（电气工程专业论文）基于现场总线的厂用直流监控系统.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 目前国内大型发电厂的直流系统自动化和可靠性水平不高，不能满足发电厂、变 电站的安全运行需要，有些电厂直流系统缺乏有效地监控管理，蓄电池没有达到使用 寿命就全部更换，电池维护不好( 特别是进口v r l a 免维护蓄电池) 给电力安全生产 造成直接经济损失。随着计算机技术和现场计算机总线技术及电子技术的发展，开发 研制符合电力安全生产的厂用直流监控系统非常必要。 基于目前发电厂2 2 0 v 直流系统工作现状，本文提出了包括短路保护、备用电源 自投、蓄电池监测、充电器控制等功能，采用先进的现场总线分布式监控技术来完成 的发电厂直流监控系统。 针对现有的直流系统大量使用熔断器作为短路保护，在少量负荷末端使用带热脱 扣的厂用直流断路器作为短路保护，还有少量使用延时脱扣直流断路器组成级差配合 的短路保护，这些传统的短路保护方法存在可靠性低、容易误动拒动，特别是热工直 流系统使用带热脱扣的厂用直流断路器作为短路保护经常出现越级跳闸，给恢复发电 设备及查找故障点带来困难。本文提出了通过现场总线实现三段式微机短路保护，在 发电厂直流系统实现符合继电保护原则的短路保护。 针对发现落后阀控铅酸蓄电池不及时，即使更换了电池也报可能同样损坏整组电 池，发电厂这样的事件已经发生过，本文提出了新的基于在线监测电池放电曲线法监 测电池容量的方法，此方法测量误差较大，却可及时发现落后电池，对落后电池进行 活化并补充充电后可大大提高整组蓄电池的健康水平，本文还提出在监测蓄电池温度 和电压等状态的基础上进行蓄电池充电放电控制，可以延长密封式铅酸蓄电池的使用 寿命。 关键字：直流系统在线监控短路保护蓄电池容量监测现场总线 论文类型：应用研究 华中科。| ：技“i 火学i 二颃士学位论文 a b s tr a c t d ca u x i l i a r yp o w e rs y s t e m sp l a ya l le v e r - i n c r e a s i n gr o l ei ng e n e r a t i n gs t a t i o nc o n t r o l a n di np r o v i d i n gb a c k u pp o w e rf o re m e r g e n c i e s n o w a d a y s ，w i t ht h ef u r t h e ri m p r o v e m e n t o fd e p e n d a b i l i t yr e q u i r e st od cs y s t e m si np o w e rp l a n t , t h el e v e lo fo n - l i n ei n s p e c t i o nt o d cs y s t e mm u s tb es t r e n g t h e n e dt om e e tt h er e q u e s to fm o r ed e p e n d a b i l i t yt od cs y s t e m w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e ms c i e n c e ，e s p e c i a l l yt h ec o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , p o w e rs y s t e mi sh e a d i n gf o rs y n t h e t i ca u t o m a t i o n ，u n a t t e n d e dt e c h n o l o g ya n d c e n t r a lm a n a g e m e n tb a s e do i ln e t w o r k a sa ni m p o r t a n tp a r to fp o w e rs y s t e m ，d cs u p p l y s y s t e mm u s t m e e tn e wr e q u i r e m e n t sn o w s oi ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pd cs u p p l ys y s t e m w i mh i 曲p e r f o r m a n c ea n dh i 曲- l e v e la u t o m a t i o ni nt h i ss i t u a t i o n o nt h eb a s i so fr e v i e w i n gt h et e c h n o l o g yu s e dt o d a y , t h i sp a p e rp u tf o r w a r da m a n a g e m e n ts o l u t i o nf o rd cs y s t e mi n t e g r a t e dp r o