第七节 直流系统Word文档格式.docx
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两套独立的直流系统一起用于向网络控制室的控制、保护、信号等直流负荷供电。
对于升压所的110V直流系统,通常其接线形式及有关的技术条件等参数与单元控制室的110V直流系统相同;
所不同之处在于升压所110V直流系统的充电电源,接自升压所的低压厂用母线。
3.动力直流系统
每一台机组设一套220V(或230V)动力直流系统,为发电机组事故润滑油泵、事故氢密封油泵、汽动给水泵的事故润滑油泵,不停电电源系统(UPS)等直流动力负荷及控制室的事故照明供电。
系统均采用单母线、两线制、不接地的接线方式,设一组蓄电池,配置一套工作充电器,另设一套备用充电器。
系统的特点是,平时运行负荷很小,而机组发生事故时负荷很大。
4.输煤直流系统
输煤系统一般设有6kV(或3kV)交流配电装置,为了便于集中管理、提高可靠性,避免与其他直流电源相互干扰,设置了独立的输煤直流系统。
输煤直流系统一般也为110V单母线、两线制、不接地系统,一组蓄电池,两套充电器(一套工作、另一套备用)。
因输煤系统对防酸要求较高,多采用封闭式铅酸蓄电池或镍镉蓄电池。
二.蓄电池的基础知识
蓄电池是一种独立可靠的直流电源。
尽管蓄电池投资大,寿命短,且需要很多的辅助设备(如充电和浮充电设备、保暖、通风、防酸建筑等),以及建造时间长,运行维护复杂,但由于它具有独立而可靠的特点,因而在发电厂和变电站内发生任何事故时,即使在交流电源全部停电的情况下,也能保证直流系统的用电设备可靠而连续地工作。
另外,不论如何复杂的继电保护装置、自动装置和任何型式的断路器,在其进行远距离操作时,均可用蓄电池的直流电作为操作电源。
因此,促电池组在发电厂中不仅是操作电源,也是事故照明和一些直流自用机械的备用电源。
蓄电池是储存直流电能的一种设备,它能把电能转变为化学能储存起来(充电),使用时再把化学能转变为电能(放电),供给直流负荷,这种能量的变换过程是可逆的,也就是说,当蓄电池已部分放电或完全放电后,两级表面形成了新的化合物,这是如果用适当的反向电流通入蓄电池,就可使已形成的新化合物还原成原来的活性物质,供下次放电之用。
在放电时,电流流出的电极称为正极或阳极,以“+”表示;
电流经过外电路之后,返回电池的电极称为负极或阴极,以“-”表示。
根据电极或电解液所用物质的不同,蓄电池一般分为铅酸电池和碱性电池两种。
下面以铅酸蓄电池为例,对蓄电池的构造、工作原理进行介绍。
(一)铅酸电池的构造
蓄电池由极板、电解液和容器构成,如图6-1所示。
极板分正极板和负极板,在正极板上的活性物质是二氧化铅(Pb
),负极板上的活性物质是灰色海绵状的金属铅(铅绵),电解液是浓度为27%-37%的硫酸水溶液(稀硫酸),其比重在
C时为1:
21,放电时比重稍为下降。
图7-1蓄电池工作原理
(a)蓄电池放电;
(b)蓄电池充电
1-容器;
2-电解液;
3-二氧化铅板(正极);
4-铅版(负极);
5-灯泡;
6-直流发电机
正极板采用表面式的铅板,在铅板表面上有许多肋片,这样可以增大极板与电解液的接触面积,以减少内电阻和增大单位体积的蓄电容量。
负极板采用匣式的铅板,匣式铅板中间有较大的栅格,两边用有孔的薄铅皮加以峰盖,以防止多孔性物质(铅绵)的脱落。
