直流电源系统的运行及维护课件

高频开关直流电源系统

运行及维护山东鲁能智能技术有限公司SHANDONGLUNENGINTELLIGENCETECHNOLOGYCO.,LTD.2009-8-04一、直流电源系统概述1、直流电源系统的重要作用：直流电源设备是电力系统发电厂、变（配）电站重要的控制、信号、动力电源，它在电力系统的安全运行中起着重要的作用。随着变电站自动化程度的不断提高，许多重要的数据都要求即时安全可靠的处理和存储；各种用电设备（包括继电保护及自动装置、断路器分合闸、载波通信、事故照明等）的工作都离不开可靠的直流电源。在系统发生故障，站用电中断的情况下，如果直流电源系统不能可靠的为工作设备提供直流工作电源，将会产生不可估计的损失。因此，有人把直流设备比喻为变电站的心脏。2、我国电源技术的发展我国电源技术的发展起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件，其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件，表明传统电源技术已经进入现代电力电子时代。

硅整流时代：在六十年代和七十年代，大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了一股各地大办硅整流器厂的热潮，目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。

逆变器时代：七十年代出现了世界范围的能源危机，交流电机变频惆速因节能效果显著而迅速发展。在七十年代到八十年代，随着变频调速装置的普及，大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。变频器时代

进入八十年代，大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合，出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世，导致了中小功率电源向高频化发展，而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现，又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。

MOSFET和IGBT的相继问世，是传统的电源向现代电力电子转化的标志。据统计，到1995年底，功率MOSFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步，而用IGBT代替GTR在电力电子领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率，使其性能更加完善可靠，而且使现代电子技术不断向高频化发展，为用电设备的高效节材节能，实现小型轻量化，机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。二、直流电源设备的选择及配置直流系统电压等级的选择：

国内发电厂及变电站较广泛采用220V和110V两种电压等级。大中型变电站采用220V或110V，而小型无人值守变电站多采用110V。220V和110V在技术、经济上各有优劣，应根据具体情况通过比较确定。

变电站直流电源系统的安全运行，离不开运行及检修人员平时对直流设备的巡视检查、运行维护、缺陷及异常处理等日常工作。但首先取决于前期的方案设计、设备选型、设备配置、方案优化等工作。下面介绍几个关键点：110V控制回路电缆截面较220V大。特别在大型发电厂的变电站，超高压配电装置面积大，距离控制室又远，采用110V直流时控制电缆截面大约是220V的4倍，往往还不能满足要求。这使得选择8mm2

以下控制电缆较困难，有时要选用多根电缆芯并联，给回路监视带来困难，同时还要增加控制电缆投资。因此，宜采用220V系统。48V系统：弱电控制和弱电信号接线系统，如微机监控系统、载波通信等，一般都是功率小，电流也小，所以，宜采用48V及以下电压。高频开关整流模块的配置：

