发电厂及变电站二次回路第4章操作

1、第4章 操作电源教学目的：掌握操作电源概述、蓄电池组直流操作直流、硅整流电容储能装置直流系统、复式整流装置直流系统、直流系统的绝缘监察与电压监察装置复习旧课：电流互感器、电压互感器的结构原理、特点、接线方式及准确级；重 点：掌握操作电源概述、蓄电池组直流操作直流、硅整流电容储能装置直流系统、复式整流装置直流系统、直流系统的绝缘监察与电压监察装置；难 点：掌握操作电源概述、蓄电池组直流操作直流、硅整流电容储能装置直流系统、复式整流装置直流系统、直流系统的绝缘监察与电压监察装置；引入新课：第一节 概述发电厂及变电所中各种电气设备的操作、控制、保护、信号及自动装置，都需要有可靠的供电电源，由于这种电

2、源特别重要，所以一般都专门设置，通常又称其为操作电源。大中型发电厂及变电所主要采用直流操作电源。一、对操作电源的基本要求对操作电源的基本要求是：（1）应保证供电的可靠性：最好装设独立的直流操作电源，以免交流系统故障而影响操作电源的正常供电。（2）具备足够的容量：满足全厂（所）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）满足经济和实用的要求：要求其使用寿命长、维护工作量小、

3、投资省、占地面积小、噪声干扰小等。二、操作电源的种类直流操作电源（以下简称直流电源）又分为独立电源和非独立电源两种。所谓独立电源是指不受外界影响的固定电源，如蓄电池组直流电源；非独立电源有复式整流和硅整流电容储能直流操作电源等。其电压等级分为220V、110V、48V、24V等。1蓄电池直流电源系统蓄电池是一种可多次充电使用的化学电源，由多节蓄电池组成一定电压的蓄电池组，作为与电力系统运行状态无关的独立可靠的直流操作电源，即使发电厂或变电所交流系统全部停电，仍能在一段时间内可靠地给部分重要设备供电，是最稳定、最可靠的直流电源。2电源变换式直流电源系统电源变换式直流电源系统，是由220V交流电源

4、经可控整流变为48V直流电源，供全厂48V操作用电并对蓄电池进行浮充电；同时可经逆变装置将直流电源变为交流电源，再整流为220V直流电源的多功能新型独立电源，在中、小型变电所中得到广泛应用。3复式整流直流电源系统 在正常运行状态下，由厂用变压器经整流取得直流220V电源；在事故状态下，由电流互感器的二次短路电流，通过铁磁谐振稳压器变为交流电压，、经整流作为事故电源，供保护装置、断路器跳闸等重要负荷在紧急状况下使用。复式整流直流电源依靠系统的交流电源，属非独立的直流电源。4硅整流电容储能直流电源系统硅整流电容储能直流电源由硅整流设备和电容器组组成。在正常运行时，厂用交流电源经硅整流设备变为直流电

5、源，作为全厂的操作电源并向电容器充电。在事故情况下，将电容器储存的电能向重要负荷（继电保护、自动装置和断路器跳闸回路）放（供）电，以确保继电保护及断路器可靠动作。三、直流负载的分类发电厂及变电站的直流负载，按其用电特性的不同分为经常负载、事故负载和冲击负载三类。1经常负载经常负载指在所有运行状态下由直流电源不间断供电的负载。它包括：（1）经常带电的直流继电器、信号灯、位置指示器；（2）经常点亮的直流照明灯；（3）经常投入运行的逆变电源等。一般来说，经常负载在总的直流负载中所占的比重是比较小的。2事故负载事故负载指正常运行由交流电源供电，当厂（站）自用交流电源消失后由直流电源供电的负载。它一般包

6、括有：事故照明、汽机润滑油泵、发电机氢冷密封油泵及载波通讯备用电源等。3冲击负载冲击负载是指直流电源承受的短时最大电流，它包括断路器合闸时的冲击电流和当时所承受的其它负载电流（经常负载与事故负载）。上述三种负载是选择直流电源的主要依据。第二节蓄电池组直流电源系统蓄电池组直流电源系统是电力系统首选的独立操作电源系统，它电压平稳、容量大、供电可靠，适用于各种直流负荷。虽然蓄电池还具有价格贵等缺点，但目前大中型发电厂中仍广泛采用蓄电池组直流电源系统。一、蓄电池概述1蓄电池的分类按电极材料和电解液的不同，蓄电池可分为酸性蓄电池和碱性蓄电池两种。（1）酸性蓄电池。传统的老式蓄电池都是酸性蓄电池，其电解液