t e c t i o nf o rf e e d e r s ，c o n t r o lo ft h eu p s ， m o n i t o ro nb a r e r y , c o n t r o lo f t h ec h a r g e ，e t c t h en e wf i e l db u st e c h n o l o g yw a su s e di nt h e d e s i g n e ds y s t e m e v e ni nt o d a y , f u s ei sw i l d l yu s e di nd cs y s t e ma sp r o t e c t i o n s 勰w e l la st w ok i n d so f r e l a y ss o m e t i m e sa r eu s e di nd cs y s t e m 韶p r o t e c t i o n s t h e r ea r eal o to f p r o b l e m sr e s u l t e d i nu s i n gt h o s et r a d i t i o n a lp r o t e c t i o ns c h e m e f o re x a m p l e ，t h o s em e t h o d sa r en o tr e l i a b l e s o m e t i m e st h e yr e f u s et oa c t , w h i c hb r i n gd i f f i c u l t yt ot h er e c o v e r ya n dt h e f i n d i n g l o c a t i o n so ff a u l t a c c o r d i n gt ot h ef a c tm e n t i o n e da b o v e ，t h i sp a p e ra p p l i e st h et h e o r yo f t h r e e - s e g m e n ta cp r o t e c t i o nf o rt h ed cs y s t e mu s i n gf i e l db u sa n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y a c c o r d i n gt o t h ef a c tt h a ti ft h eo fl a g g e dv r l ai sn o tr e p l a c e dt i m e l y , t h ew h o l e b a a e r ys t r i n gw i l lb ed e s t r o y e d ，t h i sp a p e rp u tf o r w a r dan e wt h e o r yu s e df o ro n - l i n e m o n i t o r i n g t h em e a ne r r o ro ft h i st h e o r yi sl a r g e ，b u te n o u g hf o ri d e n t i f yt h el a g g e d b a k e r y r e p l e n i s h i n gf o r t h el a g g e db a t t e r yc a ni m p r o v et h es t a t eo f t h eh e a l t ho f t h ew h o l e b a r e r ys t r i n g a l s oam e t h o di sp u tf o r w a r d e dw h i c hc o n t r o lt h ec h a r g ea n dd i s c h a r g eo f b a t t e r yb a s e do nt h ev o l t a g ea n dt e m p e r a t u r e k e yw o r d s ：d cs y s t e m ，o n - l i n em o n i t o r ，s h o r t - c i r c u i tp r o t e c t i o n ，v r l a ， c a p a c i t yd e t e c t ， f i e l db u s i j 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：7 童氏叠 f 2 0 0 x 年4 月j 占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密吼 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：任民主 2 ，oos 年4 月? p 日 指导教师签名： 移年乒月砑日 华中科技大学硕士学位论8 筻 1 概述 1 1 厂用直流监控系统存在的问题 发电厂直流系统是电力系统非常重要的保护与控制电源，它为发电厂的电气、热 工、自动装置、事故照明、通讯等厂用系统等提供工作电源川。