电力工程直流操作电源系统的原理、设计与设备选择

电力工程直流操作电源系统的原理、设计与设备选择

许继电源XX

2005年8月20

1.直流操作电源的历史与发展

发电厂和变电站中，为控制、信号、保护和自动装置（统称为控制负荷），以及断路器电磁合闸、直流电动机、交流不停电电源、事故照明（统称为动力负荷）等供电的直流电源系统，通称为直流操作电源。

1.1直流操作电源的历史

根据构成方式的不同，在发电厂和变电站中应用的有以下几种直流操作电源：

1）电容储能式直流操作电源：是一种用交流厂（站）用电源经隔离整流后，取得直流电为控制负荷供电的电源系统。正常运行时，它给与保护电源并接的足够大容量的电容器组充电，使其处于荷电状态；当电站发生事故时，电容器组继续向继电保护装置和断路器跳闸回路供电，保证继电保护装置可靠动作，断路器可靠跳闸。这是一种简易的直流操作电源，一般只是在规模小、不很重要的电站使用。

2）复式整流式直流操作电源：是一种用交流厂（站）用电源、电压互感器和电流互感器经整流后，取得直流电为控制负荷供电的电源系统，在其设计上，要在各种故障情况下都能保证继电保护装置可靠动作、断路器可靠跳闸。这也是一种简易的直流操作电源，一般只是在规模小、不很重要的电站使用。

3）蓄电池组直流操作电源：由蓄电池组和充电装置构成。正常运行时，由充电装置为控制负荷供电，同时给蓄电池组充电，使其处于满容量荷电状态；当电站发生事故时，由蓄电池组继续向直流控制和动力负荷供电。这是一种在各种正常和事故情况下都能保证可靠供电的电源系统，广泛应用于各种类型的发电厂和变电站中。

以上电容储能式和复式整流式直流操作电源系统，在六、七十年代有较多的应用，八十年代以后，由于小型镉镍碱性蓄电池和阀控式铅酸蓄电池的应用，这种操作电源在发电厂和变电站中已不再采用。而蓄电池组直流操作电源系统，其应用历史悠久，且极为广泛。现代意义上的直流操作电源系统就是这种由蓄电池组和充电装置构成的直流不停电电源系统，通常简称为直流操作电源系统或直流系统。

1.2直流操作电源的设计技术发展

在1955年以前，国内发电厂和变电站的建设规模较小，其直流操作电源系统大多采用110V、单母线和不带端电池的蓄电池组（以前直流装置得蓄电池分为两组，一组是基本级，供正常负荷时用，一组为端电池，供事故时调节直流母线电压用的，比如基本电池用得过多，造成直流母线的电压下降过多时，通过调节装置将端电池投上去，维持直流母线的电压水平。现在《DL/T 5044-2004 电力工程直流系统设计技术规程〉中：4.1直流电源中规定： 4.1.6 铅酸蓄电池组不宜设置端电池（没有端电池就是无端电池了）；镉镍碱性蓄电池组宜减少端电池得个数）。1956年以后，发电厂和变电站的建设规模增大。这是引进了当时苏联的设计技术，在所有新建和扩建的发电厂和变电站中，都采用了220V、带端电池的蓄电池组，并根据工程规模的大小，采用单母线或双母线接线。这个时间的设计，是充分利用了蓄电池的容量和具有较小的电压波动X围，但代价是采用了较复杂的接线。

1984年以后，随着欧美设计技术的引进，以及发电厂和变电站建设规模的不断增大，在直流操作电源系统的设计上，又开始普遍采用单母线接线和不带端电池的蓄电池组，对于

控制负荷则推行采用110V电压，而动力负荷则采用220V电压。这一期间设计的主导思想，则是以适当加大蓄电池的容量，允许电压有较大的波动X围为代价，达到简化接线、提高可靠性的目的。

六十年代以前，国内设计的发电厂采用主控制室方式。在容量较小的发电厂中，装设一组蓄电池组构成的直流操作电源系统；在较大容量的发电厂中，则装设由两组蓄电池构成的直流操作系统；其接线采用单母线或双母线，但对于容量较大的发电厂，则广泛采用双母线接线。

七十年代以后，单元制发电厂随着机组容量的增大而普及。在单元制发电厂中，直流操作电源系统按单元配置。七十年代到八十年代初期，一般是一个单元配置一套由一组蓄电池组构成的控制、动力混合供电的220V操作电源。从八十年代后期开始，对于300～600MW 大机组电厂，则每一单元配置两套直流操作电源：一套220V由一组蓄电池组构成，专供动力负荷；另一套110V由两组蓄电池组构成，专供控制负荷。同时，在一些辅助车间，如水泵房、输煤控制楼等处，开始应用由小容量的蓄电池组构成的操作电源系统。

对于220KV及以下电压等级的变电站，一般装设由一组蓄电池组构成的直流操作电源；对于容量较大和500KV以上的大型变电站，则装设由两组蓄电池组构成的直流操作电源；对于220KV的变电站，2002年国家电力公司要求全部装设两组蓄电池组。

这一发展过程表明，随着大机组、超高压工程的发展，人们更加关注的是直流操作电源的可靠性，并为此提高适当提高电池组的容量和增加数量，普遍采用单母线接线方式，提高了工程造价。

1.3直流操作电源的设备技术发展

在直流操作电源系统中，主要的设备有蓄电池组、充电装置、绝缘监测装置以及控制保护等设备。随着制造技术的发展，几十年来也发生了很大的变化。

蓄电池组型式，在七十年代以前发电厂和变电站中应用的都是开启式铅酸蓄电池，使用的容量逐渐增加，单组额定容量达到了1400～1600Ah。七十年代以后，开始应用半封闭的固定防酸式铅酸蓄电池，并逐步得到普遍采用。到八十年代中期以后，镉镍碱性蓄电池以其放电倍率高、耐过充和过放的优点，开始在变电站中得到应用，但由于价格较高，一般使用的都是额定容量在100Ah以内的，限制了其应用的X围。九十年代发展起来的阀控式铅酸蓄电池，以其全密封、少维护、不污染环境、可靠性较高、安装方便等一系列的优点，在九十年代中期以后等到普遍的采用。

回顾蓄电池的变化可知，蓄电池在向维护工作量小、无污染、安装方便、可靠性提高的方向发展。虽然提高蓄电池的寿命是一重要课题，但在提高寿命方面国内的技术进展不大，一般的阀控式铅酸蓄电池在5～10年之间，低的只有3～5年；目前国外的技术一般可以做到10～15年，高的达到18～20年。而且，国内市场的恶性竞争环境，使许多蓄电池制造厂不愿在设计寿命上投资，提高制造成本。需要说明是，蓄电池的使用寿命，在很大程度上要依靠正确的运行和维护。