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整理第十三章直流及事故照明系统

第十三章直流及事故照明系统

第一节直流电源的设置

发电厂的直流系统，主要用于对开关电器的远距离操作、信号设备、继电保护、自动装置及其他一些重要的直流负荷（如事故油泵、事故照明和不停电电源等）的供电。

直流系统是发电厂厂用电中最重要的一部分，它应保证在任何事故情况下都能可靠和不间断地向其用电设备供电。

在大型发电厂直流系统中，采用蓄电池组作为直流电源。

蓄电池组是一种独立可靠的电源，它在发电厂内发生任何事故，甚至在全厂交流电源都停电的情况下，仍能保证直流系统中的用电设备可靠而连续的工作。

在有大机组的电厂中设有多个彼此独立的直流系统。

例如：

单元控制室直流系统、网络控制室直流系统（又称升压所或升压站直流系统）和输煤直流系统等。

对600MW机组的大型电厂，单元控制室和升压所直流系统的设置，应满足继电保护装置主保护和后备保护由两套独立直流系统供电的双重化配置原则。

1．单元控制室直流系统

对600MW机组的电厂，单元控制室直流系统，一般每台发电机组设置两套110V（或115V）直流电源系统，统称为110V直流系统，为继电保护、控制操作、信号设备及自动装置等直流负荷供电。

其主要负荷是控制操作回路设备，故电厂中又常称这种直流电源为操作电源。

除设置110V直流系统外，每一台机组另设一套220V（或230V）直流系统，为发电机组事故润滑油泵、事故氢密封油泵、汽动给水泵的事故润滑油泵、不停电电源系统（UPS）及控制室的事故照明等直流动力负荷供电。

220V直流系统的特点是：

平时运行负荷很小，而机组事故时负荷很大。

两套110V直流系统和一套220V直流系统均采用单母线、两线制、不接地系统。

每套直流系统均设有相应电压的一组铅酸蓄电池。

两套110V直流系统各配置一套蓄电池、一套充电器，另设一套可切换的公共备用充电器，跨接在两直流系统的母线上。

如图16－1（a）所示，220V直流系统，设一组蓄电池，配置一套工作充电器，另设一套备用充电器，如图16－1（b）所示。

上述各直流系统中，工作充电器的电源均从相应机组的400V交流保安母线引接；备用充电器的电源，一般也从400V交流保安母线引接，有的则从其他厂用低压母线上引接，以防保安母线故障造成所有充电器失去电源。

如图16－1（c），是典型600MW机组电厂单元控制室直流系统原理接线图。

两组115V蓄电池组，每组由54个蓄电池串联而成，容量为1874Ah；230V蓄电池组由108个蓄电池串联而成，容量为2500Ah。

115V和230V直流系统的工作充电器和备用充电器的交流电源均从400V保安母线引接，正常工作由厂用电供电，一旦厂用电失去时由保安柴油发电机供电，以确保直流系统供电的可靠性。

蓄电池组为无端电池设置方式，也就是不用设置端电压调节器，采用恒压充电。

正常工作时，蓄电池处于浮充电运行方式，每只蓄电池浮充电电压约为2.12～2.17V；事故放电后，采用均衡充电恢复蓄电池的容量，均衡充电电压每只约为2.3～2.35V。

蓄电池的最终放电电压约为1.82V。

115V蓄电池组电压变化范围为95～125V，230V蓄电池组电压变化范围为190～250V。

每段直流母线装设一套接地检测装置，当任一极（正、负极）发生接地故障时即发出报警信号。

图16－1（c）中，还有一套24V直流电源系统，是供单元机组的仪控设备用的。

2．网络控制室直流系统

网络控制室直流系统，又常称为升压所直流系统。

当发电厂升压所的控制对象有500KV的设备时，根据保护与控制双重化配置要求，一般设置两套110V（或220V）直流系统，两套直流系统均采用单母线、二线制、不接地的接线方式。

每套直流系统配置一组铅酸蓄电池、一套工作充电器、另设一套可切换的跨接在两套直流系统母线上的公共备用充电器。

两套独立的直流系统一起用于向网络控制室的控制、保护、信号等直流负荷供电。

对于升压所的110V直流系统，通常其接线形式及有关的技术条件等参数与单元控制室的110V直流系统相同；所不同之处在于升压所110V直流系统的充电电源，接自升压所的低压厂用母线。

