高頻開關直流電源系統

運行及維護山東魯能智能技術有限公司SHANDONGLUNENGINTELLIGENCETECHNOLOGYCO.,LTD.2009-8-04一、直流電源系統概述1、直流電源系統的重要作用：直流電源設備是電力系統發電廠、變（配）電站重要的控制、信號、動力電源，它在電力系統的安全運行中起著重要的作用。隨著變電站自動化程度的不斷提高，許多重要的數據都要求即時安全可靠的處理和存儲；各種用電設備（包括繼電保護及自動裝置、斷路器分合閘、載波通信、事故照明等）的工作都離不開可靠的直流電源。在系統發生故障，站用電中斷的情況下，如果直流電源系統不能可靠的為工作設備提供直流工作電源，將會產生不可估計的損失。因此，有人把直流設備比喻為變電站的心臟。2、我國電源技術的發展我國電源技術的發展起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件，其發展先后經歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代。八十年代末期和九十年代初期發展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件，表明傳統電源技術已經進入現代電力電子時代。

硅整流時代：在六十年代和七十年代，大功率硅整流管和晶閘管的開發與應用得以很大發展。當時國內曾經掀起了一股各地大辦硅整流器廠的熱潮，目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠家就是那時的產物。

逆變器時代：七十年代出現了世界范圍的能源危機，交流電機變頻惆速因節能效果顯著而迅速發展。在七十年代到八十年代，隨著變頻調速裝置的普及，大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。變頻器時代

進入八十年代，大規模和超大規模集成電路技術的迅猛發展，將集成電路技術的精細加工技術和高壓大電流技術有機結合，出現了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世，導致了中小功率電源向高頻化發展，而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現，又為大中型功率電源向高頻發展帶來機遇。

MOSFET和IGBT的相繼問世，是傳統的電源向現代電力電子轉化的標志。據統計，到1995年底，功率MOSFET和GTR在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步，而用IGBT代替GTR在電力電子領域巳成定論。新型器件的發展不僅為交流電機變頻調速提供了較高的頻率，使其性能更加完善可靠，而且使現代電子技術不斷向高頻化發展，為用電設備的高效節材節能，實現小型輕量化，機電一體化和智能化提供了重要的技術基礎。二、直流電源設備的選擇及配置直流系統電壓等級的選擇：

國內發電廠及變電站較廣泛采用220V和110V兩種電壓等級。大中型變電站采用220V或110V，而小型無人值守變電站多采用110V。220V和110V在技術、經濟上各有優劣，應根據具體情況通過比較確定。

變電站直流電源系統的安全運行，離不開運行及檢修人員平時對直流設備的巡視檢查、運行維護、缺陷及異常處理等日常工作。但首先取決于前期的方案設計、設備選型、設備配置、方案優化等工作。下面介紹幾個關鍵點：110V控制回路電纜截面較220V大。特別在大型發電廠的變電站，超高壓配電裝置面積大，距離控制室又遠，采用110V直流時控制電纜截面大約是220V的4倍，往往還不能滿足要求。這使得選擇8mm2

以下控制電纜較困難，有時要選用多根電纜芯并聯，給回路監視帶來困難，同時還要增加控制電纜投資。因此，宜采用220V系統。48V系統：弱電控制和弱電信號接線系統，如微機監控系統、載波通信等，一般都是功率小，電流也小，所以，宜采用48V及以下電壓。高頻開關整流模塊的配置：

