直流不停電電源原理

概述

發電站和變電所中，為控制、信號、保護、自動裝置以及某些執行機構宮殿的直流電源系統，要求可靠，即在正常情況下和事故情況下應保證直流電源不間斷供電。

蓄電池

蓄電池組構成的直流不停電電源，具有很高的可靠性，整個蓄電池組故障的可能性極小。因為蓄電池組的故障，總是首先在個別電池中發生，而且其發展過程緩慢，易於即時發現和消除，以延長蓄電池組整體壽命。

目前在變電所中所使用的蓄電池種類很多，常用鉛酸閥控式密封電池或防酸式鉛酸蓄電池和高倍率鎘鎳電池。

閥控式密封鉛酸蓄電池：90年代發展起來的鉛酸蓄電池，因具有密封結構，無酸霧排出，運行維護工作量小，克服了防酸式鉛酸蓄電池的缺點，具有單節電壓高、成本低、壽命長、放電特性好、技術指標先進、安裝方便、安全可靠、維護簡單和占地面積小凳優點，在電力系統中得到了廣泛的應用。

防酸式鉛酸蓄電池使用歷史較長，這類電池運行中可以加液，便於監視、壽命較長、價格較低，但體積大，運行中產生氫氣，且伴隨著酸霧，對環境污染較大，維護複雜。在大、中型發電廠，220kV及以上變電站和直流輸電換流站中，一般採用有人值班方式，容許合理的安排場地，所以推薦採用防酸式鉛酸蓄電池。

在80年代初開始廣泛應用高倍率鎘鎳鹼性蓄電池，由於單節電池電壓1.2V，構成直流系統時需電池數量較多，維護相對複雜。同時，其具有放電特性陡、降幅大、終止電壓低、成本較高、存在較強的記憶效應和熱降容效應等缺點。

鎘鎳鹼性蓄電池的優勢在於瞬間大電流放電性能，例如高倍率電池，要保持1.1V/個的終止電壓，初始以300ms放電時電流可達10C5～12C5 。對於110kV及以下的小型變電所的直流電源由於經常負荷和事故持續放電電流均較小，若具有電磁合閘線圈需要承受較大的衝擊電流，則選擇小容量鎘鎳鹼性電池即可滿足上述要求。

蓄電池的選取

大型和中型發電廠、220kV級以上變電所和直流輸電換流站宜採用防酸式鉛酸蓄電池或閥控式密封鉛酸蓄電池。

小型發電廠及110kV變電所宜採用閥控式密封鉛酸蓄電池、防酸式鉛酸蓄電池或，也可採用中倍率鎘鎳鹼性蓄電池。

35kV及以下變電所和發電廠輔助車間宜採用閥控式密封鉛酸蓄電池，也可採用高倍率鎘鎳鹼性蓄電池。

蓄電池的組數

對於發電廠，當機組台數為三台及以上，且總容量為100MW及以上時，宜裝設兩組蓄電池；其他情況下可裝設一組蓄電池。

對於110kV及以下變電所宜裝設一組蓄電池，重要的110kV變電所也可裝設兩組蓄電池，當一組蓄電池進行充放電試驗時，另一組蓄電池投入運行，以保證直流系統不間斷供電。

負荷的分類

按功能分類

控制負荷：包括電氣和熱工的控制、信號裝置和繼電保護、自動裝置以及儀器儀錶等小容量負荷，在變電站中數量多、範圍廣，但容量小。

動力負荷：包括直流潤滑油泵電動機、氫密封油泵電動機、電磁操作的斷路器合閘機構、交流不間斷電源裝置、遠動和通信裝置電源、直流照明等大功率的負荷。其容量較大，對蓄電池容量及設備選擇起著決定作用。變電站中，主要是電磁操作機構和直流照明電源。

