電力工程直流電源可靠性研究

來源:千亿APP_官方网站發布時間:2016-12-13 浏覽次數:

摘要:電力工程直流電源的可靠性對保證電力系統的正常運行和事故處理具有重要作用。文章從設計選型角度指出了蓄電池選擇、充放電設備選擇、監控裝置設置、系統接線和操作保護設備選擇等在直流電源可靠性方面存在的問題以及解決方法。
  关键词: 直流电源;可靠性;设计选型
  0 概述
   電力工程包括各種類型的發電廠和500kV及以下變電所,工業企業和樓宇的10kV變電所。爲了使其正常運行和進行事故處理,可靠的直流電源是必不可缺少的,它給在正常運行中的電力設備提供控制、保護、信號電源,高壓斷路器才可以正常操作,尤其是當電力系統事故交流電源停電時,更需要一套安全可靠的直流電源,它除了給上述負荷供電外,還要給直流電動機、事故照明及UPS等負荷供電,才能保證電力系統的事故處理和恢複供電。
   多年以來,人們在直流電源可靠性方面做了大量的理論研究和實踐工作,廢除了一些落後設備和元器件,改善了系統接線,提高了自動化水平,擁有了先進的技術指標,以及長壽命和少維護的原則,可靠性已大大提高。目前,電力系統廣泛采用了閥控式密封鉛酸蓄電池、高頻開關整流器或微機型晶閘管整流器、直流斷路器、直流電源監控裝置等。
   但是在蓄電池選擇、充放電設備選擇、監控裝置設置、系統接線和操作保護設備選擇等方面仍然存在一些影響直流電源可靠性的問題。除了設備技術質量方面的問題之外,本文將從設計選型方面對直流電源可靠性方面提出一些問題和解決辦法。
  1 蓄电池
   近十年來閥控式密封鉛酸蓄電池得到了廣泛的應用。它在使用中具有無需添加酸液,不漏液,無酸霧,自放電電流小,內阻小,壽命長,安裝方便少維護等優點。但是它對溫度反應靈敏,因而對充電電源要求較嚴格,不允許嚴重的過充或欠充。
   因此,在設計選型方面應注意以下問題。
  1.1  蓄电池组数的选择
   《直流設計規程》已經對各種類型的電力工程有了明確的規定,其原則是從直流負荷供電可靠性的觀點出發的,發電廠應按單元機組和動力、控制負荷分設獨立直流電源系統,網絡控制部分獨立設置,遠離主廠房的輔助車間單獨設置,盡量使每組蓄電池直流系統的供電範圍減小和保證功能的獨立性。110kV重要變電所和220kV及以上的變電所是從重要性和滿足繼電保護、斷路器跳閘機構雙重化的供電需求出發,規定裝設2組蓄電池。因此,蓄電池組數應從供電負荷的需要和可靠性出發,盡可能的減少供電範圍和從工程的重要性考慮配置情況。
  1.2  蓄电池个数的选择
   无端电池和不设降压装置的直流系统,它简化了直流系统的接线,避免了端电池的硫化和硅降压设备的麻烦问题,因而提高了可靠性。但是要求蓄电池组的运行必须满足其正常运行时母线电压为标称电压的105%,在线均衡充电电压时母线电压不应超过标称电压的110%,事故放电末期的母线电压为其标称电压的85%,即标称电压为220V的直流系统的母线电压允许在187~242V之间波动。这样浮充电压为2.23V,均充电压可以选在2.28~2.33V之间,事故放电末期电压选择在1.8V以上,完全满足了直流母线电压在允许范围内波动。根据计算,220V蓄电池组的个数对于单体2V的蓄电池只能选择在103或104个。但是大多数小型电力工程的220V直流系统的蓄电池均选用200Ah以下蓄电池,大多选用12V或6V组合体蓄电池,对于12V组合体经常选用18只,这相当于单体2V蓄电池108个,这样正常运行时直流母线电压偏高,降低浮充电压则对蓄电池寿命有影响,由于运行中均衡充电时直流母线电压更高,因而更习惯采用硅降压装置调压,增加了复杂性,降低了可靠性。在直流负荷较小、蓄电池容量有保证的情况下,可以提高事故放电末期电压大于1.83V,选择单体2V 102个蓄电池或17只12V组合体,34只6V组合体的蓄电池。目前一些蓄电池厂可以生产带一假体的组合体电池,即生产10V组合体或4V组合体的蓄电池,若选择14×12V+4×10V或34×6V+1×4V也相当于单体2V的104个蓄电池组。总之应严格控制蓄电池组的个数,实现简化直流系统接线的目的。