3．输煤直流系统

输煤系统一般有交流配电装置，为便于对其集中管理、提高可靠性并与其他直流电源不相干扰，相应地设置了输煤直流系统。

输煤直流系统一般为110V单母线、两线制不接地系统，设置一组蓄电池配置两套充电器（一套工作、另一套备用）。

输煤系统对防酸要求较高，因此多采用封闭式铅酸蓄电池或镍镉蓄电池。

例如：

某电厂的输煤系统中，设有110V直流系统，由90只镍镉蓄电地组成，容量为60Ah，每只蓄电池放电终止电压不小于1.1V；蓄电池组未设端电池，采用恒压充电，浮充电运行电压每只电池为1.42V，均衡充电电压每只电池为1.52V，直流母线电压波动范围为＋12.5％～15％。

又如：

北仑港电厂运煤系统设置了115V直流系统，由90只镍镉蓄电池组成，并配置两套充电器，蓄电池容量为50Ah／5h率。

近年来，从国外引进大机组的发电厂和超高压变电所的直流系统，大多数都是无端电池，国内最近设计的一些发电厂也采用无端电池的直流系统。

多年来运行经验证明：

无端电池的直流系统接线简单、运行维护工作量较小、能满足可靠性要求。

无端电池的蓄电池组，其蓄电池的个数有如下规定：

若为铅酸蓄电池组，110V直流系统蓄电池个数一般为52～53个，220V直流系统蓄电池个数一般为104～107个。

若为中倍率镍镉电池组，110V直流系统蓄电池个数一般为83～88个；220V直流系统蓄电池个数一般为158～168个。

第二节蓄电池组的运行方式

蓄电池组的运行方式一般有两种：

充放电方式与浮充电方式。

电厂中的蓄电地组普遍采用浮充电方式运行。

一、充放电方式运行的特点

在蓄电池组的充放电方式运行中，对每个蓄电池都要进行周期性的充电和放电。

蓄电池组充足电以后，就与充电装置断开，由蓄电池组单独向经常性的直流负荷供电，并在厂用电事故停电时向事故照明和直流电动机等供电。

为了保证厂用电在任何时刻故障都不致失去直流电源，就要求蓄电池组在任何时候都必须留有一定的储备容量，决不能让其完全放完电。

通常，蓄电池放电到约为60％～70％额定容量时，即需进行充电。

按充放电方式运行的蓄电池组，必须周期地、频繁地进行充电。

通常，在经常性负荷下，每隔24h就需充电一次，一般充至额定容量。

充电末期，每个蓄电池的电压达2.7～2.75V，蓄电池组的总电压（直流系统母线电压）将超过用电设备的允许值。

因此，对无端电池的蓄电池组，在充电期间必须退出工作，但这对只接一组蓄电池组的单母线接线的直流系统是不允许的。

同时，频繁地充电，会使蓄电池组的运行更趋复杂。

二、浮充电方式运行的特点

蓄电池组的浮充电方式运行的特点是：

充电器经常与蓄电池组并列运行，充电器除供给经常性直流负荷外，还以较小的电流――浮充电电流向蓄电池组进行浮充电，以补偿蓄电池的自放电损耗，使蓄电池经常处于完全充足电的状态；当出现短时大负荷时，例如：

当断路器合闸、许多断路器同时跳闸、直流电动机、直流事故照明等，则主要由蓄电池组以大电流放电来供电的，而硅整流充电器一般只能提供略大于其额定输出的电流值（由其自身的限流特性决定）。

在充电器的交流电源消失时，充电器便停止工作，所有直流负荷完全由蓄电池组供电。

浮充电电流的大小取决于蓄电池的自放电率，浮充电的结果，应刚好补偿蓄电池的自放电。

如果浮充电的电流过小，则蓄电池的自放电就长期得不到足够的补偿，将导致极板硫化（极板有效物质失效）。

相反，如果浮充电的电流过大，蓄电池就会长期过充电，引起极板有效物质脱落，缩短电池的使用寿命，同时还多余地消耗了电能。

浮充电电流值根据蓄电池类型和型号而不同，一般约为（0.1～0.2）CN／100A，其中CN为该型号蓄电池的额定容量（单位为Ah）。

旧蓄电池的浮充电电流要比新蓄电池大2～3倍。

为了便于掌握蓄电池的浮充电状态，通常以测量单个蓄电池的端电压来判断。

如对于铅酸蓄电池，若其单个的电压在2.15～2.2V，则为正常浮充电状态；若其单个的电压在2.25V及以上，则为过充电；若其单个的电压在2.1V以下，则为放电状态。

