61直流系统PPT.ppt

GZDW智能高频开关直流电源 CompanyLogo 2 一 直流系统必备知识 直流电在电厂 变电所 的作用直流系统的组成对直流操作电源的基本要求直流负荷分类蓄电池直流系统蓄电池的运行方式 CompanyLogo 3 1 直流电在电厂 变电所 的作用 直流系统是应用于水力 火力发电厂 各类变电站和其它使用直流设备的用户 为给信号设备 保护 自动装置 事故照明 应急电源及断路器分 合闸操作提供直流电源的电源设备 直流系统是一个独立的电源 它不受发电机 厂用电及系统运行方式的影响 并在外部交流电中断的情况下 保证由后备电源 蓄电池继续提供直流电源的重要设备 直流屏的可靠性 安全性直接影响到电力系统供电的可靠性和安全性 CompanyLogo 4 2 直流系统的组成 目前电力系统中直流电源装置广泛采用微机控制型高频开关直流电源系统 高频开关直流电源是作为开关站 配电所 变电站 电厂等供 配电系统中提供不间断直流电源的装置 在高频开关直流电源系统中 直流电源是作为控制 合闸等装置提供工作电源的 主要提供合闸电源 控制电源以及事故照明等 目前 合闸电源和控制电源一般都是共用负母线一般都是共用负母线 控制母线的电压范围在额定电压的上下5 高频开关直流电源电压调节器就是为调节直流控制母线而进行设计的 即其功能就是调节控制母线在额定电压的正负5 范围之内 直流系统主要由两大部份组成 一部份是电池屏另一部份是直流充电屏 直流屏 电池屏就是一个可以摆放多节电池的机柜 电池屏中的电池一般是由2V 12V的数节电池以串联方式组成 对应电的电压输出也就是110V或220v 目前使用的电池主要是阀控式密封免维护铅酸电池 直流屏主要是由机柜 整流模块系统 监控系统 绝缘监测单元 电池巡检单元 开关量检测单元 降压单元及一系列的交流输入 直流输出 电压显示 电流显示等配电单元组成 CompanyLogo 5 各模块解释 整流模块系统 电力整流模块就是把交流电整流成直流电的单机模块 通常是以通过电流大小来标称 如2A模块 5A模块 10A模块 20A模块等等 按设计理念的不同也可以分为 风冷模块 独立风道模块 自冷模块 自能风冷模块和自能自冷模块 它可以多台并联使用 实现了N 1冗余 模块输出是110V 220V稳定可调的直流电压 模块自身有较为完善的各种保护功能如 输入过压保护 输出过压保护 输出限流保护和输出短路保护等 监控系统 监控系统是整个直流系统的控制 管理核心 其主要任务是 对系统中各功能单元和蓄电池进行长期自动监测 获取系统中的各种运行参数和状态 根据测量数据及运行状态及时进行处理 并以此为依据对系统进行控制 实现电源系统的全自动管理 保证其工作的连续性 可靠性和安全性 监控系统目前分为两种 一种是按键型还有一种是触摸屏型 监控系统提供人机界面操作 实现系统运行参数显示 系统控制操作和系统参数设置 绝缘监测单元 直流系统绝缘监测单元是监视直流系统绝缘情况的一种装置 可实时监测线路对地漏电阻 此数值可根据具体情况设定 当线路对地绝缘降低到设定值时 就会发出告警信号 直流系统绝缘监测单元目前有母线绝缘监测 支路绝缘监测 电池巡检单元 电池巡检单元就是对蓄电池在线电压情况巡环检测的一种设备 可以实时检测到每节蓄电池电压的多少 当哪一节蓄电池电压高过或低过设定时 就会发出告警信号 并能通过监控系统显示出是哪一节蓄电池发生故障 电池巡检单元一般能检测2V 12V的蓄电池和巡环检测1 108节蓄电池 开关量检测单元 开关量检测单元是对开关量在线检测及告警干节点输出的一种设备 比如在整套系统中哪一路断路器发生故障跳闸或者是哪路熔断器熔断后开关量检测单元就会发出告警信号 并能通过监控系统显示出是哪一路断路器发生故障跳闸或者是哪路熔断器熔断 目前开关量检测单元可以采集到1 108路开关量和多路无源干节点告警输出 降压单元 