匣中充以参加电化学反应的活性材料,即将铅粉及稀硫酸等物调制成浆糊状混合物,涂填在铅质栅格骨架上。
极板在工厂经加工处理后,正极板的有效物质为深棕色二氧化铅,负极板中的有效物质式淡灰色绵状金属铅。
正、负极板之间用多孔性隔板隔开,以使极板之间保持一定距离。
电解液面应该比极板上边至少高出10mm,比容器上边至少低15-20mm。
前者是为了防止反应不完全而使极板翘曲,后者是防止电解液沸腾时从容器内溅出。
蓄电池中负极板总比正极板多一块,使正极板的两面在工作中起的化学作用尽量相同,以防止极板发生翘曲变形。
同级性的极板用铅条连接成一组,此铅条焊接在极板的突出部分,并用耳柄挂在容器的边缘上。
为了防止在工作过程中有效物质脱落到底部沉积,造成正、负极板短路,所以极板下边与容器底部应有足够距离。
容器上面盖以玻璃板,以防灰尘侵入和充电时电解液溅出。
(二)蓄电池的工作原理
把正、负极板互不接触而浸入容器的电解液中,在容器外用导线和灯泡把两种极板连接起来,如图7-1(a)所示,此时灯泡亮,因此二氧化铅板和铅板都与电解液中的硫酸起了化学变化,使两种极板之间产生了电动势(电压),在导线中有电流流过,即化学能变成了使灯泡发光的电能。
这种由于化学反应而输出电流的过程称为蓄电池放电。
放电是,正负极板上的活性物质都与硫酸发生了化学变化,生成硫酸铅PbS
。
当两极板上大部分活性物质都变成了硫酸铅后,蓄电池的端电压就下降。
当端电压降到1.75-1.8V以后,放电不宜继续下去,此时两极板间的电压称为终止放电电压。
在整个放电过程中,蓄电池中的硫酸逐渐减少而形成水,硫酸的浓度减少,电解液比重降低,蓄电池内阻增大,电动势下降,端电压也随之减少,此时,正极板为浅褐色,负极板为深灰色。
必须注意,在正常使用情况下,蓄电池不宜过渡放电,因为在化学反应中生成的硫酸铅小晶块在过度放电后将结成体积较大的大晶块,晶块分布不均匀时,就会使极板发生不能恢复的翘曲,同时还增大了极板的电阻。
放电时产生的硫酸铅大晶块很难还原,妨碍充电过程的进行。
1.充电
如果把外电路中的灯泡换成直流电源,即直流发电机或硅整流设备,并且把正极板接外电源的正极,负极板接外电源的负极,如7-1(b)所示,当外接电源的端电压高于蓄电池的电势时,外接电源的电流就会流入蓄电池,电流的方向刚好与放电时的电流方向相反,于是在蓄电池内就产生了与上述相反的化学反应,就是说,硫酸从极板中析出,正极板又转化为二氧化铅,负极板又转化为纯铅,而电解液中硫酸增多,水减少。
经过这种转化,蓄电池两极之间的电动势又恢复了,蓄电池又具备了放电条件。
这时,外接电源的电能充进了蓄电池变成化学能而贮存了起来,这种过程称为蓄电池充电。
充电过程使硫酸铅小晶块分别为二氧化铅(正极板)和铅绵(负极板),极板上的硫酸铅消失。
由于充电反应逐渐深入到极板活性物质内部,硫酸浓度就增加,水分减少,溶液的密度增大,内阻减少,电势增大,端电压随之上升。
当充电电压上升到大约2.3V时,极板上开始有气体析出:
正极板上逸出氧气,负极板上逸出氢气,造成强烈的冒气现象,这种现象称为蓄电池的沸腾。
沸腾的原因是负极板上硫酸铅已经很少了,化学反应逐渐转变为水的电解所造成。
上述两种反应同时进行时,需要消耗更多的能量,浪费蒸馏水和电力,因此,为了维持恒定的充电电流,应逐渐提高外加电源的电压。
为了减少能量耗损,防止极板活性物质脱落损坏,因此在充电终期时,充电电流不宜过大,在有气体放出时应减少充电电流。