通常我們所說的充電機是由若干個充電模塊并聯組成，一般都為N+1（N≤6）或N+2（N＞6

）備份冗余方式。為了提高充電裝置的運行可靠性，模塊總數宜不小于3塊。模塊配置的原則可按如下公式選擇：

N×Ie≥Kk[(1.0~1.25)I10+Ijc]式中N——模塊個數

Ie——模塊額定電流（220V:5~40A；110V:10~80A）

Ijc——最大經常性負載

Kk——可靠系數，應考慮溫度補償、均充性能及設計裕度等因素。【Kk=Kt×Kd×Ka:式中：Kt——溫度補償系數，取1.10；Kd——設計裕度系數，取1.15；Ka——老化系數，取1.10；Kk=1.10×1.15×1.10=1.39，取1.40.】舉例：220V直流，蓄電池300AH，最大經常性負載20A，選用20A模塊。模塊的配置個數：N=1.40×[1.0×30+20]/20=3.5，4臺20A模塊即可滿足要求，考慮加一個備用模塊，模塊總數為5個。注：國家電網公司規定：合閘母線與控制母線之間設有降壓裝置的系統，必須防止降壓裝置開路造成控制母線失壓。我公司的直流系統現有及將來的改進設計方案能夠很好的解決這個問題：①專門為控制母線供電的供電模塊。當交流電源正常時，降壓硅鏈斷路，控制母線電壓可以由供電模塊提供。但此時正常運行中無法看出降壓硅鏈是否斷路損壞；②降壓硅鏈繼電器能夠實現自動投切。在交流斷電由蓄電池供電時出現降壓硅鏈斷路現象；或者交流供電正常，但供電模塊與降壓硅鏈同時故障的極端情況下，出現降壓硅鏈斷路現象；上述兩種情況發生時，控制母線會失去電壓。我公司直流監控單元IDC-200A在監測到UKM電壓為零時，會自動陸續切除降壓硅鏈，通過降壓硅鏈繼電器的閉合將合閘母線與控制母線連接，保證控制母線獲得直流電壓。（見下圖）蓄電池組數及容量的選擇：蓄電池組數的選擇：發電廠（裝機容量在100MW及以上）、220kV及以上變電站應滿足2組蓄電池、2套高頻開關電源或3套相控充電裝置的配置要求。110（66）kV變電站應滿足1組蓄電池、1套高頻開關電源或2套相控充電裝置的配置要求；部分重要的110kV變電站可配置2組蓄電池、2套高頻開關電源或3套相控充電裝置。35kV及以下電壓等級的變電站原則上可采用1組蓄電池組供電。用戶單位配電所一般裝設1組蓄電池。注：由于現在220kV及以上變電站的繼電保護等大部分都實行雙重化配置。因此，蓄電池也應設置2組，分別對2套保護及跳閘回路供電，以利安全運行。此外，蓄電池裝設的組數，不但與變電站的重要性及保護雙重化的要求有關，而且與控制方式及自動化水平有關，故在具體工程中，如果采用一些新的控制方式和布置型式時（如分級、分區控制，就地布置保護裝置等），蓄電池裝設的組數可根據實際情況和技術經濟比較確定。蓄電池容量的選擇：蓄電池容量選擇的基本要求包括以下兩點：變電站站用電事故停電時間一般按1h計算，對于遠離市區的系統終端無人值守變電站宜按2h計算。蓄電池容量選擇計算的條件，應滿足變電站事故停電時間內的放電容量要求，應計及事故初期直流電動機起動電流和其它沖擊負荷電流，并應計及蓄電池組持續放電時間內的隨機負荷電流。蓄電池容量的計算：直流負荷的分類。按用電性質分為二類：一是經常性負荷，約占直流總負荷的5%；二是事故負荷，約占直流總負荷的95%。在蓄電池容量計算中，事故負荷起決定作用。在事故負荷中，可分為事故初期負荷和事故持續負荷。事故初期負荷通常指交流電源消失后蓄電池開始放電的最初1min內的全部負荷；事故持續負荷指各事故放電階段由蓄電池持續提供的負荷。事故負荷的持續時間，國家規定為1h。蓄電池容量估算：

C10=經常負荷電流*事故停電時間(1~2h)/20%*Kk（1.4~2）

【經常負荷電流X（15~20）】3）各類變電工程直流負荷及蓄電池容量范圍序號電壓等級（KV）事故放電時間（h）直流系統電壓（V）經常負荷電流（A）蓄電池容量范圍（Ah）備注110~351.0220(110)3~550

21101.0

2.0220(110)5~1050~100

用于無人值班220(110)5~10100(200)32201.

