電力工程直流電源中心議題：
- 蓄電池
- 整流器
- 直流電源監控裝置
- 直流配電系統
電力工程直流電源解決方案：
- 選擇閥控式密封鉛酸蓄電池
- 整流器選擇高頻開關型或晶閘管型
- 選擇直流斷路器作保護設備
摘要：電力工程直流電源的可靠性對保證電力系統的正常運行和事故處理具有重要作用。文章從設計選型角度指出了蓄電池選擇、充放電設備選擇、監控裝置設置、系統接線和操作保護設備選擇等在直流電源可靠性方面存在的問題以及解決方法。
關鍵詞： 直流電源；可靠性；設計選型
0 概述
電力工程包括各種類型的發電廠和500kV及以下變電所，工業企業和樓宇的10kV變電所。為了使其正常運行和進行事故處理，可靠的直流電源是必不可缺少的，它給在正常運行中的電力設備提供控制、保護、信號電源，高壓斷路器才可以正常操作，尤其是當電力系統事故交流電源停電時，更需要一套安全可靠的直流電源，它除了給上述負荷供電外，還要給直流電動機、事故照明及UPS等負荷供電，才能保證電力系統的事故處理和恢復供電。
多年以來，人們在直流電源可靠性方面做了大量的理論研究和實踐工作，廢除了一些落后設備和元器件，改善了系統接線，提高了自動化水平，擁有了先進的技術指標，以及長壽命和少維護的原則，可靠性已大大提高。目前，電力系統廣泛采用了閥控式密封鉛酸蓄電池、高頻開關整流器或微機型晶閘管整流器、直流斷路器、直流電源監控裝置等。
但是在蓄電池選擇、充放電設備選擇、監控裝置設置、系統接線和操作保護設備選擇等方面仍然存在一些影響直流電源可靠性的問題。除了設備技術質量方面的問題之外，本文將從設計選型方面對直流電源可靠性方面提出一些問題和解決辦法。
1 蓄電池
近十年來閥控式密封鉛酸蓄電池得到了廣泛的應用。它在使用中具有無需添加酸液，不漏液，無酸霧，自放電電流小，內阻小，壽命長，安裝方便少維護等優點。但是它對溫度反應靈敏，因而對充電電源要求較嚴格，不允許嚴重的過充或欠充。
因此，在設計選型方面應注意以下問題。
1.1 蓄電池組數的選擇
《直流設計規程》已經對各種類型的電力工程有了明確的規定，其原則是從直流負荷供電可靠性的觀點出發的，發電廠應按單元機組和動力、控制負荷分設獨立直流電源系統，網絡控制部分獨立設置，遠離主廠房的輔助車間單獨設置，盡量使每組蓄電池直流系統的供電范圍減小和保證功能的獨立性。110kV重要變電所和220kV及以上的變電所是從重要性和滿足繼電保護、斷路器跳閘機構雙重化的供電需求出發，規定裝設2組蓄電池。因此，蓄電池組數應從供電負荷的需要和可靠性出發，盡可能的減少供電范圍和從工程的重要性考慮配置情況。
1.2 蓄電池個數的選擇
無端電池和不設降壓裝置的直流系統，它簡化了直流系統的接線，避免了端電池的硫化和硅降壓設備的麻煩問題，因而提高了可靠性。但是要求蓄電池組的運行必須滿足其正常運行時母線電壓為標稱電壓的105%，在線均衡充電電壓時母線電壓不應超過標稱電壓的110%，事故放電末期的母線電壓為其標稱電壓的 85%，即標稱電壓為220V的直流系統的母線電壓允許在187～242V之間波動。這樣浮充電壓為2.23V，均充電壓可以選在2.28～2.33V之間，事故放電末期電壓選擇在1.8V以上，完全滿足了直流母線電壓在允許范圍內波動。根據計算，220V蓄電池組的個數對于單體2V的蓄電池只能選擇在 103或104個。但是大多數小型電力工程的220V直流系統的蓄電池均選用200Ah以下蓄電池，大多選用12V或6V組合體蓄電池，對于12V組合體經常選用18只，這相當于單體2V蓄電池108個，這樣正常運行時直流母線電壓偏高，降低浮充電壓則對蓄電池壽命有影響，由于運行中均衡充電時直流母線電壓更高，因而更習慣采用硅降壓裝置調壓，增加了復雜性，降低了可靠性。在直流負荷較小、蓄電池容量有保證的情況下，可以提高事故放電末期電壓大于 1.83V，選擇單體2V 102個蓄電池或17只12V組合體，34只6V組合體的蓄電池。目前一些蓄電池廠可以生產帶一假體的組合體電池，即生產 10V組合體或4V組合體的蓄電池，若選擇14×12V+4×10V或34×6V+1×4V也相當于單體2V的104個蓄電池組。總之應嚴格控制蓄電池組的個數，實現簡化直流系統接線的目的。