在充电终期时,正、负极的颜色由暗淡变为鲜明,蓄电池发生强烈的汽泡,当蓄电池端电压在2.5-2.7V并经1h不变,即认为充电已完成。
2.蓄电池自放电现象
由于电解也中所含金属杂质沉淀在负极板上,以及极板本身活性物质中也含有金属杂质,因此,在负极板上形成局部的短路,形成了蓄电池的自放电现象。
通常在一昼夜内,铅蓄电池由于自放电,将使其容量减少0.5%-1%。
自放电现象也随着电解液的温度、比重和使用时间的增长而增加。
3.蓄电池放电和充电程度的测量
已知放电时电解液因硫酸减少而变稀;
充电时,电解液因硫酸增多而变浓。
因此,电解液的浓度就代表着蓄电池放电和充电的程度。
电解液的浓度用其密度大小来衡量。
液体的比重是液体的质量与相同容积水的密度的比值。
水的密度为1,蓄电池使用的纯硫酸的密度是1.83,因此电解液的比重总是大于1。
具体数字要看其中所含硫酸的多少而定。
蓄电池放电放得越多,电解液中硫酸越少,比重就越小;
反之,充电充的越多,电解液中硫酸越多,比重就越大。
电解液的比重和温度有密切关系,例如温度升高,电解液受热膨胀,比重就降低。
通常,在室内温度为
C时,充足电的蓄电池,它的电解液比重是1.275-1.3;
当蓄电池放电到电解液比重为1.13-1.18时。
它的正、负极板已接近于全部转化为硫酸铅,此时应该停止放电。
电解液比重可以用比重计测量,但测试用的比重不可能测出极板细孔中电解液的比重,故必须在电池静止状态(停止充、放电时)进行测试较为准确。
用电压表在蓄电池两极板之间测出的电压叫蓄电池的端电压。
手电筒用的干电池,不论是几号电池,每节电池的额定电压都是1.5V。
蓄电池的电压与容量大小无关,额定电压均为2V。
4.蓄电池的电势和容量
蓄电池电势的大小与蓄电池极板上活性物质的电化性质和电解液的浓度有关,与极板的大小无关。
当电极上活性物质已固定后,铅蓄电池的电势主要由电解液的浓度决定。
因此,蓄电池的电势可近似由下式决定
E=0.85+d(7-1)
式中:
d为电解液的比重;
E为铅蓄电池的电势,V;
0.85为铅蓄电池电势的常数。
电势与电解液的温度有关。
当温度变化时,电解液的粘度要改变,粘度的改变会影响电解液的扩散,从而影响放电时的电势,因而引起蓄电池容量的变化。
运行中蓄电池室的温度以保持在10-
C为宜,因为电解液在此温度范围内变化较小,对电势影响甚微,可忽略不计。
蓄电池在运行中,不允许电解液的温度超过
C。
蓄电池的容量就是蓄电池的蓄电能力。
通常以充足电的蓄电池在放电期间端电压降低10%时的放电电量来表示。
一般以10h放电容量作为蓄电池的额定容量。
当蓄电池以恒定电流值放电时,其容量等于放电电流和放电时间的乘积,即
C=It(7-2)
C为蓄电池容量,Ah;
I为放电电流,A;
t为放电时间,h。
蓄电池在使用过程中,其容量主要受放电率和电解液温度的影响。
(1)放电率对蓄电池容量的影响。
蓄电池每小时的放电电流称作放电率。
蓄电池容量的大小随放电率的大小而变化,一般放电率越高,则容量越小,因蓄电池放电电流大时,极板上的活性物质与周围的硫酸迅速反应,生成品粒较大的硫酸铅,硫酸铅晶粒易堵塞极板的细孔,使硫酸扩散到细孔深处更为困难。
因此,细孔深处的硫酸浓度降低,活性物质参加化学反应的机会减少,电解液电阻增大,电压下降很快,电池不能放出全部能量,所以,蓄电池的容量较小。