厂用直流系统的事故 将导致电力系统灾难性的设备损坏和系统事故，因此有必要对厂用直流系统进行完整 的监控，即能对发展性故障给出报警，又能在发生短路、失压故障时跳开故障支路， 将备用电源自动投入从而恢复故障支路的供电，并将故障的电压电流及开关动作情况 记录下来，在装置不能自动恢复供电时锈够远方控制电源的恢复1 2 1 科， 目前，在发电厂中厂用直流控制或动力系统能够实现的监控功能很少1 4 l ，甚至只 实现了部分监测功能。厂用直流系统进行在线监控对提高厂用直流系统的可靠性和减 少操作员的误操作可能意义重大。为了叙述方便，本文以2 2 0 v 厂用直流系统为例进 行讨论，其结论也适用于l i o v 、3 6 v 、2 4 v 系统。因此，若无特别说明，文中的厂用 直流系统专指2 2 0 v 厂用直流系统。 i 段母线 i i 段母线 图1 1 直流系统模型图 i 华中科技天i ：i 学颔士学位论爻 1 2 国内外研究现状 目前，国内外研制的厂用直流监控系统器包括很多厂用直流系统绝缘监测装置、 少量的蓄电池状态监测装置，一些必要的监控功能如：配合蓄电池状态监测进行充电 器充放电控制、短路保护的科学配置、备用电源自投等功能，在现有的厂用直流监控 系统中很少见蛩 t s l 。由于对免维护蓄电池缺乏必要的状态监测手段，湛江电力有限公 司4 x 3 0 0 m w 机组厂用蓄电池因充电不够造成较大的损失，2 0 0 3 2 0 0 4 年共更换4 组 蓄电池，使用寿命仅7 9 年，如果直流系统有健全的监控手段，不但能提高直流系统 的运行维护水平，而且可大大减少因维护不当造成的损失，例如蓄电池提前报废、直 流系统故障后不及时排除引起严重的扩大事故等等。 1 2 1 厂用直流系统结构 发电厂赢流电源是一个十分庞大的多分支供电网络f 3 i 。为了保证电力系统的安全 性和可靠性，在发电厂和变电站通常采用蓄电池储能的厂用直流电源作为控制、保护、 信号电源。以湛江电力有限公司2 台3 0 0 m w 汽轮发电机组的厂用直流控制系统为例， 图1 1 给出了厂用直流控制系统的模型，其中l 1 为1 级母线及负荷，一般与充电器 一起安装在配电室内，蓄电池组安装在就近的隔壁配电室内，l 2 为2 级母线及负荷， l 3 为3 级母线及负荷，2 、3 级母线及负荷分布在全厂距离l 级母线2 0 m 1 5 0 0 m 距 离的范围内，每一段母线的负荷数在2 3 0 a 之间。 1 - 2 2目前采用的厂用直流系统短路保护 为了适应新颁布d l f r5 0 4 4 - 2 0 0 3 电力工程直流设计技术规程( 以下简称设计 规程) 有关规定，目前国内在原只使用熔断器作为过负荷及短路保护的基础上发展了几 种新的保护方法。作为直流系统短路开断的主要保护有四种：一是熔断器法；二是熔 断器微型带热脱扣直流断路器法口l ；三是同型两段式微型断路器的配合：四是塑壳式 直流断路器带延时微型直流断路器瞬时微型断路器。以下就四种保护方式进行分析； a 熔断器法 熔断器仍作为厂用直流系统的短路保护的主要手段，至今在电力行业仍然大量使 2 华中科技大? 学硕士学位论文 用。就短路故障开断而言，有其很科学的一面。 分析其优点是； 1 ) 熔断器具有良好的短路开断性能； 2 ) 开断过程无需其它操作电源； 3 ) 可根据容量搭配获得比较合理的时间配合； 4 ) 运行维护简单。 其主要缺点是： 1 ) 熔断器的热脆性问题。由于多次、长期的合闸，短路等冲击电流影响，其容 量易发生变化； 2 ) 分散性大，虽然是同一容量、同一品牌的熔断器，其实际熔断电流亦存在比 较大的差异； 3 ) 由于管理上的问题，易造成错用； 4 ) 无法实现厂用直流回路电源的自动切换，改变运行方式不方便，供电的可靠 性较差。 因为厂用直流系统自身存在上述难以克服的不足之处，所以易出现保护动作顺序 上的紊乱，熔断器越级熔断，造成厂用直流电源消失，引发更大事故。 b 熔断器与微型脱扣直流断路器 此方法是近年来出现的发电厂直流系统短路保护方法，其利用直流断路器的热脱 扣器整定电流倍数和时延来整定断路器的跳闸时间及顺序。具有选择性好，运行维护 简单等优点；其缺点是切除故障时间较长，不能实现运行方式的自动调整i 11 7 1 。 c 同型号直流断路器两段式保护( 过载长延时，短路瞬时) 两段式直流断路器在短路电流是上级开关额定电流的8 1 0 倍范围、4 5 级级差 配合下，正确动作，配合良好。但如果短路电流达到或超过上级断路器额定电流的1 0 倍时，上下级断路器均进入遽动区，同时动作，造成越级跳闸嗍1 7 j 。 级差配合时需计算各级断路器最大短路电流，计算时需考虑断路器内阻和连接电 阻，如不进行计算，就有可能出现误动或拒动。 这种方法靠调整瞬时脱扣器电流动作值来实现上下级匹配，如果制造中出现联接 华中科技大学硕士学位论文 松动、铜材质变化或截面积不够等影响，会使回路电阻值产生很大变化。原计算的短 路电流值会降低，产生拒动，如上级是熔断器，此时熔断器会熔断，出现越级误动。 另外，生产现场经常用错，给设备带来不安全隐患。 