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1.3 試驗放電設備的選擇
DL/T 5044—2004《電力工程直流系統設計技術規程》規定“試驗放電裝置宜采用電熱器件或有源逆變放電裝置。”DL/T 724—2000《電力系統用蓄電池直流電源裝置運行與維護技術規程》也規定了蓄電池的核對性放電方法和放電周期。
長年運行在浮充電方式下的蓄電池的事故放電容量究竟是多少，若僅依靠一般的容量檢測方法其可信度不高。蓄電池端電壓的高低不是容量后的指標。惟一的方法是定期進行核對性充放電對蓄電池活化和對容量進行核對，確保蓄電池始終能運行在90%以上的容量。滿足當交流事故停電時，發電廠事故停機和變電所的事故處理時直流負荷的需要。這也是直流電源可靠性的重要環節。
由于放電設備裝備水平的落后，放電設備選擇比較困難而沒有很好的選擇，給蓄電池的運行維護帶來不少困難。
2 整流器
整流器是直流電源的重要設備，它的優劣直接影響蓄電池長期可靠運行，因此它的主要技術特性應滿足蓄電池的充電和浮充電要求，長期連續工作制，應有穩壓、穩流及限流性能，技術參數滿足有關標準的要求，各種功能可以自動或手動切換，運行安全、靈活等。
設計選型中應注意以下問題：
（1） 浮充電壓對于閥控式密封鉛酸蓄電池宜選擇2.23V，這是一個直流系統長期可靠運行和關系蓄電池壽命的重要問題。蓄電池的浮充電壓正確選擇是一個較復雜的問題。浮充電壓應滿足補償電池自放電電流及維持氧循環的需要，實際上還應考慮電池結構、正極板柵腐蝕速度，電池內氣體排放，以及直流系統母線電壓為105%UN的要求等。浮充電壓偏低則浮充電流不能維持蓄電池氧循環和補償電池自放電而使蓄電池端電壓形成偏差。浮充電壓過高則加劇正極板腐蝕速度、排氣、失水的后果。對閥控式蓄電池，不允許過充和欠充的要求較高，故應根據蓄電池的特性，選擇合適的浮充電壓。
（2） 穩壓、穩流及限流特性。為了保證蓄電池能夠運行在最佳狀態和應用兩階段定電流恒電壓的充電方法。為了保證直流母線運行電壓和防止落后電池的產生，浮充電時的穩壓特性十分重要。充電時的穩流特性也十分重要，在供電電壓逐步上升時可保持穩定電流，保證電池的正常電化學反應，并順利進入到恒壓的均衡充電階段，達到改善電池特性參數或解決個別落后電池容量恢復的問題。限流特性可防止在負荷突增時，整流器產生“搶負荷”和“超調”現象而輕易跳閘。穩壓、穩流及限流特性參數指標應滿足表1的要求。
表1 穩壓、穩流及限流特性參數指標
3 直流電源監控裝置
由于發電廠、變電所及電力調度部門均采用了計算機監測、監控技術。直流電源系統是電力工程中電氣系統的一個組成部分。它對保證電力系統自動化裝置的應用和可靠性起到重要作用。它的技術條件、基本參數、基本功能、安全性能、結構工藝等均應滿足DL/T 856—2003《電力用直流電源監控裝置》電力行業標準的要求，行業標準規定監控的主要內容有充電電壓、電流穩定運行的自動調整，浮充轉均充或均充轉浮充的按運行方式自動轉換，主要直流斷路器的運行狀態和事故報警，直流母線電壓的正常顯示和異常報警，直流系統絕緣狀態監測，蓄電池在線檢測，逆變放電的自動調整等。目前在充電電壓、電流隨溫度變化的自動調整，運行中自動轉換充電方式，逆變放電，嚴重接地自動跳閘，蓄電池在線檢測的可靠性和智能化方面仍需努力。
4 直流配電系統
直流系統接線、網絡設計、操作和保護電器選擇是影響直流電源可靠性的主要問題。
4.1 直流系統接線
直流系統接線應力求簡單、安全可靠、維護操作方便。1組蓄電池接線可為單母線分段或單母線。2組蓄電池設兩段母線，兩段母線之間設聯絡電器，一般為隔離開關，必要時可裝設保護電器。總之直流母線接1組蓄電池和相應的充電設備，同時由母線饋出線路給支路負荷供電，只有在由雙重化直流負荷或1組蓄電池配2 套充電設備時，其母線才進行分段。