放电率越低,则容量越大,因蓄电池放电电流小时,极板上活性物质细孔内电解液的浓度与容器周围电解液的浓度相差较小,且外层硫酸铅形成得较慢,生成的晶粒也小,硫酸容易扩散到细孔深处,使细孔深处的活性物质都参加化学反应,所以,电池的容量就大。
(2)电解液温度对蓄电池容量的影响。
电解液温度愈高,稀硫酸粘度越低,运动速度越大,渗透力越强,因此电阻减小,扩散程度增大,电化学反应增强,从而使电池容量增大。
当电解液温度下降时,渗透减弱,电阻增大,扩散程度降低,电化学反应滞缓,从而使电池容量减小。
电解液温度与电池容量的关系为
=
(7-3)
为电解液平均温度为
C时的容量,Ah;
T为放电过程中电解液的实际平均温度,
;
为在电解液为
C时的放电电流,A;
t为连续放电时间,h。
三.蓄电池组运行方式
蓄电池的运行方式有两种;
放电方式与浮充电方式。
电厂的蓄电池组,普遍采用浮充电方式。
(一)、充电方式运行特点
所谓蓄电池组的充电方式运行,就是对蓄电池组进行周期性的充电和放电,当蓄电池组充足电以后,就与充电装置断开,由蓄电池组单独向经常性的直流负荷供电,并在厂用电事故停电时,向事故照明和直流电动机等负荷供电。
为了保证在任何时刻都不致失去直流电源,通常,当蓄电池放电到约为60%~70%额定容量时,即开始进行充电,周而复始。
按冲放电方式运行的蓄电池组,必须周期地、频繁地进行充电。
在经常性负荷下,一般每隔24h就需充电一次,充至额定容量。
充电末期,每个蓄电池的电压可达2.7~2.75V,蓄电池组的总电压(直流系统母线电压)可能会超过用电设备的允许值,母线电压起伏很大。
为了保持母线电压,常需要增设端电池。
这些,都可能是这种运行方式不被电厂普遍采用的主要原因。
(二)、浮充电方式运行方式
所谓蓄电池组浮充电方式:
就是充电器经常与蓄电池组并列运行,充电器除供给经常性直流负荷外,还以较小的电流-浮充电电流向蓄电池组充电,以补偿蓄电池的自放电损耗,使蓄电池经常处于完全充足的状态;
当出现短时大负荷时,例如当断路器合闸、许多断路器同时跳闸、直流电动机、直流事故照明等,则主要由蓄电池组供电,而硅整流充电器,由于其自身的限流特性决定,一般只能提供略大于其额定输出的电流值。
在浮充电器的交流电源消失时,便停止工作,所有直流负荷完全由蓄电池组供电。
浮充电电流的大小,取决于蓄电池的自放电率,浮充电的结果,应刚好补偿蓄电池的自放电。
如果浮充电的电流过小,则蓄电池的自放电就可能长期得不到足够的补偿,将导致极板硫化(极板有效物质失效)。
相反,如果浮充电电流过大,蓄电池就会长期过充电,引起极板有效物质脱落,缩短电池的使用寿命,同时还多余地消耗了电能。
浮充电电流值,依蓄电池类型和型号而不同,一般约为(0.1~0.2)
/100(A),其中
为该型号蓄电池的额定容量(单位为Ah)。
旧蓄电池的浮充电电源要比新蓄电池大2~3倍。
为了便于掌握蓄电池的浮充电状态,通常以测量单个蓄电池的端电压来判断。
如对于铅酸蓄电池,若其单个的电压在2.15~2.2V,则为正常浮充电状态;
若其单个的电压在2.25V及以上,则为过充电;
若其单个的电压在2.1V以下,则为放电状态。
因此,为了保证蓄电池经常处于完好状态,实际中的浮充电,常采用恒压充电的方式。
标准蓄电池的浮充电电压规定如下:
(1)每只铅酸蓄电池(电解液密度为1.215g/
),其浮充电电压一般取2.15~2.17V。
(2)每只中倍率镉镍蓄电池,其浮充电电压一般取1.42~1.45V。