  1.3  试验放电设备的选择
   DL/T 5044—2004《电力工程直流系统设计技术规程》规定“试验放电装置宜采用电热器件或有源逆变放电装置。”DL/T 724—2000《电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程》也规定了蓄电池的核对性放电方法和放电周期。
   長年運行在浮充電方式下的蓄電池的事故放電容量究竟是多少,若僅依靠一般的容量檢測方法其可信度不高。蓄電池端電壓的高低不是容量後的指標。惟一的方法是定期進行核對性充放電對蓄電池活化和對容量進行核對,確保蓄電池始終能運行在90%以上的容量。滿足當交流事故停電時,發電廠事故停機和變電所的事故處理時直流負荷的需要。這也是直流電源可靠性的重要環節。
   由于放电设备装备水平的落后,放电设备选择比较困难而没有很好的选择,给蓄电池的运行维护带来不少困难。
  2 整流器
   整流器是直流電源的重要設備,它的優劣直接影響蓄電池長期可靠運行,因此它的主要技術特性應滿足蓄電池的充電和浮充電要求,長期連續工作制,應有穩壓、穩流及限流性能,技術參數滿足有關標准的要求,各種功能可以自動或手動切換,運行安全、靈活等。
  設計選型中應注意以下問題:
  (1) 浮充电压对于阀控式密封铅酸蓄电池宜选择2.23V,这是一个直流系统长期可靠运行和关系蓄电池寿命的重要问题。蓄电池的浮充电压正确选择是一个较复杂的问题。浮充电压应满足补偿电池自放电电流及维持氧循环的需要,实际上还应考虑电池结构、正极板栅腐蚀速度,电池内气体排放,以及直流系统母线电压为105%UN的要求等。浮充电压偏低则浮充电流不能维持蓄电池氧循环和补偿电池自放电而使蓄电池端电压形成偏差。浮充电压过高则加剧正极板腐蚀速度、排气、失水的后果。对阀控式蓄电池,不允许过充和欠充的要求较高,故应根据蓄电池的特性,选择合适的浮充电压。
  (2) 稳压、稳流及限流特性。为了保证蓄电池能够运行在最佳状态和应用两阶段定电流恒电压的充电方法。为了保证直流母线运行电压和防止落后电池的产生,浮充电时的稳压特性十分重要。充电时的稳流特性也十分重要,在供电电压逐步上升时可保持稳定电流,保证电池的正常电化学反应,并顺利进入到恒压的均衡充电阶段,达到改善电池特性参数或解决个别落后电池容量恢复的问题。限流特性可防止在负荷突增时,整流器产生“抢负荷”和“超调”现象而轻易跳闸。稳压、稳流及限流特性参数指标应满足表1的要求。
   表1 稳压、稳流及限流特性参数指标

  3 直流电源监控装置
   由于发电厂、变电所及电力调度部门均采用了计算机监测、监控技术。直流电源系统是电力工程中电气系统的一个组成部分。它对保证电力系统自动化装置的应用和可靠性起到重要作用。它的技术条件、基本参数、基本功能、安全性能、结构工艺等均应满足DL/T 856—2003《电力用直流电源监控装置》电力行业标准的要求,行业标准规定监控的主要内容有充电电压、电流稳定运行的自动调整,浮充转均充或均充转浮充的按运行方式自动转换,主要直流断路器的运行状态和事故报警,直流母线电压的正常显示和异常报警,直流系统绝缘状态监测,蓄电池在线检测,逆变放电的自动调整等。目前在充电电压、电流随温度变化的自动调整,运行中自动转换充电方式,逆变放电,严重接地自动跳闸,蓄电池在线检测的可靠性和智能化方面仍需努力。
  4 直流配电系统
   直流系統接線、網絡設計、操作和保護電器選擇是影響直流電源可靠性的主要問題。
  4.1直流系統接線
   直流系統接線應力求簡單、安全可靠、維護操作方便。1組蓄電池接線可爲單母線分段或單母線。2組蓄電池設兩段母線,兩段母線之間設聯絡電器,一般爲隔離開關,必要時可裝設保護電器。總之直流母線接1組蓄電池和相應的充電設備,同時由母線饋出線路給支路負荷供電,只有在由雙重化直流負荷或1組蓄電池配2套充電設備時,其母線才進行分段。