0

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

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

注：括號內蓄電池容量表示110V直流系統。蓄電池組個數的選擇：浮充運行時，按直流母線電壓1.05UN來確定蓄電池個數。即：

n=1.05UN/Uf式中：Uf——單個蓄電池的浮充電壓。閥控蓄電池通常為：2.23~2.27V，一般取2.25V。按上式計算，220V直流系統選用103~104只蓄電池；110V直流系統選用51~52只蓄電池。1、直流系統運行現狀分析：

90年代發展起來的閥控密封鉛酸蓄電池直流系統，由于安裝方便、維護工作量小、不污染環境、可靠性高等一系列優點，近年來在變電站中得到了廣泛的應用。但由于該系統在電力系統推廣使用的時間較短，沒有得到充分重視。不少變電站直流設備檢修、運行、安裝調試的一線人員對其工作原理、檢修維護方法還沒有完全掌握，還存在檢修維護不到位而造成直流設備不能可靠運行的情況。參考國家電網公司2002~2004年間收集的14各省、市電力公司提供的直流設備調查資料，可以看出現階段直流電源設備的運行情況還是存在不少問題。出現故障主要是充電設備及蓄電池方面，分別占64.3%和35.7%。三、直流電源系統的運行及維護1）直流設備運行維護中存在的主要問題：生產廠家多、型號雜、產品質量參差不齊，檢修維護技術不易掌握。變電站直流設備長期帶電運行，操作少，致使部分工作人員在故障處理、運行操作等方面顯得技術生疏、不能得心應手。城、農網改造后，新產品、新設備、新技術在電力系統直流設備得到廣泛應用，但相應培訓工作沒跟上，人員的專業素質還跟不上技術發展的步伐。對直流設備的運行維護存在認識上的誤區，認為充電設備是全自動的、閥控式密封鉛酸蓄電池是免維護的，所以就不加維護。直流設備長期沒人檢查、沒人維護，對直流設備存在的缺陷沒有及時發現，從而給整個系統的安全運行留下了隱患。2）蓄電池運行維護中存在的主要問題：閥控密封鉛酸蓄電池正常運行時，浮充電壓過高或過低。浮充電壓設置過低，會造成蓄電池充電不足，使電池極板硫化而縮短電池壽命。浮充電壓設置過高，電池將長期處于過充電狀態，是電池的隔板、極板等由于電解氧化而遭破壞，造成電池板柵腐蝕加速，活性物質松動，而使電池失效。均充過于頻繁，蓄電池過充電。當蓄電池過充時，電池內部生成氣體的速率將超過電池吸收氣體的速率，電池內氣壓將提高，氣體從安全閥排出，造成電解液減少或干枯，水分的過量損耗，將使蓄電池的使用壽命提前終止。閥控密封鉛酸蓄電池的最佳運行環境溫度為25℃，有的蓄電池室的溫度沒有裝設空調，將會直接影響蓄電池的使用壽命。環境溫度一旦超過25℃，只要溫度每升高10℃，蓄電池的使用壽命就會減少一半。當蓄電池組在運行中發生一只或幾只蓄電池損壞時，有將不同容量、不同廠家或同一廠家容量相同但批次不同的蓄電池替換上串接使用的情況，這樣就造成了同一組蓄電池中兩種性能不同的蓄電池互為影響，更加速了蓄電池的老化，影響使用性能。新閥控密封鉛酸蓄電池組購買后，因種種原因未能及時安裝使用，超過存放期限又沒有按要求進行及時補充電，造成蓄電池組在投運后，輕者在浮充運行時，會出現電壓偏差較大（超過平均值±0.05V）的故障；重者存放時間過長，蓄電池極板硫化嚴重或完全失效，造成蓄電池組的壽命提前終止。我們經常會碰到蓄電池組中一只或幾只蓄電池損壞情況，這時我們可以將損壞蓄電池摘除（在保證總電壓的前提下），系統仍可以正常運行。但有時我們往往忽略了需要同時降低蓄電池的相應均浮充電壓設置參數，長期運行容易造成蓄電池過充。3）充電機運行維護中存在的主要問題：充電機充電模塊可以脫離監控單元的控制獨立工作，但其內部默認設置的運行參數與監控單元設置的運行參數大多不相同。在監控單元因故障退出運行后，部分變電站未對充電模塊的運行參數進行重新檢查、設定，而直接保持原樣運行，會造成蓄電池的過充或欠充。充電機的電壓或電流表計未定期校驗，表計的指示值與實際值相差太大，時間長了容易造成蓄電池的過充或欠充。2、直流系統參數的設置：要保障直流系統的準確、安全、可靠的運行，直流系統內各設備參數設置是否準確合理至關重要。但現在部分變電站往往完全依靠廠家進行各種參數的設置，而未按相關規程要求進行嚴格檢查設定。這樣直流系統將不能準確報警、合理的管理蓄電池。