通常我们所说的充电机是由若干个充电模块并联组成，一般都为N+1（N≤6）或N+2（N＞6

）备份冗余方式。为了提高充电装置的运行可靠性，模块总数宜不小于3块。模块配置的原则可按如下公式选择：

N×Ie≥Kk[(1.0~1.25)I10+Ijc]式中N——模块个数

Ie——模块额定电流（220V:5~40A；110V:10~80A）

Ijc——最大经常性负载

Kk——可靠系数，应考虑温度补偿、均充性能及设计裕度等因素。【Kk=Kt×Kd×Ka:式中：Kt——温度补偿系数，取1.10；Kd——设计裕度系数，取1.15；Ka——老化系数，取1.10；Kk=1.10×1.15×1.10=1.39，取1.40.】举例：220V直流，蓄电池300AH，最大经常性负载20A，选用20A模块。模块的配置个数：N=1.40×[1.0×30+20]/20=3.5，4台20A模块即可满足要求，考虑加一个备用模块，模块总数为5个。注：国家电网公司规定：合闸母线与控制母线之间设有降压装置的系统，必须防止降压装置开路造成控制母线失压。我公司的直流系统现有及将来的改进设计方案能够很好的解决这个问题：①专门为控制母线供电的供电模块。当交流电源正常时，降压硅链断路，控制母线电压可以由供电模块提供。但此时正常运行中无法看出降压硅链是否断路损坏；②降压硅链继电器能够实现自动投切。在交流断电由蓄电池供电时出现降压硅链断路现象；或者交流供电正常，但供电模块与降压硅链同时故障的极端情况下，出现降压硅链断路现象；上述两种情况发生时，控制母线会失去电压。我公司直流监控单元IDC-200A在监测到UKM电压为零时，会自动陆续切除降压硅链，通过降压硅链继电器的闭合将合闸母线与控制母线连接，保证控制母线获得直流电压。（见下图）蓄电池组数及容量的选择：蓄电池组数的选择：发电厂（装机容量在100MW及以上）、220kV及以上变电站应满足2组蓄电池、2套高频开关电源或3套相控充电装置的配置要求。110（66）kV变电站应满足1组蓄电池、1套高频开关电源或2套相控充电装置的配置要求；部分重要的110kV变电站可配置2组蓄电池、2套高频开关电源或3套相控充电装置。35kV及以下电压等级的变电站原则上可采用1组蓄电池组供电。用户单位配电所一般装设1组蓄电池。注：由于现在220kV及以上变电站的继电保护等大部分都实行双重化配置。因此，蓄电池也应设置2组，分别对2套保护及跳闸回路供电，以利安全运行。此外，蓄电池装设的组数，不但与变电站的重要性及保护双重化的要求有关，而且与控制方式及自动化水平有关，故在具体工程中，如果采用一些新的控制方式和布置型式时（如分级、分区控制，就地布置保护装置等），蓄电池装设的组数可根据实际情况和技术经济比较确定。蓄电池容量的选择：蓄电池容量选择的基本要求包括以下两点：变电站站用电事故停电时间一般按1h计算，对于远离市区的系统终端无人值守变电站宜按2h计算。蓄电池容量选择计算的条件，应满足变电站事故停电时间内的放电容量要求，应计及事故初期直流电动机起动电流和其它冲击负荷电流，并应计及蓄电池组持续放电时间内的随机负荷电流。蓄电池容量的计算：直流负荷的分类。按用电性质分为二类：一是经常性负荷，约占直流总负荷的5%；二是事故负荷，约占直流总负荷的95%。在蓄电池容量计算中，事故负荷起决定作用。在事故负荷中，可分为事故初期负荷和事故持续负荷。事故初期负荷通常指交流电源消失后蓄电池开始放电的最初1min内的全部负荷；事故持续负荷指各事故放电阶段由蓄电池持续提供的负荷。事故负荷的持续时间，国家规定为1h。蓄电池容量估算：

C10=经常负荷电流*事故停电时间(1~2h)/20%*Kk（1.4~2）

【经常负荷电流X（15~20）】3）各类变电工程直流负荷及蓄电池容量范围序号电压等级（KV）事故放电时间（h）直流系统电压（V）经常负荷电流（A）蓄电池容量范围（Ah）备注110~351.0220(110)3~550

21101.0

2.0220(110)5~1050~100

用于无人值班220(110)5~10100(200)32201.

0

2.0220(110)15~30200~300(300~400)

用于无人值班220(110)15~30300~400(400~500)4330~5001.0220(110)30~50300~500(400~600)

注：括号内蓄电池容量表示110V直流系统。蓄电池组个数的选择：浮充运行时，按直流母线电压1.05UN来确定蓄电池个数。即：

n=1.05UN/Uf式中：Uf——单个蓄电池的浮充电压。阀控蓄电池通常为：2.23~2.27V，一般取2.25V。按上式计算，220V直流系统选用103~104只蓄电池；110V直流系统选用51~52只蓄电池。1、直流系统运行现状分析：

