔断器额定电流应为空气断路器额定电流的2倍及以上；
1.2空气断路器装设在熔断器上一级时，空气断路器额定电流应为熔断器额定电流的4倍及以上。
2 当熔断器和熔断器之间配合时，上一级熔断器的额定电流应为下一级熔断器的额定电流的2倍及以上。
3 当空气断路器和空气断路器之间配合时，上一级空气断路器的额定电流和下一级空气断路器应差2-3级。
4 直流回路必须保证操作回路的选择性，尽量满足合闸（储能）回路的选择性。
5直流保护器选型
5.1 直流系统应选用直流空气断路器，严禁熔断器和空气断路器混用。
5.2 空气断路器型号要一致，优先采用带时间特性的空气断路器
十、直流系统设备的选择与设计原则
10.1蓄电池的个数选择
a）不设置硅降压装置的系统，蓄电池的个数按单体电池正常的浮充电压值和直流母线电压为1.05倍直流系统标称电压值来确定：
N=1.05Un/Uf
分别效验均衡充电时Nuj≤1.1Un，事故放电末期Num≥0.85Un或0.87Un。
b）设置有硅降压装置的系统，蓄电池的个数按单体电池正常的浮充电压值和直流母线电压为1.10倍直流系统标称电压值来确定：
N=1.10Un/Uf
分别效验均衡充电时Nuj≤1.15Un，事故放电末期Num≥0.875Un。
式中：
N---蓄电池个数；
Un---直流系统标称电压；
Uf---单只蓄电池浮充电压；
Uj---单只蓄电池均衡充电充电压；
Um---单只蓄电池放电末期电压。
10.2蓄电池组电压
1.单体蓄电池的浮充电压应根据生产厂家的推荐值选取，一般可按下列数据：
阀控式铅酸蓄电池的单体浮充电压值取2.23V～2.27V。
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2.蓄电池均衡充电电压
单体蓄电池的均衡充电电压应根据直流系统中直流母线允许的最高电压值和蓄电池的个数来确定，一般可按下列数据：
阀控式铅酸蓄电池的单体均衡充电电压值取2.33V或2.35V。
3.蓄电池放电终止电压
单体蓄电池的放电终止电压值应根据直流系统中蓄电池组出口端电压允许的最低电压值和蓄电池的个数来确定，，一般可按下列数据：
a）系统不设置硅降压装置、采用单只2V的蓄电池，其放电终止电压值为：
对于阀控式铅酸蓄电池，控制负荷专用蓄电池取1.80V或1.83V；动力负荷专用或动力负荷与控制负荷合并供电的蓄电池组取1.85V或1.87V。
b）系统设置硅降压装置、采用单只2V、6V或12V的阀控式铅酸蓄电池组，其单体放电终止电压取1.80V。
10.3直流断路器
电力操作电源用直流专用断路器分断能力均要求在6kA以上，有些场合甚至要求在20kA以上。
选择断路器应保证在直流负荷侧故障时相应支路可靠分断，其容量与直流屏上、下级开关相匹配，以保证开关动作的选择性。
下面，我们以一套两组充电机两组蓄电池直流系统为例，将直流电源中各级断路器额定电流选择做详细说明。
10.3直流断路器
ZK1充电装置输出回路断路器
断路器额定电流按充电装置额定输出电流选择，即In≥KkIm
Im――充电装置输出电流，A；
Kk――可靠系数，一般取1.2-1.3。
ZK6电磁操作机构的合闸回路断路器
In≥Kc2Ic1
In――直流断路器额定电流，A；
Kc2――配合系数，取0.3；
Ic1――断路器电磁操作机构合闸电流，A。
说明：
电磁操作机构合闸回路直流断路器的额定电流按0.3倍额定合闸电流选择，一是考虑到电磁操作机构的合闸时间很短，约几十毫秒，发热不是问题，且断路器瞬时脱扣电流一般为7～10In，在正常的合闸电流时，取0.3Ic1断路器不会保护脱扣；二是可以降低保护的整定电流，提高可靠性。