按性質分類

經常負荷：要求直流電源在各種工況下均應可靠供電的負荷。主要包括經常帶電的繼電器、信號燈、位置指示器及直流長明燈或其他常接入直流系統中的用電設備，一般可取1～2kW。

事故負荷：要求直流電源在交流電源事故停電時間內可靠供電的負荷，並應按事故初期負荷和事故持續負荷以及隨機負荷分類。主要包括事故照明負荷、直流油泵電動機、不間斷電源、遠動、通信備用電源、信號和機電保護裝置等。

衝擊負荷：指極短的時間內施加的很大的負荷電流，出現在事故初期（1min）稱為初期衝擊負荷，此後稱為隨機符合。主要包括直流油泵的啟動電流和斷路器的合閘電流等。

系統電壓等級

專供動力負荷的直流系統宜採用220V。

專供控制負荷的直流系統宜採用110V。

控制負荷和動力負荷聯合供電的直流系統採用220V或110V。

當採用弱電控制或弱電信號接線時，採用48V及以下的電壓。

採用220V系統，可以減小電纜、導線的截面積，節省有色金屬。僅作控制、保護、信號用的直流操作電源電壓，也可以採用110V系統。採用110V優點是可以減小蓄電池個數和蓄電池室面積，從而簡化安裝和維護工作，還可以降低直流系統絕緣水準，減小中間繼電器斷線和接地故障幾率，對二次設備的安全運行有利。但是由於電壓降低，電纜截面積需要增加大約4倍，提高了初期投資的規模。

充電裝置

目前充電裝置主要有高頻開關型充電裝置和晶閘管型充電裝置兩種類型。高頻開關型充電裝置，單塊額定電流通常為5～40A，該裝置體積小，品質輕，效率高，使用維護方便，可靠性高，技術性能指標先進，自動化水準高，因此應用廣泛。晶閘管型充電裝置接線簡單，輸出功率較大，價格較便宜，技術性能滿足直流系統要求，應用也較普遍。

充電方式

均衡充電是為了消除各蓄電池在使用過程中產生密度、端電壓等不均衡現象，出現落後電池甚至反極性電池而進行的過充電措施。一般採用先恒流限壓，再恒壓限流的充電方式。

對於長期處於浮充運行的蓄電池通常一個季度需進行一次均衡充電，對於經過事故放電後的電池也將進行均衡充電。

浮充充電時，充電電源一方面向直流負荷供電，一方面向蓄電池進行小電流補充電，以彌補電池自放電損耗。閥控密封式鉛酸電池的浮充電流極小，大概為1%I10。

對閥控密封式鉛酸電池需進行以25℃為基礎，每2V電池-3mV/℃的浮充電壓溫度補償可有效抑制閥控密封式鉛酸電池的“熱失控”效應。

對於閥控式密封電池以外的新出廠的電池，均需要進行初充電，以保證電池的電解密度和活性物質充分轉化。電池廠家會附帶一份電池初充電的設定值，充電方式仍然是採用均衡充電的先恒流限壓，後恒壓限流的方式，只是整定值不同。我司會派遣專業調試人員到現場針對防酸式鉛酸蓄電池及鎘鎳蓄電池進行調配電解液及初充電操作，通常初充電後需要進行深度放電，並可能伴隨多個充放電的迴圈操作。

另外，為了避免“熱失控”效應，也要關注電池電壓的分散性，一組電池在充電過程中任何兩個電池之間端電壓差小於規定值。對於2V單節的鉛酸閥控式密封電池，在2.25V的浮充電壓下，端電壓中最大與最小的差值需小於50mV。對於12V單節電池，則為300mV，依此類推。

母線電壓允許變動範圍

為了保證電力系統安全和可靠，直流系統在任何情況下，直流母線允許的電壓變動範圍為：

專供控制負荷的直流系統：（85%～110%）Un。

專供動力負荷的直流系統：（87.5%～112.5%）Un。

動力、控制負荷聯合供電的直流系統：（87.5%～110%）Un。

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