因此，实际中的浮充电就采用恒压充电。

标准蓄电池的浮充电电压如下：

每只铅酸蓄电池（电解液密度为1.215g／cm3），其浮充电电压一般取2.15～2.17V。

每只中倍率镍镉蓄电池，其浮充电电压一般取1.42～1.45V。

每只高倍率镍镉蓄电池，其浮充电电压一般取1.35～1.39V。

按浮充电方式运行的蓄电池组，每运行一段时间（2～3个月）应进行一次均衡充电，即用比浮充电压更高一些的电压充电一段时间。

其目的是为了消除由于控制的浮充电电流可能偏小而造成极板出现硫化的危险。

也可以说，定期进行均衡充电，是为了保持极板有效物质的活性。

三、蓄电池的均衡充电

均衡充电是对蓄电池的特殊充电。

在蓄电池长期使用期间，可能由于充电装置调整不合理产生低浮充电电压或使用表盘电压表读数不正确（偏高）等原因造成蓄电池自放电未得到充分补偿，也可能由于各个蓄电池的自放电率不同和电解液密度有差别使它们的内阻和端电压不一致，这些都将影响蓄电池的效率和寿命。

为此，必须进行均衡充电（也称过充电），使全部蓄电池恢复到完全充电状态。

均衡充电，通常采用恒压充电，就是用较正常浮充电电压更高的电压进行充电，充电的持续时间与采用的均衡充电有关。

对标准蓄电池，均衡充电电压的一般范围是：

每个铅酸蓄电池，其均衡充电电压一般取2.25～2.35V，最高不超2.4V。

每个中倍率镍镉蓄电池，其均衡充电电压一般取1.52～1.55V。

每个高倍率镍镉蓄电池，其均衡充电电压一般取1.47～1.50V。

均衡充电一次的持续时间，既与均充电压大小有关，也与蓄电池的类型有关。

例如铅酸蓄电池，浮充电方式运行下，一般每季进行一次均衡充电。

当每只蓄电池均衡充电电压为2.26V时，充电时间为48h；当均衡充电电压为2.3V时，充电时间为24h；当均衡充电电压为2.4V时，充电时间为8～10h。

有的蓄电池均衡充电一次的持续时间则比上述长得多。

如美国NAX铅锦型铅酸蓄电池（电解液密度1.215g／cm3）：

当均衡充电电压为2.27V时，充电时间大于60h；当均衡充电电压为2.3V时，充电时间大于48h；当均衡充电电压为2.39V时，充电时间大于24h。

而另一种NCX铅钙型铅酸蓄电池，均衡充电一次的持续时间又比NAX型的长得多。

总之，充电方法要按生产厂家说明而定。

以浮充电方式运行的蓄电池组，每隔一季度进行一次均衡充电时，其中一种方法是将充电器停役10min，让蓄电池充分地放电，然后再自动地加上均衡充电电压。

第三节铅酸蓄电池的构造与特性

铅酸蓄电池分固定式和移动式两种。

移动式铅酸蓄电池主要用于车辆和船舶，设计时着重考虑使其体积小、重量轻、耐振动和移动方便；固定式铅酸蓄电池在设计时则可少考虑移动的要求，而着重考虑容量大、寿命长，可制成大容量蓄电池。