7、是2737的硫酸水溶液，电极是以二氧化铅（PbO2）为正极板和铅（Pb）为负极板的特制绒状铅板，所以又称为铅酸蓄电池。此种蓄电池容量大、冲击放电电流大、端电压也相对较高（2.15V）；但其寿命较短（一般为810年）、占地面积大、充电时会逸出有害的硫酸气体、维护工作量大。近几年，一种新型免维护的铅酸蓄电池开始用于发电厂。这种新型铅酸蓄电池保留了原有铅酸蓄电池容量大的优点，其放电过程的化学反应也不变（充电后期正极板析出氧气，负极板析出氢气）。由于其中采用了无锑合金，提高了负极析氢过电位，抑制了氢气的析出；采用特制安全阀，使电池保持一定内压；采用超细玻璃纤维隔板，并在隔板中预留气体通道，使正极产生的

8、氧气沿气道传递至负极，在负极析氢前发生化学反应生成水，实现氧氢循环复合，达到氢体内部自我吸收，可以实现蓄电池密封，不需维护。因此，这种新型蓄电池在电力系统中正逐步扩大其应用范围。（2）碱性蓄电池。镉镍碱性蓄电池是近20年发展起来的高可靠、免维护型新产品。其电解液是20的氢氧化钾（KOH）水溶液，电极用氢氧化镍Ni（0H）3作正极，用镉（Cd）作负极时叫镉镍蓄电池，用铁（Fe）作负极时叫铁镍蓄电池。此种蓄电池体积小、容量大、使用寿命长（可达20年左右），端电压为1.35V，无有害气体污染。在发电厂和变电所中已有广泛应用。2蓄电池的容量及放电率蓄电池的容量（Q）)是蓄电池蓄电能力的重要标志。容量Q

9、是指定的放电条件（温度放电电流、终止电压）下所放出的电量称为蓄电池的容量，单位用Ah（安培小时）表示。蓄电池放电至终止电压的时间称放电率，单位为h（小时）率。蓄电池的容量一般分为额定容量和实际容量两种。额定容量是指充足电的蓄电池在25时，以10h放电率放出的电能。QN=IN·tN式中 QN 蓄电池的额定容量，A·h； IN 额定放电电流，即10小时率的放电电流，A； tN 放电至终止电压的时间，一般为10h。蓄电池的实际容量与极板的面积、电解液的密度、放电电流的大小、充电程度及环境温度等有关，因此实际容量为Q=I·t式中 Q 蓄电池的容量，A·h； I

10、非10小时率的放电电流，A； t 放电时间，h。若电池的放电率是指放电至终止电压的快慢。采用不同的放电率，其蓄电池的容量是不同的，铅酸蓄电池规定以10h放电率为标准放电率。当以10h放电率放电到终止电压的容量约是以1h放电率放电到终止电压时容量的2倍。例如：额定容量为216A·h的蓄电池，若用电流表示放电率，则为21.6A率，若用时间表示，则为10h率。如果放电电流大于21.6A，则放电时间就小于l0h，而放出的容量就要小于额定容量。假设：若以2h放电率放电，达到终止电压所放出的容量只有额定容量的60，即130A·h左右，这是因为极板的有效物质很快就形成了硫酸铅，它堵塞了极

11、板的细孔，因而细孔深处的有效物质就失去了与电解液进行化学反应的机会，使蓄电池的内阻很快增大，端电压很快降低到终止电压。相反，若放电电流小于21.6A，则放电时间就大于10h，此时放出的容量就允许大于额定容量。蓄电池不允许用过大的电流放电，但是它可以在几秒钟的短时间内承担冲击电流，此电流可以比长期放电电流大得多。因此，可作为电磁型操作机构的合闸电源。每种蓄电池都有其允许的最大放电电流值，其允许的放电时间约为5s。二、蓄电池直流系统的运行方式在发电厂和变电所中，蓄电池直流系统的运行方式有两种，即充电放电运行方式和浮充电运行方式。目前，多数直流系统都采用浮充电运行方式。1充电放电运行方式充电放电运行

12、方式就是将充好电的蓄电池组接在直流母线上对直流负荷供电，同时断开充电装置。当蓄电池放电到其容量的7580时，为保证直流供电系统的可靠性，即自行停止放电，准备充电，改由已充好电的另一组蓄电池供电。2浮充电运行方式浮充电运行方式就是将充好电的蓄电池组与浮充电整流器并联工作，平时由整流器供给直流负荷用电，并以不大的电流向蓄电池组浮充电（以补充电池因有漏电而使其电压下降的缺陷），使蓄电池处于满充电状态。浮充电运行的蓄电池组能承担短时冲击负荷（如断路器合闸电流）和事故负荷。三、浮充电运行方式直流系统接线分析图41是浮充电运行方式直流系统接线图。图示为双直流母线系统，浮充电设备采用两套（U1和U2），共用