例如，某一合闸回路电流150A，则我们可以选择额定电流为45A～60A的微型断路器作为其回路开关使用。
十、直流系统设备的选择与设计原则
10.3直流断路器
ZK2 蓄电池出口回路断路器
1，断路器额定电流按蓄电池的1h放电率电流选择。
In≥I1h
I1h――蓄电池1h放电率电流，A，阀控铅酸蓄电池取5.5I10，中倍率镉镍电池取7.0I10，高倍率镉镍电池可取20.0I5；
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2，按保护动作选择性条件，即额定电流应大于直流馈线中断路器额定电流最大的一台来选择，则
In>Kc4In.max
In.max――直流系统馈线中直流断路器最大的额定电流，A；
Kc4――配合系数，一般可取2.0，必要时取3.0。
取以上二种情况中电流最大者为断路器额定电流，并应满足蓄电池出口回路短路时灵敏系数的要求。
同时还应按事故初期（1min）冲击放电电流校验保护动作时间。
十、直流系统设备的选择与设计原则
10.3直流断路器
ZK3 直流母线分段断路器
可采用隔离开关或保护断路器
In≥KbΣIb
ΣIb—较大电流的母线段上全部负荷的工作电流之和
Kb—同时系数，取0.5～0.6
关于两组蓄电池两段母线分段开关或母线联络开关设计选择的说明：
说明：
母线分段断路器也称母线联络开关目前有两种接线形式，见（a）,（b）。
DL/5044-95原设计规程中要求2组蓄电池系统I、II段母线为了防止两组蓄电池并列，两段母线必须加装机械连锁装置以防止两组蓄电池并列。
即上图中（b）接线方式。
新版DL/5044-2004《电力工程直流系统设计技术规程》关于直流母线分段断路器的相关条文说明如下：
2组蓄电池的直流系统，应满足在运行中二段母线切换时不中断供电的要求。
切换工程中允许2组蓄电池短时并联运行。
即上图（a）接线方式。
《条文说明》：
2组蓄电池正常时应是分列运行，考虑到定期充、放电试验要求，为了转移直流负荷，需要短时并联运行，在2组蓄电池电压相差不大，而且时间很短，对蓄电池没有大的危害是允许的。
ZK7 直流馈线分柜进线电源回路断路器额定电流n≥KcΣIc
ΣIc――馈线分屏上所有负荷；
Kc――同时系数，取0.8。
ZK4 蓄电池放电回路断路器
In≥1.10～1.30I10
I10――铅酸蓄电池10h率放电电流，A。
10.4直流系统的设计原则
1直流系统标称电压按下列要求确定：
a）专供控制负荷的直流系统标称电压宜用110V。
b）专供动力负荷的直流系统标称电压宜用220V。
c）对控制负荷与动力负荷合并供电的直流系统标称电压宜用220V。
2直流系统在正常浮充运行情况下，直流母线电压应为直流系统标称电压的105％。
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注：
浮充运行的具体电压值由工程确定的蓄电池类型和个数决定。
3直流系统在均衡充电运行情况下，其直流母线电压应满足如下要求：
a）专供控制负荷的直流系统，应不高于直流系统标称电压的110％。
b）专供动力负荷的直流系统，应不高于直流系统标称电压的112.5％。
c）对控制与动力负荷合并供电的直流系统，应不高于直流系统标称电压的110％。
4直流系统在事故放电情况下，其蓄电池组出口端电压应满足如下要求：
a）专供控制负荷的直流系统，应不低于直流系统标称电压的85％。
b）专供动力负荷的直流系统，应不低于直流系统标称电压的87.5％。
c）对控制负荷与动力负荷合并供电的直流系统，应不低于直流系统标称电压的87.5％。
5对设置硅堆降压装置，控制
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