90年代发展起来的阀控密封铅酸蓄电池直流系统，由于安装方便、维护工作量小、不污染环境、可靠性高等一系列优点，近年来在变电站中得到了广泛的应用。但由于该系统在电力系统推广使用的时间较短，没有得到充分重视。不少变电站直流设备检修、运行、安装调试的一线人员对其工作原理、检修维护方法还没有完全掌握，还存在检修维护不到位而造成直流设备不能可靠运行的情况。参考国家电网公司2002~2004年间收集的14各省、市电力公司提供的直流设备调查资料，可以看出现阶段直流电源设备的运行情况还是存在不少问题。出现故障主要是充电设备及蓄电池方面，分别占64.3%和35.7%。三、直流电源系统的运行及维护1）直流设备运行维护中存在的主要问题：生产厂家多、型号杂、产品质量参差不齐，检修维护技术不易掌握。变电站直流设备长期带电运行，操作少，致使部分工作人员在故障处理、运行操作等方面显得技术生疏、不能得心应手。城、农网改造后，新产品、新设备、新技术在电力系统直流设备得到广泛应用，但相应培训工作没跟上，人员的专业素质还跟不上技术发展的步伐。对直流设备的运行维护存在认识上的误区，认为充电设备是全自动的、阀控式密封铅酸蓄电池是免维护的，所以就不加维护。直流设备长期没人检查、没人维护，对直流设备存在的缺陷没有及时发现，从而给整个系统的安全运行留下了隐患。2）蓄电池运行维护中存在的主要问题：阀控密封铅酸蓄电池正常运行时，浮充电压过高或过低。浮充电压设置过低，会造成蓄电池充电不足，使电池极板硫化而缩短电池寿命。浮充电压设置过高，电池将长期处于过充电状态，是电池的隔板、极板等由于电解氧化而遭破坏，造成电池板栅腐蚀加速，活性物质松动，而使电池失效。均充过于频繁，蓄电池过充电。当蓄电池过充时，电池内部生成气体的速率将超过电池吸收气体的速率，电池内气压将提高，气体从安全阀排出，造成电解液减少或干枯，水分的过量损耗，将使蓄电池的使用寿命提前终止。阀控密封铅酸蓄电池的最佳运行环境温度为25℃，有的蓄电池室的温度没有装设空调，将会直接影响蓄电池的使用寿命。环境温度一旦超过25℃，只要温度每升高10℃，蓄电池的使用寿命就会减少一半。当蓄电池组在运行中发生一只或几只蓄电池损坏时，有将不同容量、不同厂家或同一厂家容量相同但批次不同的蓄电池替换上串接使用的情况，这样就造成了同一组蓄电池中两种性能不同的蓄电池互为影响，更加速了蓄电池的老化，影响使用性能。新阀控密封铅酸蓄电池组购买后，因种种原因未能及时安装使用，超过存放期限又没有按要求进行及时补充电，造成蓄电池组在投运后，轻者在浮充运行时，会出现电压偏差较大（超过平均值±0.05V）的故障；重者存放时间过长，蓄电池极板硫化严重或完全失效，造成蓄电池组的寿命提前终止。我们经常会碰到蓄电池组中一只或几只蓄电池损坏情况，这时我们可以将损坏蓄电池摘除（在保证总电压的前提下），系统仍可以正常运行。但有时我们往往忽略了需要同时降低蓄电池的相应均浮充电压设置参数，长期运行容易造成蓄电池过充。3）充电机运行维护中存在的主要问题：充电机充电模块可以脱离监控单元的控制独立工作，但其内部默认设置的运行参数与监控单元设置的运行参数大多不相同。在监控单元因故障退出运行后，部分变电站未对充电模块的运行参数进行重新检查、设定，而直接保持原样运行，会造成蓄电池的过充或欠充。充电机的电压或电流表计未定期校验，表计的指示值与实际值相差太大，时间长了容易造成蓄电池的过充或欠充。2、直流系统参数的设置：要保障直流系统的准确、安全、可靠的运行，直流系统内各设备参数设置是否准确合理至关重要。但现在部分变电站往往完全依靠厂家进行各种参数的设置，而未按相关规程要求进行严格检查设定。这样直流系统将不能准确报警、合理的管理蓄电池。

（现在大部分直流设备的运行参数不像继电保护定值那样严格，而且没有专门针对各种直流设备的定值单或者通用的定值参数单。）1）交流输入电压波动范围不超过-10%～+15%；交流输入电压不对称度不超过5%。（注：钢厂等电压波动较大的环境）

220V（单相）波动范围为：198V～253V；

380V（三相）波动范围为：342V～437V。

2）直流过压、欠压的整定值：通常设为额定电压的±10%。名称整定值110V系统220V系统48V系统过压(10%)121V242V

欠压(10%)99V198V

3）绝缘水平整定值：

220V直流系统两极对地电压绝对值差超过40V或绝缘降低到25KΩ以下，视为直流系统接地。

48V直流系统任一极对地电压有明显变化时，应视为直流系统接地。标称电压普通绝缘监察装置标称电压普通绝缘监察装置220V25kΩ48V1.7kΩ110V7kΩ

4）阀控蓄电池在运行中电压偏差值的规定：

阀控式密封铅酸蓄电池标称电压（V）2612运行中的电压偏差（V）±0.05±0.15±0.3开路电压最大最小电压差值（V）0.030.040.06电池类别标称电压(V)放电终止电压(V)额定容量(Ah)充放电电流(A)固定型防酸式铅酸蓄电池21.8C10I10阀控式密封铅酸蓄电池21.8C10I1065.25(1.75×3)C10I101210.5(1.75×6)C10I10镉镍碱性蓄电池1.21.0C5I5