降压单元就是降压稳压设备 是合母电压输入降压单元 降压单元再输出到控母 调节控母电压在设定范围内 110V或220V 当合母电压变化时 降压单元自动调节 保证输出电压稳定 降压单元也是以输出电流的大小来标称的 降压单元目前有两种 一种是有级降压硅链 一种是无级降压斩波 有级降压硅链有5级降压和七级降压 电压调节点都是3 5V 也就是说合母电压升高或下降3 5V时降压硅链就自动调节稳定控母电压 无级降压斩波就是一个降压模块 它比降压硅链体积小 它没有电压调节点所以输出电压也比降压硅链要稳定 还有过压 过流 和电池过放电等功能 不过目前无级降压斩波技术还不是很成熟常发生故障 所以还是降压硅链使用效广泛 配电单元 配电单元主要是直流屏中为实现交流输入 直流输出 电压显示 电流显示等功能所使用的器件如 电源线 接线端子 交流断路器 直流断路器 接触器 防雷器 分流器 熔断器 转换开关 按钮开关 指示灯以及电流 电压表等等 CompanyLogo 6 3 对直流操作电源的基本要求 1 应保证供电的可靠性 最好装设独立的直流操作电源 以免交流系统故障而影响操作电源的正常供电 2 具备足够的容量 满足全厂 所 事故停电时 直流电源负荷 最大冲击负荷及1h事故照明等用电需要 且能保证直流母线电压在规定的额定值 正常运行时 操作电源母线电压波动范围小于5 额定值 事故时操作电源母线电压不低于90 额定值 失去浮充电源后 在最大负载下的直流电压不低于80 额定值 波纹系数小于5 3 满足经济和实用的要求 要求其使用寿命长 维护工作量小 投资省 占地面积小 噪声干扰小等 CompanyLogo 7 4 直流负荷分类 发电厂及变电站的直流负载 按其用电特性的不同分为经常负载 事故负载和冲击负载三类 1 经常负载经常负载指在所有运行状态下由直流电源不间断供电的负载 它包括 1 经常带电的直流继电器 信号灯 位置指示器 2 经常点亮的直流照明灯 3 经常投入运行的逆变电源等 一般来说 经常负载在总的直流负载中所占的比重是比较小的 2 事故负载事故负载指正常运行由交流电源供电 当厂 站 自用交流电源消失后由直流电源供电的负载 它一般包括有 事故照明 汽机润滑油泵 发电机氢冷密封油泵及载波通讯备用电源等 3 冲击负载冲击负载是指直流电源承受的短时最大电流 它包括断路器合闸时的冲击电流和当时所承受的其它负载电流 经常负载与事故负载 上述三种负载是选择直流电源的主要依据 CompanyLogo 8 5 蓄电池直流系统 蓄电池组直流电源系统是电力系统首选的独立操作电源系统 它电压平稳 容量大 供电可靠 适用于各种直流负荷 虽然蓄电池还具有价格贵等缺点 但目前大中型发电厂中仍广泛采用蓄电池组直流电源系统 1 蓄电池的分类 目前 应用较多的蓄电池主要有三大类 铅酸蓄电池 碱性镉镍蓄电池以及阀控式密封铅酸蓄电池 2 蓄电池的容量及放电率蓄电池的容量 Q 是蓄电池蓄电能力的重要标志 容量Q是指定的放电条件 温度放电电流 终止电压 下所放出的电量称为蓄电池的容量 单位用Ah 安时 表示 蓄电池放电至终止电压的时间称放电率 单位为h 小时 率 CompanyLogo 9 蓄电池的容量一般分为额定容量和实际容量两种 额定容量是指充足电的蓄电池在25 时 以10h放电率放出的电能 QN IN tN式中QN蓄电池的额定容量 A h IN额定放电电流 即10小时率的放电电流 A tN放电至终止电压的时间 一般为10h 实际容量与极板的面积 电解液的密度 放电电流的大小 充电程度及环境温度等有关 因此实际容量为Q I t式中Q蓄电池的容量 A h I非10小时率的放电电流 A t放电时间 h 若电池的放电率是指放电至终止电压的快慢 采用不同的放电率 其蓄电池的容量是不同的 铅酸蓄电池规定以10h放电率为标准放电率 当以10h放电率放电到终止电压的容量约是以1h放电率放电到终止电压时容量的2倍 