（現在大部分直流設備的運行參數不像繼電保護定值那樣嚴格，而且沒有專門針對各種直流設備的定值單或者通用的定值參數單。）1）交流輸入電壓波動范圍不超過-10%～+15%；交流輸入電壓不對稱度不超過5%。（注：鋼廠等電壓波動較大的環境）

220V（單相）波動范圍為：198V～253V；

380V（三相）波動范圍為：342V～437V。

2）直流過壓、欠壓的整定值：通常設為額定電壓的±10%。名稱整定值110V系統220V系統48V系統過壓(10%)121V242V

欠壓(10%)99V198V

3）絕緣水平整定值：

220V直流系統兩極對地電壓絕對值差超過40V或絕緣降低到25KΩ以下，視為直流系統接地。

48V直流系統任一極對地電壓有明顯變化時，應視為直流系統接地。標稱電壓普通絕緣監察裝置標稱電壓普通絕緣監察裝置220V25kΩ48V1.7kΩ110V7kΩ

4）閥控蓄電池在運行中電壓偏差值的規定：

閥控式密封鉛酸蓄電池標稱電壓（V）2612運行中的電壓偏差（V）±0.05±0.15±0.3開路電壓最大最小電壓差值（V）0.030.040.06電池類別標稱電壓(V)放電終止電壓(V)額定容量(Ah)充放電電流(A)固定型防酸式鉛酸蓄電池21.8C10I10閥控式密封鉛酸蓄電池21.8C10I1065.25(1.75×3)C10I101210.5(1.75×6)C10I10鎘鎳堿性蓄電池1.21.0C5I5

注：1、C5—5h（小時）率額定容量。Ah（安時）；I5—5h（小時）率放電電流，數值C5/5，A。

2、C10—10h（小時）率額定容量。Ah（安時）；I10—10h（小時）率放電電流，數值C10/10，A。5）蓄電池放電終止電壓與充放電電流：6）蓄電池管理參數的設定：均充電壓——通常設定為2.35×n(電池節數)，一般不允許超過

2.40V；浮充電壓——通常設定為2.25×n(電池節數)；充電限流值——通常設定為0.1×

C10(電池容量)；均充觸發值——通常設定為80%×0.1×

C10(電池容量)；浮充觸發值——通常設定為0.01×

C10(電池容量)。以上參數為通用標準，具體參照電池廠家技術說明。因為不同廠家的蓄電池會有細微差別。7）蓄電池溫度補償：閥控蓄電池的溫度補償系數受環境溫度影響，基準溫度為25℃，每下降或升高1℃，單體2V閥控蓄電池浮充電壓值應提高或降低（3～5）mV。當啟用了溫度補償功能后，浮充和均充電壓都按照以下公式進行修正：