注：1、C5—5h（小时）率额定容量。Ah（安时）；I5—5h（小时）率放电电流，数值C5/5，A。

2、C10—10h（小时）率额定容量。Ah（安时）；I10—10h（小时）率放电电流，数值C10/10，A。5）蓄电池放电终止电压与充放电电流：6）蓄电池管理参数的设定：均充电压——通常设定为2.35×n(电池节数)，一般不允许超过

2.40V；浮充电压——通常设定为2.25×n(电池节数)；充电限流值——通常设定为0.1×

C10(电池容量)；均充触发值——通常设定为80%×0.1×

C10(电池容量)；浮充触发值——通常设定为0.01×

C10(电池容量)。以上参数为通用标准，具体参照电池厂家技术说明。因为不同厂家的蓄电池会有细微差别。7）蓄电池温度补偿：阀控蓄电池的温度补偿系数受环境温度影响，基准温度为25℃，每下降或升高1℃，单体2V阀控蓄电池浮充电压值应提高或降低（3～5）mV。当启用了温度补偿功能后，浮充和均充电压都按照以下公式进行修正：

Vtc=Vn–TcN（T-25）式中：Vtc——经温度补偿后的电压；Vn——未经补偿的电压；Tc

——补偿系数，mV/℃

；N——蓄电池的个数；T——温度传感器指示的温度。温度补偿功能的温度有效范围是：10~35℃

。（注：我公司IDC-200A监控单元，电压补偿公式：△V=-（T-25）/3；式中：T——当前温度；△V——充电电压调整值。）8）定时均充功能：规程规定：蓄电池长期处于浮充运行状态，由于种种因素会造成蓄电池充电不足，补偿不了电池本身自放电和爬电漏电所造成的电池容量亏损。因此，根据需要定期（一般取3个月）对蓄电池进行均衡充电。可以使蓄电池消除硫化恢复到良好的运行状态。

现在大部分直流监控单元都有“定时均充”功能，运行时建议投入。设定时间一般取3个月（2160小时）。无自动功能时，也可以到期手动切换到均充状态，让充电装置对蓄电池进行一次：“恒流限压充电——恒压充电——浮充电”的完整充电过程，使蓄电池组随时具有满容量。1、几个常用的技术数据表格：四、直流电源系统运行维护中的重点及常见问题探讨1）VRLA蓄电池放出不同容量的标准电压值（10小时率）放出容量(%)支持时间(h)单体VRLA蓄电池电压(V)放出容量(%)支持时间(h)单体VRLA蓄电池电压(V)1012.056061.972022.047071.953032.038081.934042.019091.885051.99100101.802）蓄电池内阻参考数值电池电压电池容量（Ah）电池内阻（mΩ）电池电压电池容量（Ah）电池内阻（mΩ）2V2000.506V7.2202V3000.406V12102V4000.356V2001.52V5000.3012V7252V6000.2512V12202V8000.2012V24102V10000.1512V3392V12000.1212V3882V15000.112V6562V20000.0812V804.02V30000.0712V1003.8

