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        新型直流電源柜及選擇

        2019-07-01 03:43 1607次瀏覽 來源:

        成都信息工程學院副教授 周倍加

        一、概述

          1.直流電源柜的功能。由整流器和蓄電池組構成的直流電源柜,是最安全、最可靠的備用電源裝置,至今仍是各類發電廠和變電站不可或缺的重要設備。直流電源柜的可靠供電,與發電廠、變電站的安全息息相關,直流電源柜故障停電,輕則造成發電廠、變電站事故停電,重則造成發電機或主變燒毀。
          2.對直流柜的總體要求。一是接線簡單可靠,運行靈活,維護、安裝方便;二是所用元件、部件性能可靠、穩定、精良;三是安裝運行的環境條件應該符合直流電源柜的產品說明書之規定。
          3.直流電源柜的選型要點:
          1)電壓等級:220V、110V、48V、24V。
          2)額定電流:10A、20A 30A50A、70A、80A、100A…。
          3)蓄電池:類型:鉛酸電池有閥控型、防酸型;堿性有鎘鎳電池。電池組:1組或2組。容量(Ah):閥控鉛酸電池有40、65、100、150、200、300、400、500、700、1000。
          4)安裝環境:應滿足一定海拔高度、溫度、室內或室外的要求。
          5)其它:母線和支路絡線在線監測、電池組在線監測、可配備逆變電源(既作為放電裝置又可取代微機UPS)。
        4.直流電源柜的組成。由整流器(充電器)、蓄電池和柜體(含保護、控制電器)三部分組成。電力用蓄電池的演變過程是:開啟式鉛酸電池(1970年前)→半密封鉛酸電池(1980年前)→堿性鎘鎳電池(1990年前)→閥控鉛酸電池(至今)。蓄電池一般由用戶指定,或根據性價比綜合選定。由于國內閥控電池的材料及制造工藝日趨成熟,與國外蓄電池產品質量、壽命等比差距已縮小。我國整流器的發展進程,基本上代表了直流電源柜發展的脈絡:直流電動發電機組(1970年以前)葉硅整流器(包括磁飽和及可控硅整流,1990年以前)→高頻開關電源(至今)。

        二、新舊直流柜比較

          我們把電容貯能式電源、復式整流電源、磁飽和整流電源、可控硅整流電源等組成的直流柜稱為舊式直流柜。它們雖然具有技術成熟、穩定、運行人員熟悉、較易掌握等優點,但也存在以下缺陷:一是基本元件工頻變壓器、電抗器、整流濾波裝置等的體積大、重量重。二是基本元件的功耗大、溫升高、效率低,柜內元件密集,維修更換困難。三是控制電路、整流電路多由分立元件或集成電路組成,可靠性較低。四是受基本元件的制約,電氣性能技術指標偏低。此類直流柜目前在全國范圍使用數量很大,2000年執行的DL/T-5120-2000《小型電力工程直流系統設計規程》還給它留了一個過渡時期。但是電力工程用整流器應滿足以下條件:
          1)在規定交流輸入電源下,應滿足蓄電池組均衡充電、低壓充電和浮充電的工況要求;
          2)有良好的穩壓、穩流性能;
          3)紋波系數??;
          4)運行靈活、能自動投切、具有三遙(或四遙)功能;
          5)具備良好的電磁兼容性和抗干擾性能。大多數舊式直流柜由于未配置微機(或單片機),因此難以完全實現1)、4)、5)的要求。我們把以高頻開關電源整流器和監控模塊為核心組成的直流電源框,定義為新型直流電源柜。隨著電力電子技術特別是高頻功率半導體技術、大規模集成電路、單片微機技術的發展和普及,促進了小功率開關電源迅速拓展為大功率開關電源,并且以模塊式的結構出現。經過十余年的不斷探索和完善,高頻開關電源模塊整流器的可靠性、穩定性及各項技術指標,均有了長足的進步,實踐證明它已經成為一個成熟的產品。近幾年,隨著航空、航天技術中的高頻軟開關技術的普遍采用,使高頻開關電源的可靠性得到進一步提高,促使其應用更普及,價格更趨合理。新型直流柜有以下特點:
          1)由于采用高頻半導體器件(VMOS、IGBT)開關速度快、高頻特性好、輸出容量大;由于省去了工頻變壓器,體積小、質量輕、噪聲低。
          2)采用PWM和軟開關技術,因而效率高、功率因數高、可靠性高,MTBF(無故障運行時間)已達10萬小時。
          3)主要功能和各項技術指標遠高于舊式直流柜,便于無人或少人值守。4)設計中采用微機和模塊結構,其運行、測量、顯示全部數字化,易于維護和管理。新舊直流電源柜特點比較見表一。