CompanyLogo 10 阀控式密封铅酸蓄电池就是VRLA电池 这种电池虽然也是铅酸蓄电池 但是它与原来的铅酸蓄电池相比具有很多优点 VRLA电池是全密封的 不会漏酸 而且在充放电时不会象老式铅酸蓄电池那样会有酸雾放出来而腐蚀设备 污染环境 所以从结构特性上人们把VRLA电池又叫做密闭 封 铅酸蓄电池 为了区分 把老式铅酸蓄电池叫做开口铅酸蓄电池 由于VRLA电池从结构上来看 它不但是全密封的 而且还有一个可以控制电池内部气体压力的阀 所以VRLA铅酸蓄电池的全称便成了 阀控式密闭铅酸蓄电池 CompanyLogo 11 6 蓄电池直流系统的运行方式 在发电厂和变电所中 蓄电池直流系统的运行方式有两种 即充电 放电运行方式和浮充电运行方式 目前 多数直流系统都采用浮充电运行方式 1 充电 放电运行方式充电 放电运行方式就是将充好电的蓄电池组接在直流母线上对直流负荷供电 同时断开充电装置 当蓄电池放电到其容量的75 80 时 为保证直流供电系统的可靠性 即自行停止放电 准备充电 改由已充好电的另一组蓄电池供电 2 浮充电运行方式浮充电运行方式就是将充好电的蓄电池组与浮充电整流器并联工作 平时由整流器供给直流负荷用电 并以不大的电流向蓄电池组浮充电 以补充电池因有漏电而使其电压下降的缺陷 使蓄电池处于满充电状态 浮充电运行的蓄电池组能承担短时冲击负荷 如断路器合闸电流 和事故负荷 CompanyLogo 12 7 名词解释 1 合闸母线 指提供给合闸回路负载的直流电源母线 2 控制母线 指提供给控制回路负载的直流电源母线 3 充电模块 提供电池所需电压输出的AC DC智能高频开关变换器 其输出连接在电池母线上 其基本功能是输出稳定的直流电源 4 监控模块 负责实现直流电源系统的监测 控制和管理的功能模块 5 配电监控 指监测有关交流 直流部分的模拟 开关量信号的电路单元 包含交流配电监控和直流配电监控 6 浮充电 充电装置的输出端并接着电池及负载 以恒压充电方式工作 充电装置在承担经常性负荷的同时向蓄电池充电 以补充蓄电池的自放电 7 均衡充电 为补偿蓄电池在使用过程中产生的电压不均匀现象 使其恢复到规定的范围内而进行的充电 CompanyLogo 13 8 系统型号及含义 直流系统的型号及含义 示例 GZDW34 200 220 M含义是 电力用微机控制高频开关直流屏 接线方式为母线分段 蓄电池容量200Ah 直流输出电压220V的阀控式铅酸蓄电池 CompanyLogo 14 9 系统组成 交流配电将交流电源引入分配给各个充电模块 扩展功能为实现两路交流输入的自动切换 以提高直流系统供电的可靠性 为防止过电压损坏充电模块 交流配电设有防雷装置 充电模块提供电池所需电压输出的AC DC智能高频开关变换器 其输出连接在电池母线上 其基本功能是完成AC DC变换 以输出稳定的直流电源实现系统最为基本的功能 直流馈电将直流电源经直流断路器分配到各直流用电设备 包括合闸 动力 回路 控制回路和闪光回路以及绝缘监测装置等 扩展功能为馈线故障跳闸报警 降压硅链单元因为直流电源在对蓄电池组进行均衡充电时 充电模块的输出电压会高于控制回路的额定电压值 所以在合闸母线与控制母线之间设置降压硅链调压装置 以保证控制母线的电压在正常范围内 CompanyLogo 15 监控模块负责实现直流电源系统的监测 控制和管理的功能模块 监控模块是电源系统的控制 管理核心 具有四遥功能 可使电源系统达到无人值守 采用以微处理器为核心的集散模式对充电模块 馈电回路 电池组 直流母线对地绝缘情况实施全方位监视 测量 控制 完全不需人工干预 蓄电池组蓄电池组是直流系统的重要组成部份 主要作用是在交流正常时储存电能 并在交流停电时释放电能 保证直流系统不间断地向负载供电 绝缘监测仪主要功能是在线监测母线和支路的绝缘下降情况 在线测量出有绝缘下降的支路和绝缘电阻 