12V2002.5注：此处所指蓄电池容量为10小时率下的容量。

所测试的蓄电池均为性能良好且活化后充足电的情况。由于各个蓄电池生产厂家的工艺控制以及原材料的差异，在蓄电池的内阻上会有些差异，但都是在一个数量级，为此以上的内阻数值仅供参考。3）阀控铅酸蓄电池常见故障及护理方法：故障原因处理方法漏液阀失控、电解液过量、外壳变形、温度过高、极柱密封不严与供货厂家联系更换处理酸雾严重阀失控、过滤片质量不佳或堵塞、充电电流过大或过充、外壳破裂与供货厂家联系处理浮充电压不均匀内阻分布不均匀、极柱与连接条接触不良、新电池运行3~6个月内存在不均匀现象均充12~24h后，拧紧单体浮充电压偏低电池内部有微短路现象均充12~24h容量不足失水严重、内部干枯、内部有微短路现象、极柱与连接条接触不良、长期欠充、早期容量损失均充12~24h后，若仍不行联系厂家处理电池极柱或外壳温度过高螺丝松动或浮充电压过高检查螺丝，检查充电机和充电方法电池浮充电压忽高忽低螺丝松动拧紧螺丝蓄电池组接地电池上部有灰尘或电池漏液残留物导电清洁电池组，蓄电池组地面加绝缘垫电池鼓胀气体复合效率差、阀失控、室温高、充电电流过大或过充、外壳材质耐温差与供货厂家联系处理2、直流系统运行维护中应着重关注的几个点：1）直流设备运行中重点监视：各种电压、电流表计及一些重要运行参数的监视。如交流输入电压、蓄电池电压、直流母线电压、充电装置输出电压等等的数值，应注意其是否正确。各种信号报警指示灯的监视。查看各种设备的“运行”、“报警”等指示灯是否正常。绝缘状态的监视。注意直流正负母线对地的绝缘状态，如有接地应尽快查找处理。2）蓄电池的运行中重点监视内容：蓄电池的单体电压值；蓄电池组的端电压值；浮充电流的大小及变化；连接片有无松动、腐蚀现象；壳体有无变形和渗漏；极柱及安全阀周围有无酸雾及冒碱现象；蓄电池室的温度。3、蓄电池漏液现象分析：现象：阀控密封铅酸蓄电池发生漏液事故，除了运输、搬运、安装造成的机械损伤外，主要是由于制造缺陷引起的。如电解液注入量过多、密封不严、密封材料不合格和密封材料老化等。有些厂家的电池在制造过程中在极柱周围涂抹了硅油，用来增强电池外壳的密封性能，在使用中极柱周围可能会有非酸性液体渗出，这属于正常现象，不是漏液，应注意区分。易漏部位：电池壳盖之间密封处、安全阀处、极柱端子密封处。原因分析：电池壳盖之间密封处漏液原因分析：电池的密封方法有两类：胶封（环氧树脂密封胶密封）和热封。相对而言，热熔密封效果较好。胶封出现漏液较多，主要原因是密封胶与壳体是界面粘结，结合力不大，容易脱落，漏液处有缺胶孔或龟裂。热封如果效果不好，容易在密封处存在热熔层，有蜂窝状砂眼，产生漏液通道。安全阀漏液原因分析：加酸量过多；安全阀耐老化性差；极柱端子漏液原因分析：极柱端子密封的普遍方法是：先将极柱同蓄电池盖上的铅套管焊接在一起，再灌上一层环氧树脂密封胶密封。一般电池在安装使用1年以上就有个别蓄电池的极柱端子产生漏液，使用3~5年端子漏液就较多了，并且正极比负极严重，这是目前国内阀控密封铅酸蓄电池普遍存在的问题。特别架柜卧放的硬连接安装方式更容易出现漏液。由于电池本身重力导致架柜横梁变形，硬连接会使端子受力，密封胶层易脱离而漏液。4、蓄电池的热失控：1）什么是热失控？由于充电电压和电流控制不当，在充电后期，会出现一种临界状态。如果电池内部热量产生的速率超过了其在一定环境条件下的散热能力，电池的温度将会持续上升，致使电池的塑料外壳变软，最后导致外壳破裂或融化。这就是所谓的热失控。2）热失控现象：热失控发生后，蓄电池的电流及温度发生积累性的相互增强作用，使电池外壳变形“鼓肚子”，如右图。因此，正确选择浮充电压和定期检查每个蓄电池的“健康情况”是非常重要的。3）热失控的原因：在正常的浮充电压下是不可能产生热失控的，只有人为操作和设备失控使电压过高，或者蓄电池组中个别电池严重故障如短路、反极时才可能发生。周围环境温度过高。在夏天或野外，气温会升的较高，超过35℃以上，此时，如果不及时降低浮充电压，则会使电池温度迅速升高。安全阀不严或开阀压过低。当充电电流增大时，电池需要通过安全阀来释放气体，从而造成电池的失水、内阻增大、容量衰减和充放电过程中产生大量的热量，这些热量如果来不及扩散使温度剧增，就会形成热失控。热失控严重的情况下如果放电，有可能使蓄电池瞬间电压骤降和壳体温度上升至70~80℃，因此热失控问题必须引起高度重视。4）热失控的预防措施：正确选择及时调整浮充电压；注意检测蓄电池的温度；加强蓄电池室的通风管理，最好装设空调。5）热失控的发生（参考数据）如果采用2.35V/单体（25℃）浮充电压，连续充电4个月，就会出现热失控；如果采用2.30V/单体（25℃）浮充电压，连续充电6~8个月，就会出现热失控；如果采用2.28V/单体（25℃）浮充电压，连续充电12~18个月，容量会严重下降，进而导致热失控。5、蓄电池发生爆炸的原因：阀控蓄电池在由浮充状态转为放电瞬间，下述2种情况可能会发生爆炸引爆。电池内部氢气的含量超过4%，且有明火时会发生引爆。其主要原因是：浮充电