目前有少數電廠和變電所仍有帶端電池的雙母線或是設降壓裝置的控制和合閘母線系統，帶端電池的雙母線系統雖然能夠使蓄電池容量得到充分利用，但接線復雜及端電池維護困難運行操作不靈活，已基本不采用了。設降壓裝置的控制母線，合閘母線分設的接線方式對采用鎘鎳蓄電池的系統是必不可少的，因為鎘鎳蓄電池單體電壓為1.2V，220V系統選用180個左右蓄電池，浮充電壓為1.36～1.39V，均衡充電壓為1.47～1.48V，事故放電末期電壓為 1.10V，則直流母線電壓會在266～198V之間波動。不可能滿足控制負荷的要求，因此小容量的蓄電池要滿足大電流電流合閘機構，也應設合閘母線。但是對于采用閥控密封鉛酸蓄電池的直流系統是不需要的。
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4.2 網絡設計
直流供電網絡宜采用輻射供電方式。小容量（200Ah以下）蓄電池直流系統，由于供電范圍小，可以是在蓄電池接入直流母線后直接給負荷分別供電的兩級網絡系統。中大容量（200Ah以上）的蓄電池直流系統，由于供電范圍大，可以在負荷集中處設直流分電柜，由直流分電柜給負荷供電，包括大負荷的再分配，也只形成3～4級的網絡系統。
幅射供電網絡，對負荷施行單一供電，因而互不影響，分電柜方式也節省了電纜，另外給查找接地、保護設備選擇方面均帶來方便。
4.3 操作保護電器選擇
直流斷路器集操作與保護功能為一體，安裝方便，操作靈活，穩定性高，保護功能完善。一般兩段式保護的直流斷路器，具有過載長延時的熱脫扣功能，又有短路時電磁脫扣瞬動脫扣功能，應該說是理想的選擇。但是直流斷路器的額定電流選擇是根據所供電的負荷電流計算確定。選擇大了，由于負荷電流小，在過載時（I2t）熱脫扣延長了時間。選擇小了，由于負荷電流大，長時間運行加上環境溫度高，熱脫扣可能誤動。當斷路器的額定電流已經確定后，除了過載長延時熱脫扣的保護特性已經形成，同時短路瞬時電磁脫扣特性也已形成，一般是10IN±20%動作，可是斷路器安裝處的短路電流決定短路瞬時脫扣的靈敏度，必須進行計算驗證。
直流斷路器安裝處的短路電流及靈敏度計算公式如下
Idk=nU0/n（r0+rl）+Σrj+Σrk
Kl=Idk/Idz
式中，Idk為斷路器安裝處短路電流，A；U0為蓄電池開路電壓，V；rb為蓄電池內阻，Ω；rl為電池間連接條或導體電阻，Ω；Σrj為蓄電池組至斷路器安裝處連接電纜或導體電阻之和，Ω；Σrk為相關斷路器觸頭電阻之和，Ω；Kl為靈敏系數，應不低于1.25；Idz為斷路器瞬時保護（脫扣器）動作電流，A。
由于參數復雜，各設計院、成套廠或運行單位均不可能精確計算短路電流，因此靈敏度也無法校驗。
由于短路電流的不確定性，本來按照負荷電流選擇額定電流并考慮了上下級的級差配合，但是短路瞬動保護不能保證其級差配合，短路電流大，肯定會出現越級現象而擴大事故范圍，這是必須要解決的問題。一些單位用取消瞬動脫扣器辦法或在蓄電池出口改用熔斷器的辦法，計算和試驗證明，仍然會發生越級和損壞設備的情況。在智能型直流斷路器沒有出現之前，采用三段（過載長延時+短路瞬時+短路短延時）的直流斷路器，從負荷側向電源側逐級加大時限的方法，不必精確的計算短路電流，可以達到盡快的切除故障，又實現級差配合的要求，不拒動、不誤動，更不可能越級跳閘。
5 結論
電力工程直流電源可靠性的基本點是選擇閥控式密封鉛酸蓄電池，每組蓄電池應有獨立的供電范圍，蓄電池組個數的選擇應滿足各種運行工程對直流母線電壓的要求，蓄電池應考慮放電設備。整流器選擇高頻開關型或晶閘管型，應有冗余或備用，技術指標主要是滿足蓄電池使用壽命需要。直流電源監控裝置首先要保證充電整流器的需要，完善的監控裝置仍需開發研制。直流配電系統應簡化接線，輻射供電，保護設備應選擇直流斷路器，在滿足過載保護可靠性的條件下，還能保證短路保護時的快速斷開功能，必須具備可靠的級差配合。