d 不同型号断路器的配合( 上级采用塑壳式断路器、下级采用微型断路器) 因塑壳式直流断路器的固有动作时间高于微型断路器，因此上级配塑壳断路器、 下级配微型断路器的配合，其具备选择性的短路电流值要高于同型配合，据国内有关 试验，其选择性极限电流延伸到约为2 0 倍左右的上级额定电流i 们i t l 。 e 三段式直流断路器的配合( 过载长延时，短路短延时，短路瞬时) 三段式直流断路器，上级为三段式，下级为两段式或三段式直流断路器时，级差 为2 级，在短路电流为上级断路器额定电流的2 5 4 0 倍范围均正确动作1 6 1r t i 。 采用三段式断路器可以实现小级差配合，而且不必考虑短路电流的影响，能够 适应设计规程关于直流分电屏设计方案中多级配合的要求。 设计规程对三段式直流断路器的级差配合未做规定。从试验结果看，由于上级断 路器短延时时间大于下级断路器全分断时间，上级短延时能够返回，因此可以实现小 级差配合，而且不须考虑短路电流的影响，能够适应设计规程关于直流分电屏设计方 案中多级配合的要求。 它的缺点同样是整定不灵活，不容易调试校验，当系统短路电流因改造而发生变 化时需将断路器换型等等弊端。 1 2 3 目前采用的发电厂直流系统蓄电池监控 阀控式铅酸蓄电池( v r i a ) 以其方便和耐用迅速地占领了越来越多的市场，代 替了电力、电信等领域原来广泛使用的开放式铅酸蓄电池。阀控密封铅酸蓄电池具有 重量轻、占地少、无酸雾污染、少维护等突出优点，但它同时也有许多先天的不足， 比如：对充放屯精度、浮充电压、使用环境要求高等。因此，蓄电池投入使用后，由 于电池出厂前的设计、工装设备、质量控制等因素，以及浮充电压设定、使用环境温 度等，会导致活性物质脱落、变坏、正极栅格腐蚀及硫化等现象，从而会使整组电池 出现容量丢失，这样将给安全生产带来极大的隐患。出现供电故障时需电池供电而电 池无法供电的问题，因此，维护规程中要求对蓄电池进行核对性容量试验和脱载试验， 4 华中科技大学硕士学位论文 目的就是测量电池组的实际容量，找出落后电池，消除隐患i “i i z 2 l ，目前v r l a 的监 测方法有以下几种。 a 手动测量法1 8 1 1 9 1 人工手动测量蓄电池单体电压、温度，缺点是劳动强度大、速度慢，且不能测量 出单体蓄电池容量。 b 整组蓄电池监测法 测量电池组的电压、电流和温度，进行充电和放电管理，尤其是可以根据环境温 度变化来调整电池组的浮充电压( 温度补偿) ，在电池放电时电池组电压低至某下限 时报警，但整组监测装置无法监测电池及电浊组的实际容量，无法筛选其中已劣化的 电池。 c 单电池电压监测法 这种方法的缺点是在浮充电状态，监测单体蓄电池电压只能发现极个别性能很 差，浮充电压超常的电池。对于浮充电压的小幅值差异，系统并没有办法区别和处理。 也就是说，这种方法对于电池性能变坏，容量已经大幅下降的老化电池监测无能为力。 上述情况发生时电池浮充电压变化不明显，监控系统也不会报警，一旦发现某电池的 放电电压异常，这时报警己为时太晚。实践证明，单电池电压监测的预警性和前瞻性 较差，无法准确测定电池容量科。 d 电池内阻监测与个体电压在线监测法 近年出现的用厂用直流放电法测量电池内阻是电池监测技术的突破性进展，郎由 被动监测电池电压到主动精确测试电池内阻和在线监测电池组动态变化，这种方法可 准确判断劣化电池。但在电池早期容量损失时，由于电池内阻变化不大，问题不能被 及时发现往往错失电池维护的最佳时机i 加i 。 e 完全核对性放电容量试验监测法 以1 i o 放电至终止电压i s v x n 时停止放电，隔l 2 h 后再用i l o 电流进行恒漉限 压充电至均充电压，转以均充电压恒压充电，当充电电流小至0 1 i i o 后1 小时转为浮 充电，浮充电压按蓄电池平均温度动态调节。此方法通过充电能量可比较准确地测量 电池剩余容量，但试验间隔长，且对v r l a 寿命有损伤，必须严格按年限执行1 9 i 。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 ，4 厂用直流监控系统技术的发展 随着电力系统自动化程度的提高，机组单机容量达到1 0 0 0 m w ，电网的电压等级 达到5 0 0 k v ，这就对发电厂直流系统的可靠性提出了更高的要求，需要能方便、快捷 地查找故障点，对单体电池电压、蓄电池充电电流进行监测，对直流充电器进行控制 的装置，而目前的发电厂直流监控系统装置不能完全满足上述要求。近年来，随着以 计算机为代表的数字技术的突飞猛进以及一些新的科学分析方法的应用，给高性能厂 用直流监控系统装置的研究提供了新的手段和可能1 4 j 。 1 3 本文的主要工作和章节安排 针对上述问题，我们与湛江电力有限公司合作，针对发电厂直流监控系统提出一 个较先进的解决方案，本文所作的工作主要有： 1 ) 基于目前直流系统短路保护较简单，不能满足继电保护基本要求的现状。1 ，借 鉴交流系统成熟的短路保护技术，提出新的厂用直流系统短路保护配置方法， 有效提高了短路保护的可靠性、灵敏性、速动性和选择性； 2 ) 针对直流系统重要负荷失电会造成发电设备严重损坏的问题，结合电力生产 实际情况，按照防止电力生产二十五项重大事故技术措施要求，提出了 新型的厂用直流系统重要负荷备用电源自投方法，可以防止重大设备事故发 生。 