        表一

        類別 比較內容 技術性能 *體積 *質量 溫
        升 可靠性(MIBF) 易維
        護性 *價格 △V △I 紋波
        系數 η COSΦ 自動
        化水
        平 電磁兼
        容性 舊式
        直流柜 1% 2% 2% 70% 75% 低 差 大/1 大/1 高 較低 較難 較低/1.0 新型
        直流柜 0.5% 0.5% 0.1% 90% 95% 高 好 很小
        /0.3 很小
        /0.3 低 高(10萬時) 方便 較高/1.2~1.5

          *分母表示二種產品的相對比較值

        三、新型直流柜的選擇

          由表一可見,新型直流柜各項技術指標均優于舊式直流柜,特別是考慮到今后少人(或無人)值守的需要,計算機通信和管理的普及,新型直流柜是順應這一發展的必然選擇!高頻開關電源采用模塊式結構,所有模塊允許并聯工作,以增大電流,其配置原則是采用(N)+1的備用方式。監控、測量、通信保護用的微機系統,也設計成相同尺寸的模塊結構。為了組屏方便,把數個高頻開關電源模塊和1個監控模塊集成在一個框架中,這就構成了新式:自流柜的核芯,把該核芯置入直流柜中,這個柜就具備了以上新型直流電源柜的所有功能和優點。核芯的組成和結構見下圖。
        核芯的組成和結構

        直流電源柜更新換代有兩種方式可以選擇:一種是訂購全新的成套直流電源柜,通常150Ah/220V及以下系統只需2面柜,65Ah/220V則只需1面拒。另一種是采用舊式直流柜置人核ZX芯的換芯術,也就是用數個高頻開關電源模塊加1個監控模塊取代可控硅整流器和控制電路。下面就兩種方法的利弊列于表二,以便于比較和選擇。對于直流電源相的更新換代,有兩種方式可以選擇:一種是訂購全新的成票直流電源柜,通常150Ah/220V及以下系統只需2面柜(舊式則3面柜),65Ah/220V則只需1面柜。另一種是采用上面提到的置入核芯的換芯術,也就是用數個高頻開關電源模塊加1個監控模塊取代可控硅整流器和控制電路。兩種方法的利弊列表二,以便于比較和選擇。

        表二

        類型 項目 容量 更換時間 增加新功能 受制因素 價格 新訂 不限制 1天 可以 無 高(100%) 換芯 不限制 1~2天 可以 有 低(50%)

          新訂成套直流柜容量大小不限,沒有受制因素,但價格較高。換芯的直流柜最大優點是價格低,在換芯的同時,還可按用戶需要增加一些新功能,如電池組巡檢、饋線支路絕緣巡檢等。但舊直流柜具備以下條件才有換芯價值:1)被取代的部件已出現故障又難于修復,且保留的開關、表計、柜體(含保護電器等)基本完好;2)繼電保護和監控實現微機化后,舊式柜無法實現計算機通信、三遙(或四遙)等新功能。

        四、關于閥控鉛酸蓄電池

          根據DL/T724-2000《電力系統用蓄電池直流電源裝置運行與維護技術規程》規定,無論酸性還是堿性蓄電池,運行人員除了進行常規的外觀、溫度、電流、電壓的巡檢、測試外,還需定期進行核對性容量測試,以確保電池組的完好。檢測中如果發現單只或整組電池容量小于額定容量的80%,則視作該電池損壞必須更換。早期使用電爐、水阻等負載放電來測試容量的方法,準確度低、勞動強度大;目前已較多采用微機控制的智能容量測試儀。目前電力系統中使用最多的閥控鉛酸蓄電池,早期曾被稱作免維護電池,曾經誤導了部分運行人員,認為這類電池不需要巡視、檢測和維護,使故障電池帶病運行,釀成了諸如發電機燒毀等重大事故。對于各型發電廠、樞紐變電站直流柜的電池組,建議選用智能蓄電池在線監測裝置,既可測量每節電池的電流、電壓、溫度、容量,還可以測量每只電池的內阻,從而及早識別并更換有潛在故障的電池。蓄電池的好壞無法用常規的電流、電壓測量來判別,目前行之有效的方法有兩種:一種是對電池組作實際的容量放電測試,另一種是測量電池的內阻(僅為毫歐級),內阻愈大其容量愈小,當內阻大于某一值,容量必然低于額定容量的80%,此結論為業界所公認。

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