Vtc=Vn–TcN（T-25）式中：Vtc——經溫度補償后的電壓；Vn——未經補償的電壓；Tc

——補償系數，mV/℃

；N——蓄電池的個數；T——溫度傳感器指示的溫度。溫度補償功能的溫度有效范圍是：10~35℃

。（注：我公司IDC-200A監控單元，電壓補償公式：△V=-（T-25）/3；式中：T——當前溫度；△V——充電電壓調整值。）8）定時均充功能：規程規定：蓄電池長期處于浮充運行狀態，由于種種因素會造成蓄電池充電不足，補償不了電池本身自放電和爬電漏電所造成的電池容量虧損。因此，根據需要定期（一般取3個月）對蓄電池進行均衡充電。可以使蓄電池消除硫化恢復到良好的運行狀態。

現在大部分直流監控單元都有“定時均充”功能，運行時建議投入。設定時間一般取3個月（2160小時）。無自動功能時，也可以到期手動切換到均充狀態，讓充電裝置對蓄電池進行一次：“恒流限壓充電——恒壓充電——浮充電”的完整充電過程，使蓄電池組隨時具有滿容量。1、幾個常用的技術數據表格：四、直流電源系統運行維護中的重點及常見問題探討1）VRLA蓄電池放出不同容量的標準電壓值（10小時率）放出容量(%)支持時間(h)單體VRLA蓄電池電壓(V)放出容量(%)支持時間(h)單體VRLA蓄電池電壓(V)1012.056061.972022.047071.953032.038081.934042.019091.885051.99100101.802）蓄電池內阻參考數值電池電壓電池容量（Ah）電池內阻（mΩ）電池電壓電池容量（Ah）電池內阻（mΩ）2V2000.506V7.2202V3000.406V12102V4000.356V2001.52V5000.3012V7252V6000.2512V12202V8000.2012V24102V10000.1512V3392V12000.1212V3882V15000.112V6562V20000.0812V804.02V30000.0712V1003.8