3 ) 根据目前阀控密封铅酸蓄电池v r l a 已普及应用而不能有效的在线容量监测 的现状，提出一种基于在线监测蓄电池放电曲线的新的铅酸蓄电池在线无损 容量监测方法l l i ，提出在监测蓄电池温度和电压等状态的基础上进行蓄电池 充电放电控制，可延长阀控密封蓄电池的使用寿命。 本论文的章节安排如下： 第一章：介绍当前国内外厂用直流监控系统技术的研究状况，提出目前发电厂直 流监控系统装置存在的闯题，提出论文的工作内容。 第二章：介绍一种直流系统短路保护和备用电源自投新方法。针对目前厂用直流 监控系统存在的问题，针对大型发电厂内厂用直流系统的特点，借鉴了继电保护领域、 6 华中科技j 大学硕士学位论文 交流电源配电监控系统领域的成熟技术。结合实际工作需要，提出了新型的厂用直流 微机三段短路保护和重要直流负荷备用直流电源自投方法。 第三章：一种新的发电厂蓄电池组监测及充电器监控方法。本章根据v r l a 的特 性，提出了基于现场总线的直流系统蓄电池监控方案，提出一种并通过主控微机实现 在线无损监测估算蓄电池容量的新方法，从而在蓄电池的劣化初期发现蓄电池容量损 失，通过单体蓄电池活化并补充充电，可大大提高整体蓄电池的健康水平，从而大大 延长蓄电池组的寿命。 第四章：系统的总体设计及评价。对系统进行了总体的硬件设计和软件设计，根 据预算对其经济性进行评价，并对该系统的功能进行评估。 第五章：总结与展望 华中科技一大学硕士学位论文 2 基于现场总线的三段式微机直流短路保护 上一章分析了直流短路保护的现状，在传统直流系统短路保护中存在级差不易配 合、整定不灵活、不容易调试校验，当系统短路电流因改造而发生变化时需将断路器 换型等弊端，本章详细分析了发电厂对直流系统短路保护的技术要求，借鉴了继电保 护及交流配电监控系统等领域中的成熟技术，提出了新型的厂用直流微机三段短路保 护和重要直流负荷备用电源自投方法。 2 1 基于现场总线的三段式微机直流短路保护 2 1 1 对直流系统短路保护的制造要求分析 发电厂的直流系统的结构特点是多级、多分支、多地域，并集中在电缆距离3 k m 的范围内，直流系统短路保护的技术要求是： i ) 符合继电保护的快速性、选择性、灵敏性、可靠性原则； 2 ) 通讯的最长时间不超过l m s ； 3 ) 短路电流测量精度达到1 ； 4 ) 成本不能太高，成本太高则失去了实用价值； 5 ) 现场抗干扰能力要强； 6 ) 故障记录、故障分析功能要全，短路保护动作后需发出报警，并将短路电流， 开关动作时间，动作的开关负荷名称记录下来，提供短路故障报表； 7 ) 要有现场设备的监测画面，便于设备监测及事故处理； 8 ) 要有齐全的运行抄表功能。 继电保护必须符合快速性、选择性、灵敏性、可靠性原则i n i ，为了达到这些目的， 选择了由电流互感器和单片机组成的微机遮断主保护。当短路发生在保护区域外对保 护装置应不动作，达到了快速性、选择性、灵敏性要求，当微机速断保护拒动时，配置的 机械过流保护、总熔断器保护作为一、二级后备保护，保证能切断短路电流，达到了可靠 性要求。当重要负荷母线失电时让工作电源开关跳开时，备用电源自动投入讲。 8 华中科i 技。i 大学顽士学位论文 2 1 2 厂用直流系统短路故障的特点 发电厂直流系统最大的特点是供电线路短，各分支的短路电流和电源首端的短路电 流基本相等。传统的反时限熔断器法对发电厂直流系统短路后的故障切除，因熔断器的 分散性和热脆性等，有可能使本该断开的熔断器未断开，而越级动作到上一级线路的熔 断器p l ，使供电电源消失和事故迅速蔓延扩大，造成电力系统灾难性的设备损坏和系统 事故。在近几年来，很多电厂和变电站开始在电源末端推广使用热脱扣空气开关来代替 未端的熔断器，这一方法大大改善了原有短路保护装置的弊端，但仍存在选择性差、速 动性差，上下级断路器的动作时限分散性大的问题。而且，断路器在制造时，制造厂商 按用途将短路器分成几种时延供设备选型时选择，而现场很难仅凭两三种断路器的型号 ( 短路电流是基本相同的) 选择来完成选择性配置，这给现场应用带来很大不便。因此， 有人提出了一种折中方案，即：在最末端的电源采用空气断路器，其它配电电源采用熔 断器，厂用直流充电器电源的输出开关采用带继电保护的空气断路器。此方案基本上在 短路保护方面不能满足继电保护快速性、选择性、灵敏性、可靠性的四项基本要求i l “。 2 1 3 发电厂直流系统短路判别方法 ，u r e 、 图2 1 直流短路模型图 r 厂用直流系统最大的特点是各段分支的短路电流基本相等， 在1 0 2 0 k a 左右) ，短路时母线电压很低。如图2 - 1 所示。 