13、一组220V蓄电池组GB，经开关QK1和QK2可以切换至任一组母线上；闪光装置和电压监察装置、信号装置每组母线各设一套，而绝缘监察装置共用一套。蓄电池组GB左端为基本电池，额定电压为220V，每个电池为2.15V，所以由102个蓄电池串联组成；其右端为可调节接入蓄电池个数的端电池组，可通过调整器任意接入或退出部分电池，以保持直流母线的电压在220V。现将浮充电直流系统的工作原理简析如下。1充电器U1对母线I供电并对蓄电池浮充电（1）U1输出220V直流电压，向整组蓄电池组GB充电时，刀开关QK3投向右侧，触点23、56接通，QK1接通。U1的正极经QK3的23正母线QK1的12至GB的正极，U

14、1的负极经QK3的56m点至端电池的负级，实现对GB整组电池充电。（2）U1对母线I供电并对GB浮充电时，刀开关QK3的12通，54通，对I母线上直流负荷供电，同时经QK1向GB的基本电池组浮充电。PV2和PA3是监视U1的输出电压、电流的。图41浮充电运行方式直流系统接线图2充电器U2对母线II供电并对蓄电池GB浮充电 （1）U2输出220V直流电压，向整组蓄电池充电时，刀开关QK4投向右侧，其触点23、56接通，U2的正极经QK4的23触点II母线的十QK2的12至GB的正极；U2的负极经 QK4的56m点至GB端电池的负极，实现对整组蓄电池充电。（2）U2向II母线供电并对GB基本电池浮

15、充电时，QK4投向左侧，其21、54触点接通，对B母线上直流负荷供电，同时经QK2向GB的基本电池组浮充电。PV3和PA4是监视U2的输出电压和电流的。3蓄电池组的监视和保护蓄电池组回路装有两组开关QK1、QK2，熔断器，两只电流表PA1、PA2，电压表PV1。回路中各熔断器作为短路保护；电流表PA1为双向5A05A式，用以测量充电和放电电流；电流表PA2正常时被短接，当需测量浮充电电流时，可利用按钮SB使接触器KM的动断触点断开后测读。电压表PV1用来监视蓄电地组的电压。蓄电池按浮充电方式运行，相对充电放电方式而言大大减少了充电次数。除由于交流系统或浮充电整流器U2发生故障，蓄电池转入放电状

16、态运行后，需要进行正常充电外，平时每个月只进行一次充电，每三个月进行次核对性放电，放出额定容量的5060，终期电压达到1.9V为止；或进行全容量放电，放电至终止电压(1.751.8V)为止。放电完了，应进行一次均衡充电(或称过充电)，这是为了避免由于浮充电流控制的不准确，造成硫酸铅沉淀在极板上，影响蓄电池的输出容量和降低其使用寿命。简介：端电流调整器蓄电池组GB是由不参加调节的基本（固定）蓄电池(n0)和参加调节的端电池(n)两部分组成。采用端电池的目的是为了调节蓄电池的接入数目，以保证母线电压稳定。端电池通过端电池调整器进行调节，端电池调整器的工作原理如图所示。端电流调整器构造图端电池调整器

17、接线示意图图中有一排相互绝缘的固定金属片1，它分别连接到端电池的端子上。放电手柄1P和充电子柄2P，分别带动两个可动触头2和4，以免在调整过程中，当可动触头由一个金属片移至另一个金属片时，造成回路开路（即在调整过程中，先使触头2和4跨接在相邻的两个金属片上，并通过电阻3连接，然后再断开触头2，完成一次调节）。端电池调控器可以手动控制，也可以用电动机远方控制，一般采用电动机远方控制。第三节整流操作的直流电源系统整流操作的直流电源系统是利用发电厂（变电所）用变压器（或电压互感器）来的电压源和由被保护装置的电流互感器来的电流源，经稳压整流后构成的直流电源。整流操作电源可分为两种类型：一种是由上述电压

18、源整流装置上附加以电容储能装置的整流电源；另一种是利用上述电压源和电流互感器来的电流源经整流后的复式整流装置，下面作一介绍。一、硅整流电容储能的直流电源系统图42是目前国内使用较多的硅整流电容储能的直流电源系统接线图。由图可见，电源有两组硅整流装置U1、U2，两组储能电容器组CI、CII，直流母线分为两段，构造简单，体积小。运行经验证明，此种直流装置工作也很可靠，所以下面重点介绍这种整流电源。1整流器及直流母线整流器U1采用三相桥式整流，容量大，接于I母线，供断路器合闸用，也兼向II母线供电；U2容量较小，仅用作向控制和保护及信号回路供电，变压器T1、T2分别向整流器U1、U2提供交流电源。两