(3)每只高倍率镉镍蓄电池,其浮充电电压一般取1.35~1.39V。
按浮充电方式运行的有端电池的蓄电池组,参与浮充电运行的蓄电池的只数应该固定,运行人员用监视直流母线的电压为恒定,去调节浮充电机的输出,而不应该用改变端电池的分头去调节母线电压。
按浮充电方式运行的蓄电池组,每2~3个月,应进行一次均衡充电,以保持极板有效物质的活性。
(三)、蓄电池均衡充电
均衡充电是对蓄电池的一种特殊充电方式。
在蓄电池长期使用期间,可能由于充电装置调整不合理、表盘电压表读数偏高等原因,造成蓄电池组欠充电,也可能由于各个蓄电池的自放电率不同和电解液密度有差别,使它们的内阻和端电压不一致,这些都将影响蓄电池的效率和寿命。
为此,必须进行均衡充电(也称过充电),使全部蓄电池恢复到完全充电状态。
均衡充电,通常也采用恒压充电,就是用较正常浮充电电压更高的电压进行充电,充电的持续时间与采用的均衡充电电压有关对标准蓄电池,均衡充电电压的一般范围是:
(1)每个铅酸蓄电池,一般去2.25~2.35V,最高不超2.4V。
(2)每个中倍率镉镍蓄电池,一般取1.52~1.55V。
(3)每个高倍率镉镍蓄电池,一般取1.47~1.50V。
均衡充电一次的持续时间,既与均充电压大小有关,也与蓄电池的类型有关。
例如按浮充电方式运行的铅酸蓄电池,一般每季进行一次均衡充电。
当每只蓄电池均衡充电电压为2.26V时,充电时间约为48h;
当均衡充电电压为2.3V/只时,充电时间约为24h;
当均衡充电电压为2.4V/只时,充电时间约为8~10h。
以浮充电方式运行的蓄电池组,每一次均衡充电前,应将浮充电气停役10min,让蓄电池充分地放电,然后再自动地加上均衡充电电压。
有端电池的蓄电池组,均衡充电开始前,应该先停用浮充电机,再逐步升高端电池的分头,调节母线电压保持恒定,直到端电池的分头升到最大时,重新开启浮充电机,以均衡充电电压进行充电。
均衡充电开始后,逐步降低端电池的分头,调节母线电压保持恒定,直到端电池的分头将到最低时,通用浮充电机,均衡充电结束。
然后再逐步升高端电池的分头,调节母线电压保持恒定,直到端电池的分头升到原先浮充电方式的分头位置时,开启浮充电机,恢复浮充电方式,再以直流母线电压为恒定,调节浮充电机的输出。
如此操作方式,可以使包括所有端电池在内的全部蓄电池都进行了一次均衡充电。
三.我厂直流监测系统
我厂直流监测系统所选用的智能型高频开关直流电源系统由监控部分、充电模块、防雷模块、降压模块、绝缘监测单元、电池巡检单元、馈线回路、蓄电池等组成,直流电源系统可以与后台监控系统通讯,实现无人值守。
(一)高频开关充电模块
1、工作原理
充电模块工作原理如图:
图7-2充电模块工作原理示意图
如图所示,三相380V交流电首先经过尖峰抑制和EMI电路,主要作用是防止电网上的尖峰和谐波干扰串入模块中,影响控制电路的正常工作;
同时也抑制模块主开关电路产生的谐波,防止传输到电网上,对电网污染,其作用是双向的。
三相交流电经过工频整流后变成脉动的直流,在滤波电容和电感组成的PFC滤波电路的作用下,输出约520V左右的直流电电压。
电感同时具有无源功率因数校正的作用,使模块的功率因数达到0.92。
主开关DC/AC电路将520V左右的直流电转换为50KHz的高频脉冲电压在变压器的次级输出。
DC/AC变换采用移相谐振高频软开关技术。
变压器输出的高频脉冲经过高频整流、LC滤波和EMI滤波,变为220/110V的直流电压。