根据电工原理最基本的概念： i = u r e = p ( r 十r ) 式中：e 代表厂用直流系统电池电势 短路电流大( 一般约 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 9 华中科技大学硕士学位论文 i 代表短路时流经电池的短路电流 r 代表负载电阻 r 代表电池的内阻 根据上述原理，对厂用直流系统短路特征描述如下： 短路电流i d = e ( r 押) = e 声8 1 0 i n 短路电压u = 0 根据厂用直流系统短路特征，对厂用直流系统短路保护的判据提出如下： ( 1 ) i d z = k * i m a x r ( 2 ) u d z = 5 0 ( v ) ( 3 ) 选择性逻辑判据 式中：i d z 代表保护动作电流 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) k 代表可靠系数，暂取1 1 1 2 倍 i m a x r 代表该支路的最大工作电流( 如s w 6 高压开关c d 6 电磁操作机构的合 闸冲击电流2 7 5 a ) 如图2 2 所示，设第三级支路l 3 发生短路时，支路l 2 、l 1 均感受到短路电流， 均满足三段式电流保护动作的电流条件，所以必须设法区分，有选择性地切除支路 l 3 上发生的故障。 根据以上逻辑判别条件构成的三段式电流保护动作如下i l l l ： 1 ) 速断保护对于l 1 l 3 级任意支路上发生在本支路上的短路故障均可有选 择性的速动切除故障： 2 ) 定时限一段对于发生应由速段保护切除的故障，因各种原因造成速段动作 失败后，可由其上一级保护延时t 切除故障； 3 ) 定时限二段对于发生在由定时限i 段切除的故障，因各种原因造成开关开断 故障动作失败后，可有其上一级保护延2 个t 切除故障。 根据以上动作原理构成的保护不仅满足选择性的要求，更为以后系统扩充带来极 大的方便，也为今后工业化生产打下了基础。以后每增加一个分支厂用直流供电回路， 无需变动其上级保护的设置。 l o 华中科技大学硕士学位论文 充电器来 断器 模块a 模块b l 模块b 2 2 三级直流短路保护配置图 2 1 4 三段式厂用直流电流保护的特性 根据继电保护的构成构成原理，本装置也应满足选择性、灵敏性、速动性、可靠 性的基本要求。以下就其它方面简述如下： a 速动性 根据逻辑判别的原理构成的选择性判据。每级各支路不仅满足本支路故障快速保 护的要求，且满足为下一级支路的近后备及下下一级远后备保护需要。近后备及远后 备保护延时主要取决于下一支路厂用直流断路器的分闸时间及灭弧时闻的长短。 b 灵敏性 用此原理构成的保护有很高的灵敏性，具体分析如下： 华中科技大学硕士学位论文 电流元件灵敏度：k s e i = i d m i n i d z ( 2 - 7 ) 电压元件灵敏度：k s e u = u d z u d m i n( 2 - 8 ) c 可靠性 由于本装置动作电流是按照最大负荷电流选取，故有很高的灵敏性，具体分析如 下： 1 ) 最大负荷电流( 例如1 1 0 k v 操作机构c d 5 ，合闸电流为2 7 5 a ) ，由于引进了 母线电压作为第一判据，利用母线短路故障和大负荷启动时电压量的显著差 别作为第二判据，所以它能正确区分是厂用直流系统短路与大负荷( 如高压 开关冲击合闸电流) 。 2 ) 如有两台开关合闸，此时电流判别条件满足，但电压判别条件不满足，所以 它也能正确躲过。 3 ) 当厂用直流系统发生短路故障时，电流判别元件正确动作，电压判别元件也 能正确动作。 可靠系数： 电压元件的可靠性：k u f f i u g z u d z ( 2 - 9 ) 电流元件的可靠性：k i f i f l z i g z ( 2 - 1 0 ) 可靠性综合结果：k = m i n ( k u ，k i ) ( 2 1 1 ) 根据以上分析，本装置在最大负荷条件下能成功避开高压开关最大合闸电流而不 致发生误动。 2 1 5 发电广直流系统短路保护 本文提出的现场总线微机式短路保护由微机速断主保护、定时限一段过流、定时 限二段过流和机械过流、总熔断器保护组成。 a 微机速断主保护 如图2 2 所示短路点，在t a 3 可以监测到短路电流，通过采样回路b 2 监测到短 路电流，监控模块b 2 判断在l 3 范围内发生了短路，则将l 3 1 开关跳开，并通知b i 模块启动定时限一段保护，通知模块a 启动定时限二段保护。 b 定时限一段过流保护 1 2 华中科技大学硕士学位论文 以上面的例子为例，监控模块b 2 接到监控模块b 1 的通知启动定时限一段保护，如 果延时到了之后模块b 2 仍监测到短路故障，则跳开l 2 1 开关，完成定时限一段保护。 c 定时限二段过流保护 再以上面的例子为例，监控模块a 启动定时限二段保护，如果延时到了之后模块 a 仍监测到短路故障，则跳开l l l 开关，完成定时限二段保护。 d 反时限热脱扣保护 选择配置短延时过流保护的直流断路器，其延时较定时限二段过流保护的延时要 长，在上述保护均拒动时，反时限热脱扣保护作为后各保护动作，可以满足继电保护 的选择性要求。 e 总熔断器组成反时限过流保护 总熔断器r d 位于系统最首端，在短路电流下熔断的时间比以上保护的时间都长， 从而构成短路保护的最后一道屏障。 如图2 3 所示，借鉴交流系统的速断保护技术，通过现场总线通讯来判断故障区 间的瞬时速断保护作为主保护，以定时限一、二段过流保护作为后备保护，达到了继 电保护的快速性、选择性、灵敏性要求，以动作原理不同的断路器机械过流保护作为 短延时后备保护，以厂用直流系统l 级母线的总电源保险作为最后后备保护，达到了 可靠性要求。 