12V2002.5注：此處所指蓄電池容量為10小時率下的容量。

所測試的蓄電池均為性能良好且活化后充足電的情況。由于各個蓄電池生產廠家的工藝控制以及原材料的差異，在蓄電池的內阻上會有些差異，但都是在一個數量級，為此以上的內阻數值僅供參考。3）閥控鉛酸蓄電池常見故障及護理方法：故障原因處理方法漏液閥失控、電解液過量、外殼變形、溫度過高、極柱密封不嚴與供貨廠家聯系更換處理酸霧嚴重閥失控、過濾片質量不佳或堵塞、充電電流過大或過充、外殼破裂與供貨廠家聯系處理浮充電壓不均勻內阻分布不均勻、極柱與連接條接觸不良、新電池運行3~6個月內存在不均勻現象均充12~24h后，擰緊單體浮充電壓偏低電池內部有微短路現象均充12~24h容量不足失水嚴重、內部干枯、內部有微短路現象、極柱與連接條接觸不良、長期欠充、早期容量損失均充12~24h后，若仍不行聯系廠家處理電池極柱或外殼溫度過高螺絲松動或浮充電壓過高檢查螺絲，檢查充電機和充電方法電池浮充電壓忽高忽低螺絲松動擰緊螺絲蓄電池組接地電池上部有灰塵或電池漏液殘留物導電清潔電池組，蓄電池組地面加絕緣墊電池鼓脹氣體復合效率差、閥失控、室溫高、充電電流過大或過充、外殼材質耐溫差與供貨廠家聯系處理2、直流系統運行維護中應著重關注的幾個點：1）直流設備運行中重點監視：各種電壓、電流表計及一些重要運行參數的監視。如交流輸入電壓、蓄電池電壓、直流母線電壓、充電裝置輸出電壓等等的數值，應注意其是否正確。各種信號報警指示燈的監視。查看各種設備的“運行”、“報警”等指示燈是否正常。絕緣狀態的監視。注意直流正負母線對地的絕緣狀態，如有接地應盡快查找處理。2）蓄電池的運行中重點監視內容：蓄電池的單體電壓值；蓄電池組的端電壓值；浮充電流的大小及變化；連接片有無松動、腐蝕現象；殼體有無變形和滲漏；極柱及安全閥周圍有無酸霧及冒堿現象；蓄電池室的溫度。3、蓄電池漏液現象分析：現象：閥控密封鉛酸蓄電池發生漏液事故，除了運輸、搬運、安裝造成的機械損傷外，主要是由于制造缺陷引起的。如電解液注入量過多、密封不嚴、密封材料不合格和密封材料老化等。有些廠家的電池在制造過程中在極柱周圍涂抹了硅油，用來增強電池外殼的密封性能，在使用中極柱周圍可能會有非酸性液體滲出，這屬于正常現象，不是漏液，應注意區分。易漏部位：電池殼蓋之間密封處、安全閥處、極柱端子密封處。原因分析：電池殼蓋之間密封處漏液原因分析：電池的密封方法有兩類：膠封（環氧樹脂密封膠密封）和熱封。相對而言，熱熔密封效果較好。膠封出現漏液較多，主要原因是密封膠與殼體是界面粘結，結合力不大，容易脫落，漏液處有缺膠孔或龜裂。熱封如果效果不好，容易在密封處存在熱熔層，有蜂窩狀砂眼，產生漏液通道。安全閥漏液原因分析：加酸量過多；安全閥耐老化性差；極柱端子漏液原因分析：極柱端子密封的普遍方法是：先將極柱同蓄電池蓋上的鉛套管焊接在一起，再灌上一層環氧樹脂密封膠密封。一般電池在安裝使用1年以上就有個別蓄電池的極柱端子產生漏液，使用3~5年端子漏液就較多了，并且正極比負極嚴重，這是目前國內閥控密封鉛酸蓄電池普遍存在的問題。特別架柜臥放的硬連接安裝方式更容易出現漏液。由于電池本身重力導致架柜橫梁變形，硬連接會使端子受力，密封膠層易脫離而漏液。4、蓄電池的熱失控：1）什么是熱失控？由于充電電壓和電流控制不當，在充電后期，會出現一種臨界狀態。如果電池內部熱量產生的速率超過了其在一定環境條件下的散熱能力，電池的溫度將會持續上升，致使電池的塑料外殼變軟，最后導致外殼破裂或融化。這就是所謂的熱失控。2）熱失控現象：熱失控發生后，蓄電池的電流及溫度發生積累性的相互增強作用，使電池外殼變形“鼓肚子”，如右圖。因此，正確選擇浮充電壓和定期檢查每個蓄電池的“健康情況”是非常重要的。3）熱失控的原因：在正常的浮充電壓下是不可能產生熱失控的，只有人為操作和設備失控使電壓過高，或者蓄電池組中個別電池嚴重故障如短路、反極時才可能發生。周圍環境溫度過高。在夏天或野外，氣溫會升的較高，超過35℃以上，此時，如果不及時降低浮充電壓，則會使電池溫度迅速升高。安全閥不嚴或開閥壓過低。當充電電流增大時，電池需要通過安全閥來釋放氣體，從而造成電池的失水、內阻增大、容量衰減和充放電過程中產生大量的熱量，這些熱量如果來不及擴散使溫度劇增，就會形成熱失控。熱失控嚴重的情況下如果放電，有可能使蓄電池瞬間電壓驟降和殼體溫度上升至70~80℃，因此熱失控問題必須引起高度重視。4）熱失控的預防措施：正確選擇及時調整浮充電壓；注意檢測蓄電池的溫度；加強蓄電池室的通風管理，最好裝設空調。5）熱失控的發生（參考數據）如果采用2.35V/單體（25℃）浮充電壓，連續充電4個月，就會出現熱失控；如果采用2.30V/單體（25℃）浮充電壓，連續充電6~8個月，就會出現熱失控；如果采用2.28V/單體（25℃）浮充電壓，連續充電12~18個月，容量會嚴重下降，進而導致熱失控。5、蓄電池發生爆炸的原因：閥控蓄電池在由浮充狀態轉為放電瞬間，下述2種情況可能會發生爆炸引爆。電池內部氫氣的含量超過4%，且有明火時會發生引爆。其主要原因是：浮充電