19、组硅整流装置分别与直流母线I和II相连接，其间用电阻R1和二极管V3隔开。V3的作用相当于逆止阀，即只容许合闸母线I向控制母线II供电，而不能反向供电，以确保控制和保护及信号系统供电的可靠性。电阻Rl用以限制控制母线II侧发生短路时流过V3的电流不会过大，起保护V3的作用。2储能电容器组CI和CII为两组储能电容器组，又称为补偿电容器组。电容器组所储存的能量，仅在事故情况下向保护和跳闸回路放电，作为事故电源。二极管V1、V2的作用是防止事故时电容器向母线上其他回路（如信号灯等）放电。设两组电容器组，是为一组供给10kV线路的继电保护和跳闸回路放电，另一组供给主变压器和电源进线的继电保护和跳闸回

20、路用电。这样，当10kV出线上发生故障，继电保护动作，而断路器操作机构失灵而不能跳闸（此时由于跳闸线圈长时间通电，已将电容器组CI的储能耗尽）时，使起后备保护作用的主变压器过流保护仍可利用CII的储能将故障切除。 3保护和信号图42整流器U1、U2输出端的熔断器FU1、FU2为快速熔断器，起短路保护作用。U2输出端的电阻R起保护U2的作用（限流）。电压继电器KV监视U2的端电压，当U2输出电压降低或消失时，KV返回，其动断触点闭合，发出预告信号。V4为隔离二极管，防止在U2的输出电压消失后。由U1向KV供电，误发信号。二、复式整流的直流系统图43图43是复式整流的直流系统框图。正常运行时由厂（

21、所）用变压器T或电压互感器TV供电，事故情况下由事故设备的电流互感器TA供给短路电流，经整流后作为操作电源。对其分析如下。（1）电压源（I）。复式整流装置的电压源一般由两条独立的回路供电，可分别取自变电所用变压器和外接高压系统电源的变压器（参见图44）在正常运行和非对称短路时，电压源的电压为额定值，基本保持恒定；而在母线或馈线发生三相短路故障时，电压源电压严重降低甚至消失。（2）电流源（II）。复式整流系统的电流源是事故情况下由电流互感器供给的短路电流。在正常运行时电流源无输出，但在发生三相短路时，TA有一个大的短路电流发生，其功率比电容储能式要大，经整流后可输出较大的直流电流作为事故电源。（

22、3）稳压器。短路电流变化范围较大，因此电流源必须设置稳压装置，才能获得比较平稳的直流电压。一般采用并联铁磁谐振饱和稳压器V稳压，其中将电容C与电感L构成谐振回路，起到滤波和改善电压波形的作用。图44所用电源变压器的一种接线方式（4）阻容吸收装置。由于回路中电感元件的作用，交流电本身也有过电压作用于硅元件上，为了防止硅元件因过电压而击穿损坏，故装设由电阻R和电容C串联组成的阻容吸收装置。由于电容C上的电压不能突变，延缓了过电压的上升速度，同时短路掉一部分高次谐波电压分量，使硅整流元件上出现的过电压不会在短时间内增至很大；电阻可限制电容器放电电流值和防止电容、电感发生振荡。三、整流操作直流电源系统

23、的交流电源在中小型发电厂和变电所中，常采用整流操作的直流电源，但必须有十分可靠的交流电源，下面以35kV变电所所用电源为例进行分析。图44为所用电源变压器的一种接线方式，两台互为备用的所用变压器，一台接在10kV母线上，而另一台则接在电源进线断路器的外侧（高压线路上）。1号所用变压器T1为35kV0.4kV，Y，d11接线；2号所用变压器T2为 10kV0.4kV，Y，yn0接线；两台所用变压器的二次侧电压有30º的相位差，所以不能并列运行，而只能一台运行，另一台备用。 图45变电所备用电源自动投入装置接线图图45上为变电所备用电源自动投入装置接线图，其1号变压器T1为正常工作变压器