并发出告警信号 电池监测仪主要功能是实现单体或成组 3只或6只为1组 电池电压的监控 同时 对单体电压异常的情况进行告警 CompanyLogo 16 10 系统工作原理 直流电源系统主要由交流配电 充电模块 监控模块 母线调压 降压硅链 直流馈电 包括合闸回路 控制回路 绝缘监测 蓄电池组等几大部分组成 不同的接线方式有不同的特点 但基本原理是一致的 基本组成形式如图所示 CompanyLogo 17 智能高频开关直流电源系统的基本工作原理如下 系统交流输入正常时 两路交流输入经过交流自动切换控制选择其中一路输入 并通过交流配电给各个充电模块供电 充电模块将输入三相交流电转换为220V或110V的直流 经隔离二极管隔离后输出 一方面给电池充电 另一方面给合闸负载供电 此外 合闸母线还通过降压硅链装置为控制母线提供电源 系统中的监控部分对系统进行管理和控制 信号通过采集处理后 再由监控模块统一管理 在显示屏上提供人机操作界面 并可以接入到远程监控系统 系统还可以配置绝缘监测仪或绝缘监测继电器 监测母线绝缘情况 CompanyLogo 18 交流输入停电或异常时 充电模块停止工作 由电池向负载供电 监控模块监测电池电压 电流和放电时间 当电池放电到一定程度时 监控模块告警 交流输入恢复正常以后 监控模块根据电池放电情况自动选择充电方式 控制充电模块对电池进行充电 系统工作时的能量流如图所示 CompanyLogo 19 11 智能电池管理功能 原理在变电站或电厂中 直流电源不仅要为二次设备提供不间断直流电源 还要向断路器分合闸线圈提供冲击电流 电池组在直流电源系统中的地位很重要 如何维护就成为非常重要的一个问题 智能高频开关电源具有电池管理系统 它采用二级监控模式 能对电池的端电压 充放电电流 电池房温度及其它参数作实时在线监测 可准确地根据电池的充放电情况估算电池容量的变化 还能在电池放电后按用户事先设置的条件自动转入限流均充状态 通过控制母线电压来完成电池的正常均充过程 并可自动完成电池的定时均充维护 均浮充电压温度补偿等工作 实现了全智能化 不需任何人工干预 CompanyLogo 20 发电厂和变电所的电气设备分为一次设备和二次设备 一次设备 也称主设备 是构成电力系统的主体 它是直接生产 输送和分配电能的设备 包括发电机 电力变压器 断路器 隔离开关 电力母线 电力电缆和输电线路等 二次设备是对一次设备进行控制 调节 保护和监测的设备 它包括控制器具 继电保护和自动装置 测量仪表 信号器具等 二次设备通过电压互感器和电流互感器与一次设备取得电的联系 一次设备及其连接的回路称为一次回路 二次设备按照一定的规则连接起来以实现某种技术要求的电气回路称为二次回路 二次回路的内容包括发电厂和变电所一次设备的控制 调节 继电保护和自动装置 测量和信号回路以及操作电源系统 CompanyLogo 21 电池管理的基本思想是 以电池组剩余容量 电池充电电流为依据 控制电池由浮充转入均充 以充电电流 充电时间为依据 控制电池由均充转入浮充 系统配有温度传感器 其均 浮充电压可根据温度作适当补偿 保证负载电流基本不变 以电池电流和总负载电流作为主要参考依据 主要输入基准 通过调节模块输出电压及限流点 稳定负载电流 控制电池电流及电压 防止电池充电过流 从而延长电池使用寿命 CompanyLogo 22 定时均充周期是两次定时均充的时间间隔 出厂值为30天 定时均充时间指每次定时均充的持续时间 出厂值为24小时 电源系统在正常运行中 一直处于浮充状态 如电池长时期没有均充 为了补充电池的漏电损耗 监控模块可以每隔一定时间 定时均充周期 对电池实施一次均衡充电 均衡充电的时间长短由定时均充时间而定 稳流均充电流通常为电池标称容量的1 对于200AH的电池组 此电流值可设为2 0A 出厂值 稳流均充时间的出厂值为3小时 在均衡充电过程中 