直流不停电电源原理

概述

发电站和变电所中，为控制、信号、保护、自动装置以及某些执行机构宫殿的直流电源系统，要求可靠，即在正常情况下和事故情况下应保证直流电源不间断供电。

蓄电池

蓄电池组构成的直流不停电电源，具有很高的可靠性，整个蓄电池组故障的可能性极小。因为蓄电池组的故障，总是首先在个别电池中发生，而且其发展过程缓慢，易于即时发现和消除，以延长蓄电池组整体寿命。

目前在变电所中所使用的蓄电池种类很多，常用铅酸阀控式密封电池或防酸式铅酸蓄电池和高倍率镉镍电池。

阀控式密封铅酸蓄电池：90年代发展起来的铅酸蓄电池，因具有密封结构，无酸雾排出，运行维护工作量小，克服了防酸式铅酸蓄电池的缺点，具有单节电压高、成本低、寿命长、放电特性好、技术指标先进、安装方便、安全可靠、维护简单和占地面积小凳优点，在电力系统中得到了广泛的应用。

防酸式铅酸蓄电池使用历史较长，这类电池运行中可以加液，便于监视、寿命较长、价格较低，但体积大，运行中产生氢气，且伴随着酸雾，对环境污染较大，维护复杂。在大、中型发电厂，220kV及以上变电站和直流输电换流站中，一般采用有人值班方式，容许合理的安排场地，所以推荐采用防酸式铅酸蓄电池。

在80年代初开始广泛应用高倍率镉镍碱性蓄电池，由于单节电池电压1.2V，构成直流系统时需电池数量较多，维护相对复杂。同时，其具有放电特性陡、降幅大、终止电压低、成本较高、存在较强的记忆效应和热降容效应等缺点。

镉镍碱性蓄电池的优势在于瞬间大电流放电性能，例如高倍率电池，要保持1.1V/个的终止电压，初始以300ms放电时电流可达10C5～12C5 。对于110kV及以下的小型变电所的直流电源由于经常负荷和事故持续放电电流均较小，若具有电磁合闸线圈需要承受较大的冲击电流，则选择小容量镉镍碱性电池即可满足上述要求。

蓄电池的选取

大型和中型发电厂、220kV级以上变电所和直流输电换流站宜采用防酸式铅酸蓄电池或阀控式密封铅酸蓄电池。

小型发电厂及110kV变电所宜采用阀控式密封铅酸蓄电池、防酸式铅酸蓄电池或，也可采用中倍率镉镍碱性蓄电池。

35kV及以下变电所和发电厂辅助车间宜采用阀控式密封铅酸蓄电池，也可采用高倍率镉镍碱性蓄电池。

蓄电池的组数

对于发电厂，当机组台数为三台及以上，且总容量为100MW及以上时，宜装设两组蓄电池；其他情况下可装设一组蓄电池。

对于110kV及以下变电所宜装设一组蓄电池，重要的110kV变电所也可装设两组蓄电池，当一组蓄电池进行充放电试验时，另一组蓄电池投入运行，以保证直流系统不间断供电。

负荷的分类

按功能分类

控制负荷：包括电气和热工的控制、信号装置和继电保护、自动装置以及仪器仪表等小容量负荷，在变电站中数量多、范围广，但容量小。

动力负荷：包括直流润滑油泵电动机、氢密封油泵电动机、电磁操作的断路器合闸机构、交流不间断电源装置、远动和通信装置电源、直流照明等大功率的负荷。其容量较大，对蓄电池容量及设备选择起着决定作用。变电站中，主要是电磁操作机构和直流照明电源。

按性质分类

经常负荷：要求直流电源在各种工况下均应可靠供电的负荷。主要包括经常带电的继电器、信号灯、位置指示器及直流长明灯或其他常接入直流系统中的用电设备，一般可取1～2kW。

事故负荷：要求直流电源在交流电源事故停电时间内可靠供电的负荷，并应按事故初期负荷和事故持续负荷以及随机负荷分类。主要包括事故照明负荷、直流油泵电动机、不间断电源、远动、通信备用电源、信号和机电保护装置等。

冲击负荷：指极短的时间内施加的很大的负荷电流，出现在事故初期（1min）称为初期冲击负荷，此后称为随机符合。主要包括直流油泵的启动电流和断路器的合闸电流等。

系统电压等级

专供动力负荷的直流系统宜采用220V。

专供控制负荷的直流系统宜采用110V。

控制负荷和动力负荷联合供电的直流系统采用220V或110V。

当采用弱电控制或弱电信号接线时，采用48V及以下的电压。

采用220V系统，可以减小电缆、导线的截面积，节省有色金属。仅作控制、保护、信号用的直流操作电源电压，也可以采用110V系统。采用110V优点是可以减小蓄电池个数和蓄电池室面积，从而简化安装和维护工作，还可以降低直流系统绝缘水平，减小中间继电器断线和接地故障几率，对二次设备的安全运行有利。但是由于电压降低，电缆截面积需要增加大约4倍，提高了初期投资的规模。

充电装置

目前充电装置主要有高频开关型充电装置和晶闸管型充电装置两种类型。高频开关型充电装置，单块额定电流通常为5～40A，该装置体积小，质量轻，效率高，使用维护方便，可靠性高，技术性能指标先进，自动化水平高，因此应用广泛。晶闸管型充电装置接线简单，输出功率较大，价格较便宜，技术性能满足直流系统要求，应用也较普遍。

充电方式

均衡充电是为了消除各蓄电池在使用过程中产生密度、端电压等不均衡现象，出现落后电池甚至反极性电池而进行的过充电措施。一般采用先恒流限压，再恒压限流的充电方式。

对于长期处于浮充运行的蓄电池通常一个季度需进行一次均衡充电，对于经过事故放电后的电池也将进行均衡充电。

浮充充电时，充电电源一方面向直流负荷供电，一方面向蓄电池进行小电流补充电，以弥补电池自放电损耗。阀控密封式铅酸电池的浮充电流极小，大概为1%I10。

对阀控密封式铅酸电池需进行以25℃为基础，每2V电池-3mV/℃的浮充电压温度补偿可有效抑制阀控密封式铅酸电池的“热失控”效应。

对于阀控式密封电池以外的新出厂的电池，均需要进行初充电，以保证电池的电解密度和活性物质充分转化。电池厂家会附带一份电池初充电的设定值，充电方式仍然是采用均衡充电的先恒流限压，后恒压限流的方式，只是整定值不同。我司会派遣专业调试人员到现场针对防酸式铅酸蓄电池及镉镍蓄电池进行调配电解液及初充电操作，通常初充电后需要进行深度放电，并可能伴随多个充放电的循环操作。

另外，为了避免“热失控”效应，也要关注电池电压的分散性，一组电池在充电过程中任何两个电池之间端电压差小于规定值。对于2V单节的铅酸阀控式密封电池，在2.25V的浮充电压下，端电压中最大与最小的差值需小于50mV。对于12V单节电池，则为300mV，依此类推。

母线电压允许变动范围

为了保证电力系统安全和可靠，直流系统在任何情况下，直流母线允许的电压变动范围为：

专供控制负荷的直流系统：（85%～110%）Un。

专供动力负荷的直流系统：（87.5%～112.5%）Un。

动力、控制负荷联合供电的直流系统：（87.5%～110%）Un。

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