图2 3 短路保护配置图 1 3 华中+ 科誊擞棼学硕士学位论文 2 2 三段式发电厂直流系统短路保护的硬件设计 2 2 1 短路保护及备用电源自动投入的电路设计 监控模块a 、b 自行设计，完成以下功能：短路区域的判别、电源开关状态监视、 母线电压监视、备用电源自投逻辑判断及发出动作指令、模块故障时发光二极管报警， 模块a 、b 采用美国c y g n a l 公司的c 8 0 5 1 f 2 0 6 单片机1 1 2 il ”l 。 c 8 0 5 1 f 2 0 6 单片机的系统工作框图如图2 4 所示。c 8 0 5 1 f 2 0 6 芯片具有如下优点： 一是运行速度快。该芯片采用流水线指令结构，7 0 指令的执行时间为1 个或2 个系 统时钟周期，当工作在最大系统时钟频率2 5 m h z 时，执行速度可达2 5 m i p s ；二是 a d c 输入口较多。最多可达3 2 个1 0 位a d c 输入，每个引脚都可配置为a d c 输入。 且采样速率1 0 0 k s p s ，不必外加a d c 芯片就能满足需要；三是片内存储空间大。该片 具有8 k b 的f l a s h 存储器，2 5 6 b 数据s r a m 和1 0 2 4 b 的x r a m ：四是调试方便。 图2 4c 8 0 5 1 f 2 0 6 单片机系统工作框图 1 4 华中科技大一，学硕士学住。i 分。芟 该片片内支持j t a g 调试功能。五是安全机制可靠。该片具有7 种复位源，大大 提高了运行可靠性，并利用j t a g 口编程对芯片加密。提高了系统的保密性：六是具 有工业级工作温度范围，能满足系统的使用要求1 1 2 l i l “。 2 2 2 工控机选择 工控机是本系统的核心处理器件，处理信息量大。它不仅要完成接地、短路时实 故障信息量( 电压、电流) 的数据扫描与处理，还要负责保护动作控制。为此选用了 可靠性较高的中档机a d v a n i e c hp c a - 6 1 1 5 v 主频2 3 3 m h z ，内存3 1 m b ，w i n d o w 9 8 平台 支持系统。 2 2 3 短路监测传感器选择 根据生产现场调研，直流系统正常工作电流一般均在2 0 3 0 a ，最大负荷电流为 i i o k v 系统c d 5 操作机构合闸电流2 7 5 a 。所以，在主母线上选择为一次额定输入为 1 0 0 a 、2 0 0 a 的霍尔传感器，主要用于支路的短路判别及测量。 2 3 小型空气断路器远程监控及备用直流电源自投 对小型空气断路器进行远程监控的意议重大，使厂用直流系统的倒闸操作快捷准 确，使繁杂且不易找到的厂用直流系统开关明晰化，提高了工作效率。降低了误操作 可能。还大大缩短厂用直流系统事故处理的时间。使一些无法快速处理的事故有了新 的处理方案。 对于具有较高供电连续性要求的设备和系统，如发电厂、变电站的集控室、保护 室厂用直流电源等，可装设备用电源自投功能，在工作电源失压或存在可自恢复的短 路故障时，备用电源自投可恢复设备的供电。 对于供电连续性要求不高的设备和系统，以及失电故障率不高的设备和系统，不 装设备用电源自投功能，待故障点隔离后再手动恢复供电。 2 1 3 1 厂甩直流系统母线电源接线方式 控制用直流母线的电源接线主要由图2 5 、图2 6 所示两种方式组成。 华中科技大学硕士学位论文 图2 5 直流母线电源接线( 一)图2 6 直流母线电源接线( 二) 2 3 2 厂用直流母线备用电源自投 厂用直流母线备用电源自投应用在2 、3 级母线，这样已能达到电源可靠性的要 求，故l 级母线不设备用电源自投，图2 5 、图2 6 是2 、3 级母线的2 种曲型模型， 下面以图2 5 所示电路为例阐述微机实现的备用电源自投的实现逻辑： 图2 5 中，m 为工作电源开关，n 为备用电源开关，当联锁投入时，在n l 已故障 跳闸情况下，给n 发出合闸指令，使n 延时合闸恢复供电，逻辑如图2 7 所示，若m 处于合闸状态，当母线失压或监测到过流时，给m 发出分闸指令，使m 分闸，逻辑 如图2 8 所示。 图2 71 1 合闸逻辑框图 n 合闸 图2 8m 分闸逻辑框图 m 分闸 1 6 华中科技大学硕士学位论文 在大型发电厂，有集控室控制电源、集控室信号电源、汽机保护电源、锅炉保护 电源、发变组保护电源等等重要负荷，如果停电会影响发电厂的安全运行，在母线失 压、开关误跳等情况有必要设置备用电源自投，而发生短路故障时则不宜进行备用电 源自投，在操作人员手动切开工作电源时备用电源开关不应自投，所有这些功能逻辑 较复杂，需要由就地监控来辅助完成这些动作逻辑，备用电源自投开关硬件部份使用 上海华通开关厂的6 s i l 4 1 型备用电源自投开关。 2 4 小结 本章介绍了直流系统继电保护的基本要求，分析了目前直流系统短路保护的现状， 提出了一种利用现场总线实现的直流系统微机三段保护的实现方式。另外，针对直流 系统重要负荷失电会造成发电设备严重损坏的问题，结合电力生产实际情况，按照防 止电力生产二十五项重大事故技术措施要求，提出了新型的厂用直流系统重要负荷 备用电源自投方法，可以防止重大设备事故发生。 