电池电流会慢慢减小 当充电电流小到某一值 稳流均充电流 时 开始倒计时 计时时间超过设定值 稳流均充时间 监控模块就控制充电模块自动进入浮充状态 转为正常工作状态 转均充判据是自动电池管理中从浮充状态转到均充状态的依据 若电池组的剩余容量小于设定值 转均充参考容量 或电池充电电流大于设定值 转均充参考电流 则监控模块会自动控制充电模块进行限流均充 一般电池以每隔30天均充一次 每次均充24小时为宜 特殊情况必须根据电池说明书的实际的情况设置 CompanyLogo 23 12 降压硅链单元 因为直流电源系统在对蓄电池组进行均衡充电时 充电模块的输出电压会高于控制回路的额定电压值 所以需要一个调压装置串接在合闸母线与控制母线之间 降压硅链单元就是这样一个调压装置 它可自动或手动改变电压降 从而保证控制母线的电压在正常范围内 注意 只有蓄电池数量为108 54只时 才需要调压装置 当为103 52只蓄电池时 不需要调压装置 降压硅链单元利用大功率整流二极管的PN结正向压降叠加来产生调整压降 相比于其它形式的控制母线电压调节方式 具有安全 可靠 抗电流冲击性好 易维护等显著优点 在本系统中 降压硅链单元为独立模块化设计 便于安装和维护 CompanyLogo 24 工作原理降压硅链是由多只大功率整流二极管串接而成 利用PN结基本恒定的正向压降来调整电压 通过改变串入线路的二极管数量来获得适当的压降 达到电压调节的目的 如图所示 将硅链均分为5级串联而成 在每级两端并联大功率继电器触点 若驱动继电器 令其触点闭合 使得该级硅链被短接 降压单元的压降减小 反之 若接触器的触点断开 使得串入线路中的二极管数量增加 调压单元的压降增加 降压硅链单元内部的自动控制电路检测控制母线的电压 据此来驱动适当数量的继电器闭合 以保证控制母线的电压在正常范围内 若将降压硅链的控制开关置于手动位置 则可由控制开关的不同档位来控制继电器闭合的数量 手动调节控制母线的电压 CompanyLogo 25 降压硅链单元的工作原理 CompanyLogo 26 降压硅链控制开关的触点图及面板 CompanyLogo 27 13 GZDW33接线方案 CompanyLogo 28 图中各个字符的含义为 HK 合闸回路输出开关KK 控制回路输出开关KM 控制母线HM 合闸母线M 充电模块RD 熔断器HL 霍尔电流传感器YB 电压变送器 CompanyLogo 29 调节器的工作原理 高频开关直流电源是作为开关站 变电站 电厂等供配电系统中提供不间断直流电源的装置 在高频开关直流电源系统中 直流电源是作为控制 合闸等装置提供工作电源的 主要提供合闸电源 控制电源以及事故照明等 目前 合闸电源和控制电源一般都是共用负母线 控制母线的电压范围在额定电压的 5 高频开关直流电源电压调节器就是为调节直流控制母线而进行设计的 即其功能就是调节控制母线在额定电压的 5 范围内 CompanyLogo 30 调节器的工作原理 直流电压调节器主要由降压装置 接触器组 电压控制调节装置等组成 降压硅链装置是由一个一个具有基本恒定压降的二极管串联而成 依靠其中的二极管管芯的基本恒定压降来降压 然后在一定数量的二极管两端并联一个接触器 通过接触器的通断来改变整个降压硅链的降压值 降压硅链提供两个接口 一个为合闸母线的大电流接口 一个为控制母线的小电流接口 KM 连接到控制母线正极 HM 连接到合闸母线正极 KM 连接到控制母线的负极 CompanyLogo 31 调节器的工作原理 CompanyLogo 32 调节器的工作原理 CompanyLogo 33 调节器的工作原理 CompanyLogo 34 调节器的工作原理 监测电路通过检测 HM的电压大小来决定端点1 5至 KM是否接通而控制接触器的通断 LM358的第3脚输入电压Vin点的电压由R205 R206 VR201 R255的分压决定 