   目前有少數電廠和變電所仍有帶端電池的雙母線或是設降壓裝置的控制和合閘母線系統,帶端電池的雙母線系統雖然能夠使蓄電池容量得到充分利用,但接線複雜及端電池維護困難運行操作不靈活,已基本不采用了。設降壓裝置的控制母線,合閘母線分設的接線方式對采用镉鎳蓄電池的系統是必不可少的,因爲镉鎳蓄電池單體電壓爲1.2V,220V系統選用180個左右蓄電池,浮充電壓爲1.36~1.39V,均衡充電壓爲1.47~1.48V,事故放電末期電壓爲1.10V,則直流母線電壓會在266~198V之間波動。不可能滿足控制負荷的要求,因此小容量的蓄電池要滿足大電流電流合閘機構,也應設合閘母線。但是對于采用閥控密封鉛酸蓄電池的直流系統是不需要的。
  4.2網絡設計
   直流供電網絡宜采用輻射供電方式。小容量(200Ah以下)蓄電池直流系統,由于供電範圍小,可以是在蓄電池接入直流母線後直接給負荷分別供電的兩級網絡系統。中大容量(200Ah以上)的蓄電池直流系統,由于供電範圍大,可以在負荷集中處設直流分電櫃,由直流分電櫃給負荷供電,包括大負荷的再分配,也只形成3~4級的網絡系統。
   幅射供電網絡,對負荷施行單一供電,因而互不影響,分電櫃方式也節省了電纜,另外給查找接地、保護設備選擇方面均帶來方便。
  4.3操作保護電器選擇
   直流斷路器集操作與保護功能爲一體,安裝方便,操作靈活,穩定性高,保護功能完善。一般兩段式保護的直流斷路器,具有過載長延時的熱脫扣功能,又有短路時電磁脫扣瞬動脫扣功能,應該說是理想的選擇。但是直流斷路器的額定電流選擇是根據所供電的負荷電流計算確定。選擇大了,由于負荷電流小,在過載時(I2t)熱脫扣延長了時間。選擇小了,由于負荷電流大,長時間運行加上環境溫度高,熱脫扣可能誤動。當斷路器的額定電流已經確定後,除了過載長延時熱脫扣的保護特性已經形成,同時短路瞬時電磁脫扣特性也已形成,一般是10IN±20%動作,可是斷路器安裝處的短路電流決定短路瞬時脫扣的靈敏度,必須進行計算驗證。
   直流斷路器安裝處的短路電流及靈敏度計算公式如下
   Idk=nU0/n(r0+rl)+Σrj+Σrk
   Kl=Idk/Idz
   式中,Idk爲斷路器安裝處短路電流,A;U0爲蓄電池開路電壓,V;rb爲蓄電池內阻,Ω;rl爲電池間連接條或導體電阻,Ω;Σrj爲蓄電池組至斷路器安裝處連接電纜或導體電阻之和,Ω;Σrk爲相關斷路器觸頭電阻之和,Ω;Kl爲靈敏系數,應不低于1.25;Idz爲斷路器瞬時保護(脫扣器)動作電流,A。
   由于參數複雜,各設計院、成套廠或運行單位均不可能精確計算短路電流,因此靈敏度也無法校驗。
   由于短路電流的不確定性,本來按照負荷電流選擇額定電流並考慮了上下級的級差配合,但是短路瞬動保護不能保證其級差配合,短路電流大,肯定會出現越級現象而擴大事故範圍,這是必須要解決的問題。一些單位用取消瞬動脫扣器辦法或在蓄電池出口改用熔斷器的辦法,計算和試驗證明,仍然會發生越級和損壞設備的情況。在智能型直流斷路器沒有出現之前,采用三段(過載長延時+短路瞬時+短路短延時)的直流斷路器,從負荷側向電源側逐級加大時限的方法,不必精確的計算短路電流,可以達到盡快的切除故障,又實現級差配合的要求,不拒動、不誤動,更不可能越級跳閘。
  5 结论
   電力工程直流電源可靠性的基本點是選擇閥控式密封鉛酸蓄電池,每組蓄電池應有獨立的供電範圍,蓄電池組個數的選擇應滿足各種運行工程對直流母線電壓的要求,蓄電池應考慮放電設備。整流器選擇高頻開關型或晶閘管型,應有冗余或備用,技術指標主要是滿足蓄電池使用壽命需要。直流電源監控裝置首先要保證充電整流器的需要,完善的監控裝置仍需開發研制。直流配電系統應簡化接線,輻射供電,保護設備應選擇直流斷路器,在滿足過載保護可靠性的條件下,還能保證短路保護時的快速斷開功能,必須具備可靠的級差配合。