华中科技大学硕士学位论文 3 厂用蓄电池组监测及充电器监控 第一章分析了直流系统蓄电池监测的现状，可见v r l a 市场占有率高，维护技术 要求高，现有的维护技术装备差，导致v r l a 的维护水平低，最终导致v r l a 提前 报废，造成巨大浪费的同事影响了发电厂的直流系统供电可靠性，本章根据v r l a 的 特性，提出了基于现场总线的直流系统蓄电池监控方案，通过主控微机实现在线无损 监测估算蓄电池容量，从而在蓄电池的劣化初期发现蓄电池容量损失，通过单体蓄电 池活化并补充充电，这样可大大提高整体蓄电池的健康水平；通过监测蓄电池室温， 相对应地调节蓄电池组的浮充电压，通过这些措旌来大大延长蓄电池组的寿命。 3 1 基于现场总线的蓄电池组监测 3 1 1 对直流系统蓄电池组监测的制造要求分析 大型发电厂的直流系统蓄电池组均放置在专门的蓄电池室内，蓄电池室配置通风 机和空调，蓄电池组监测的技术要求是： 1 ) 1 分钟刷新测量数据； 2 ) 测量精度达到1 ； 3 1 成本不能太高，成本太高则失去了实用价值； 4 ) 现场抗干扰能力强； 5 ) 自动化水平高，不需求值班人员进行大量的操作； 6 ) 故障记录、故障分析功能齐全，有现场设备的监测画面，有报警信号输出端口， 便于设备监测及事故处理； 7 1 有齐全的运行抄表功能和故障报表功能。 3 1 2 阀控铅酸蓄电池失效机理 目前，阀控式铅酸蓄电池在电力操作电源领域广泛使用，了解蓄电池的失效模式 和使用过程中的性能状况对于安全生产有很重要的意义。合理地选择及使用目前直流 电源系统中的蓄电池和电池监测模块，对延长蓄电池的使用寿命有很大的作用，为获 i8 华中科技大学硕士学位论文 i 导最大的安全效益和经济效益有着很重要的意义。在蓄电池监测模块的配合下，采用 j + l 的蓄电池使用模式，对保证电池组的使用寿命效果是很明显的1 1 4 i 。 目前，关于电池失效一般认为主要原因有以下几方面：( 1 ) 板栅腐蚀；( 2 ) 水损耗； ：3 ) 板栅延伸；( 4 ) 热失控：( 5 ) 负极板硫酸盐化：( 6 ) 电池电压不均；( 7 ) 无锑效应。 欠要原因有：( 1 ) 结晶短路；( 2 ) 活性物质脱落；( 3 ) 隔板氧化；( 4 ) 爆炸。 国际铅锌研究组织曾开展阀控铅酸蓄电池使用条件和失效模式方面的调查包括 孚充申压、充电电流、使用环境温度、每年放电次数及深度、是否安装监控设备和一 些维护规程等内容i i 。 1 2 1 正极板栅失效机理研究 正极是对v r l a 蓄电池性能和劣化速度影响最大的部分。正极板栅腐蚀是v r l a 蓄 靼池最通常的失效模式，影响正极板栅腐蚀速度的因素有以下几方面： 1 ) 腐蚀膜孔尺寸：正极板栅合金的腐蚀产物担负着既要和活性物质紧密黏结又 要对基体合金有着良好的保护性能的双层作用。腐蚀产物氧化膜的结构及物 理化学性质直接关系到电池的容量和寿命。 2 ) 合金的结晶尺寸：氧化产物p b o 可以将整个晶间层遮盖住，从而阻止腐蚀继续 进行，当合金的晶粒粗大时，晶问夹层较厚，腐蚀产物不能把合金表面和晶 间夹层盖住，晶闻夹层留有较大的孔隙，使腐蚀得以深人发展。 3 ) 极化条件：极化条件直接影响着腐蚀膜的结构，大量实验表明随着浓度的减 少，温度的提高，阴极膜晶体增大，膜孔尺寸也增加，这有利于硫酸通过膜 孔向基体金属的扩散。根据美国g n b 的相关研究，浮充电压和温度是影响正 极板极化条件。 正极板栅在使用过程中要变形。变形的结果导致板栅先行尺寸加长、弯曲和板栅 中个别筋条的断裂。这些现象都可能引起正极板栅的破坏和电池寿命终止。 正极活性物质的性能变化是铅蓄电池容量下降的重要原因之一。新制各的正极活 陛物质有着很好的机械强度和反应活性，但随着蓄电池循环次数的增加，实际容量也 有所增加，之后放电容量逐渐降低。这是由于正极活性物质性能恶化所致，其原因可 以归纳为以下几方面：( 1 ) 活性物质晶态韵变化；( 2 ) 颗粒之间结合力降低；( 3 ) 循环中 1 9 华中科技大学硕士学位论文 重结晶过程和孔结构变化；( 4 ) 充放电条件与杂质的影响。 发生在正极的活性物质变化在一定条件下可以恢复，使用过程中的某些失效的蓄 电池是可以用蓄电池活化仪活化恢复的。 3 1 2 2 负极板栅失效机理研究 负极板的硫酸盐化是负极失效的主要原因。负极板上活性物质在一定条件下生成 坚硬而粗大的硫酸铅，它不同于铅和二氧化铅在放电时生成的硫酸铅，它几乎不溶解， 所以在充电时不能转化为活性物质，使电池减少了容量，坚硬而粗大的硫酸铅常常是 在电池组长期充电不足或是在半放电状态长期储存的情况下，加上温度的波动使硫酸 铅再结晶而形成的。 负极板膨胀是负极失效的另一原因，膨胀造成活性物质脱落，从而影响厚型极板 蓄电池的寿命。 3 1 2 3 电解液和隔膜的变化 铅酸蓄电池失水会导致电解液密度增大，导致电池正极栅板的腐蚀，使电池的活 性物质减少，从而使电池的容量降低而失效。 v r 乙a 蓄电池的隔膜具有多孔结构和很强的吸液能力，不但可以吸附电解液，而且 可以保证氧的扩散和再化合。隔膜在初始安装时承受一定压力，以使隔膜与极板紧密 接触，为正、负极板间的离子流动提供良好的通路。 v r l a 蓄电池在长期工作中，由于隔膜与电解液间表面张力的相互作用，隔膜的玻