PWM控制电路采用电压电流双环控制,以方便实现对输出电压的调整和输出电流的限制,即使在短路情况下,回缩电路起作用,不会损坏模块,提高模块工作的可靠性。
同时将交流输入采样得到的前馈信号送入PWM控制电路,提高电路工作的稳定性。
另一方面,为了实现模块输出的遥调,计算机输出的数字信号经D/A变换后送入PWM控制器对输出电压进行调整。
监控电路监测到模块异常时,使模块停止输出,有效保护模块。
2.功能特点
✧无级限流:
输出电流根据负载电流和蓄电池容量手动或监控系统自动调节;
✧自然冷却:
模块冷却方式采用自然冷却,提高模块在恶劣环境的工作能力;
✧自主工作:
脱离监控系统也可以单独运行,可以手动调节模块电压、电流;
✧过压保护:
充电模块输出电压一旦超过内部设置的过压保护点,便自动关机,停止输出。
只有重新开机才能启动输出。
防止充电模块输出过压损坏外部设备。
✧短路回缩:
充电模块外部输出发生短路时,充电模块自动降低输出电压和电流。
有效防止外部事故对充电模块的损坏和事故的进一步扩大。
✧均流技术:
充电模块采用了先进的低差自主均流技术,均分负载不平衡小于5%(通常在3%左右)。
✧保护自动恢复:
充电模块内部具有完善的保护功能,一旦引起保护的条件消失,保护自动解除,模块恢复工作。
保护点和恢复点之间有“回差”,防止电路在保护点附近频繁启动保护动作。
✧高可靠性:
关键器件全部采用高质量的进口名牌产品,并经过严格的筛选及高温老化。
3.面板说明
在充电模块的面板上有电源指示灯(绿色),保护指示灯(黄色),故障指示灯(红色)。
电源指示灯:
指示充电模块内部工作电源是否正常。
保护指示灯:
指示充电模块处于保护状态,包括交流输入过/欠压,输入缺相,输出欠压,模块过温等,一般故障消失后自动恢复。
故障指示灯:
指充电模块因故障停止输出,且故障因素消除后,模块仍不能恢复工作,如输出过压,只有断电后重新送电才能启动输出。
如仍不能恢复工作,则模块需检修。
电压调节:
精密电位器用来整定模块自主工作时输出电压值(出厂整定为充电机浮充电压)。
电流调节:
精密电位器用来整定模块最大限流值(出厂整定为最大)。
4.技术参数
(1)输入输出参数
交流输入电压
380VAC±
20%(304V—456V)
输入频率
50Hz±
10%
输出电压
220V
110V
输出电流
5A、10A、20A
10A、20A、40A
电流调节范围
0.2Imax—Imax
稳压精度
≤±
0.5%(典型值0.1%)
稳流精度
0.5%
纹波系数
0.05%(典型值0.01%)
效率
≥92%
噪声
≤45dB
(2)保护参数
输入过压保护
460±
4V
输入欠压保护
300±
4V
输出过压保护
280V±
4V、140±
2V
输出欠压保护
194±
4V、97±
过温保护
90℃保护,80℃后恢复
可靠性指标(MTBF)
100000小时
显示器采用大屏幕5.7英寸320x240液晶,全中文显示,每一画面最多可显示20列*15行汉字,画面分为5个部分,即题头栏、时间、信息栏、主参数栏和菜单栏,题头栏显示产品名称;
时间栏显示日期和时间;
信息栏为主要信息获取视窗,同时也可作为大面域的键盘使用;
主参数栏显示系统状态、合母电压、控母电压、电池电流和充电方式;
菜单栏显示一些主要
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