HM的电压范围在220V 264V Vin点的输入电压为3 70V 6 44V VREF的电压在4 90V 5 14V 由图中可知 IC201A组成一个电压比较器 输入电压在设定电压的范围内 当输入电压低于VREF时 IC1的输出端为低电平 M201不导通 KM断开 降压硅链没有投入 输出电压等于输入电压 当输入电压达到VREF时 IC1输出高电平 此时 LM358的第1脚的输出电压为高电平 限流电阻R260为1K M201可靠导通 KM接通 降压硅链投入一节 装置的输出电压下降 如果输入电压再高 下一个通道又动作 降压硅链继续投入 输出电压再降低 如此保证 KM在 范围内 CompanyLogo 35 降压硅链故障现象 降压硅链不能调整控制母线电压 原因 降压硅链控制板失效或者降压硅链管芯损坏 分析处理流程 1 将降压硅链打到手动位置 手动降压到需要输出的电压 并实现有人值守 2 更换降压硅链控制板 3 更换整个降压硅链或者短路 开路的管芯 CompanyLogo 36 14 电压调整单元 配置2V 只 108只蓄电池直流屏 因蓄电池组的均充 浮充电压分别为 254V和243V 通常高于控制电压 为保证控制母电压为220V 10 因此需采用电压调整装置进行调压 采用103只 2V 只蓄电池的直流屏 其均充 浮充电压分别为 242V和232V能满足控母电压220V 10 的范围 故可不用电压调整单元 在直流屏中常用的调压方法有 硅链或硅降压模块及利用斩波无级降压的方法 今天重点介绍目前直流系统中应用最广泛的硅链或硅降压模块的降压方法 CompanyLogo 37 电压调整装置的工作原理图 7级硅降压模块电压调整装置原理图 7级硅降压模块电压调整装置原理图 CompanyLogo 38 调压原理 硅链和硅降压模块调压原理相同 硅降压模块调压性能优于硅链 但价格较高 在直流电源系统正常运行 当交流正常供电 时 调整硅降压模块加在逆止二极管D1阳极上的电位低于控制高频开关电源模块输出的 极电位 逆止二极管D1处于截止状态 硅降压装置不工作 控制电压由控制高频开关电源模块直接提供稳压精度为 0 5 的220V的控制电压 当控制模块故障或交流失电时 从上图中可见 控制模块停止工作 控制母线 WC的电压可通过蓄电池经降压单元来提供 因蓄电池组的均 浮充电压通常高于控制电压 因此需采用电压调整装置进行调压 保证控制母电压为220V 10 图中K1 K2 K3 是三个直流调压接触器 它们的常开接点分别与一个 二个和四个硅降压模块相连 每一个降压模块可降压5 6V 7个降压模块最大降压值为39 2V 它们的线圈可由自动降压控制器自动或通过调压万转开关手动控制 自动降压控制器由取样单元实时监测控制母线电压 当控制电压过高或过低时 自动降压控制器可根据电压的高低自动地分别使K1 K2 K3三个调压继电器接通或断开改变串入降压回路的降压模块数量 从而使控制电压达到220V 10 CompanyLogo 39 如当交流失电时 若蓄电池处于浮充状态 此时蓄电池组电压为243V 为保证控母电压为220V则应降压23V 此时 自动降压控制器自动接通K1和K2线圈 K1和K2的接点闭合短接3个降压模块 蓄电池经4个降压模块降压 降压值为4 5 6 22 4V 实际控制电压为243 22 4 220 6V 从而保证控制电压为220V 10 的范围内 在正常运行时 调压万转开关应置于自动档 0档 调压万转开关的触点7 8接通 自动降压控制器电源接通 调压单元自动工作 当自动降压控制器故障时 直流电源系统发出声光报警 光字灯发出控母电压异常 此时可用手动调压并观察控制电压表使控制电压达到要求值 目前电力系统中 由于高压断路器的220V直流操作机构采用弹簧操作机构 分 合闸电流小 工作电压可在220V 10 范围内正常工作 大系统直流电源装置中蓄电池采用103