24、，2号变压器T2为备用变压器。（1）正常工作时：中间继电器KC带电，其动断触点断开交流接触器KM2的线圈回路，其动合触点接通交流接触器KM1的线圈回路，使KM1处于合闸状态，其主触头闭合，由1号变压器供电。（2）当1号所用变压器T1发生故障，其低压侧失去电压，KC继电器失去电源，其动合触点返回，切断KM1线圈回路，使KM1的动断触点闭合；同时继电器KC的动断触点闭合，接通KM2线圈回路，KM2的主触头闭合，使2号所用变压器自动投入工作。正常运行时用1号所用变压器T1供电，是因为当在10kV引出线上发生短路时，所用电母线上有较高的残余电压。第四节直流绝缘监察装置和闪光装置一、绝缘监察装置图46两

25、点接地引起的不正确动作发电厂和变电站直流供电网络分布范围较广，而且工作环境又比较恶劣，所以直流系统的绝缘容易降低。根据电气设备交接和预防性试验标准规定，当使用5001000V的兆欧表测量时，直流母线在断开其它所有关联支路时不应小于10M；二次回路每一支路和断路器、隔离开关操作机构的电源回路不应小于1或0.5M。直流系统绝缘降低，相当于直流系统的某一点经一定的电阻接地。直流系统发生一点接地时，没有短路电流流过，熔断器不会熔断，仍能继续运行。但是，这种接地故障必须及早发现并处理，否则可能引起信号回路、控制回路、继电保护及自动装置回路不正确动作。例如在图46所示的控制回路中，当正极A点接地后，又在B

26、点发生接地时，断路器跳闸线圈YT中就有电流流过，这将引起断路器误跳闸；当负极E点接地后，又在B点发生接地的情况下，当保护动作（即触点K闭合）时，由于跳闸线圈YT被两个接地点（E和B）短接，则断路器拒绝动作且熔断器熔断。可见，在直流系统中，装设绝缘监察装置，以及时发现接地点和绝缘降低的情况是十分必要的。在发电厂和变电所中常用一种简化的绝缘监察装置，其接线如图47所示。它由直流绝缘监察继电器 KV1、转换开关SM和电压表PV等组成。按照其功能又可分为信号部分和测量部分。1信号部分图47的右部为绝缘监察装置的信号部分，由绝缘监察继电器KV1及信号（音响和光字牌HL）组成，R、R分别为假设的正、负母线

27、对地绝缘电阻，用虚线相连接。R1、R2及R、R组成电桥接线。KV1中的R1、R2的数值要求相等（通常选R1R21000），KD为高灵敏度干簧管继电器，KC为中间继电器。正常情况下，正、负母线对地绝缘电阻R、R相等，继电器KD线圈中只有微小的不平衡电流流过，继电器不动作。当有一母线对地绝缘下降时，由于RR，所以电桥失去平衡，继电器KD线圈中有一定量的电流流过，当此电流达到其动作值时，继电器KV1动作：KD启动，其动合触点闭合启动KC继电器，KC的动合触点闭合，发出“母线对地绝缘电阻下降”的信号（但不能分清是正母线还是负母线绝缘电阻下降）。2测量部分图47简化的绝缘监察装置接线图在图47的左半部画

28、出了由转换开关SM和电压表PV组成的测量部分。当有母线对地绝缘降低时，信号部分先发出“母线绝缘降低”的音响和光字牌信号，值班人员将SM开关依次打至“十母线对地电压”和“一母线对地电压”，则SM的21、45接通和58、1一4接通，分别测出十母线对地的电压值和一母线对地的电压值，电压值低者即绝缘有损坏。然后根据已知的电压表内阻RV及直流母线工作电压U，用计算的方法求出正、负极母线的对地绝缘电阻。3对继电器KD的要求在图47中有一个人工接地点，是为测量母线对地电压用的。但这样当直流回路中再有任一个短路接地点时，将会形成短路回路。为防止在直流回路中由此短路电流引起其他继电器发生误动作，则继电器KD的线

29、圈必须具有足够大的电阻值，一般对220V直流系统选用RKD30k的线圈，其启动电流为1.4mA。于是，为防止继电器发生误动作，回路中的其他继电器线圈的启动电流都应大于1.4mA。所以，在220V直流系统中，当任一母线的绝缘电阻下降至1520k时，绝缘监察继电器便会立即发出信号。4绝缘监察装置存在的问题直流绝缘监察装置虽然在发电厂和变电所中广为应用，但由于它采用电桥平衡原理，所以在正、负母线绝缘电阻均等下降时，却不能发出预告信号。二、直流母线的电压监察装置图47直流母线电压监察装置接线图直流母线的电压必须保持在规定的范围内，以保证控制装置、信号装置、继电保护和自动装置可靠动作和正常运行。否则，若直流母线上电压过高，则对长期带电的设备，如继电器、信号灯等造成损坏或缩短其使用寿命；若直流母线电压过低，则可能导致继电保护装置和断路器操动机构拒绝动作。通