目前，电厂中普遍采用固定式铅酸蓄电池。

一、铅酸蓄电池的基本构造

铅酸蓄电池的主要组成部分为正极板、负极板、电解液和容器。

正极板一般做成玻璃丝管式结构，增大极板与电解液的接触面积，以减小内电阻和增大单位体积的蓄电容量。

玻璃丝管内部充填有多孔性的有效物质，通常为铅的氧化物；玻璃丝管可以防止多孔性有效物质的脱落。

负极板为涂膏式结构，即将铅粉用稀硫酸及少量的硫酸钡、松香等调制成糊状混合物，填在铅质（或铅合金）栅格骨架上。

为了增大极板与电解液的接触面积，表面有棱纹凸起。

极板经过特殊处理加工后，正极板的有效物质为褐色的二氧化铅（PbO2），负极板的有效物为灰色的铅棉（海绵状铅Pb）。

为了防止极板之间发生短路，在正、负极板之间用微孔材料隔板隔开。

而正、负极板浸没于电解液中，上缘比电解液面低10mm以上。

电解液是由纯硫酸（H2SO4）和蒸馆水配制而成的稀硫酸。

电解液密度的高低，影响着蓄电池容量的大小。

电解液密度过小，产生的离子少，蓄电池的内阻相应加大，使放电时消耗的电能加大，容量减小。

电解液密度愈大，蓄电池容量愈大。

但如果电解液密度过高，蓄电池极板受腐蚀和隔离物损坏也就愈快，缩短了蓄电池的寿命。

实验表明，采用温度为15℃、密度为1.215g／cm3的电解液最合适。

固定式铅酸蓄电池电解液的密度在1.2～1.25g／cm3左右，指定温度为15℃或20℃不等。

国产固定铅酸蓄电池电解液的密度多为1.215g／cm3。

电解液的密度与温度有关，温度升高密度减小，温度降低密度增大。

若温度以15℃为标准，则电解液温度每升高1℃或降低1℃，电解液密度将下降或升高约0.0007g/cm3。

电解液密度可按经验公式计算，即：

Rc＝Rt＋0.0007（T－15）

将温度为T时实测的密度Rt化成15℃时的密度。

例如：

某电解液温度为35℃时，测得其密度为1.201g/cm3，那么该电解液15℃时的密度Rc＝1.201＋0.0007（35－15）＝1.215g／cm3。

固定式铅酸蓄电池的容器，目前普遍采用透明塑料制成，以便于观察电解液面高度。

图16－2为电厂中使用的一种GGF型固定式铅酸蓄电池的结构，外壳与上盖之间用封口剂密封，构成封闭状态。

盖上装有防爆排气装置（防电解液酸帽），可防止充电过程中酸雾析出蓄电池外部，减少酸雾对蓄电池室及设备的腐蚀。

二、蓄电池的电动势

不同导电材料制成的两极板放入同一电解液中时，由于它们的电化次序不同，产生不同的电位。

两极板在外电路断开时的电位差就是蓄电池的电动势。

在正、负极板材料一定时，电动势的大小主要与电解液的密度有关。

电动势的大小也受电解液温度的影响，但在容许温度范围内其影响很小。

因此，蓄电池的电动势E可近似地用以下经验公式决定

E＝0.85＋d（V）

式中d一一电解液的密度。

一般固定式铅酸蓄电池的密度（充足电时）为1.215g/cm3，故其电动势为

E＝0.85＋1.215＝2.065（V）

三、蓄电池的放电特性与蓄电池的容量

1．蓄电池的放电特性

完全充电的蓄电池，当正、负两极板用外电阻接成通路时，则在其电动势作用下产生放电电流，如图16－3所示。

放电

蓄电池放电时的一般化学反应方程可写成

Pb十PbO2＋2H2SO4――→PbSO4＋PbSO4＋2H2O

负极板正极板负极饭正极板

从化学反应式可知，铅酸蓄电池在放电时，正、负极板都变成了硫酸铅PbSO4，消耗了电解液中的硫酸H2SO4，同时析出水H2O，使电解液的密度减小。

蓄电池放电时的回路方程为

Uf＝E－IfRn

式中Uf一一蓄电池放电时的端电压（V）

E一－蓄电池的电动势（V）

If一一放电电流（A）

Rn一一蓄电池的内阻（Ω）。

如果蓄电池以恒定电流进行连续放电，例如以10h放电电流（经10h将蓄电池容量全部放电完的电流）放电，则端电压随放电时间的变化曲线如图16－3（b）所示。

开始放电时，由于极板表面和有效物质细孔内的电解液密度骤减，使蓄电池电动势减小得很快，因而蓄电池端电压下降很快，（曲线OA段）。

在放电中期，极板细孔中生成的水量与从极板外渗入的电解液量，取得了动态平衡，从而使细孔内的电解液密度下降速度大为减慢，故电动势下降缓慢，端电压主要随着内阻的增大而减小（曲线AB段）。

到放电末期，极板上的有效物质大部分已变成硫酸铅，由于硫酸铅的体积较大，在极板表面和细孔中形成的硫酸铅堵塞了细孔，使极板外面的电解液渗入困难，因此在细孔中已稀释的电解液很难和容器中密度较大的电解液相互混合，同时内阻也迅速增大，所以蓄电池的电动势下降很快，于是端电压也迅速下降（曲线BC段）。

至C点，电压为1.8V左右，放电便告终了。

如果放电到C点后继续放电，此时极板外面的电解液几乎停止渗入有效物质内部，细孔中的电解液也几乎变成了水，因此电动势急剧下降，内电阻迅速增大，于是端电压骤降（曲线CD段）。

但是，如果在C点停止放电，则蓄电池的电动势将会立即上升，并随着容器中的电解液向极板有效物质细孔中渗透，电动势可能回升至2.0V左右（曲线CE段）。

可见，曲线上的C点，为蓄电池电压急剧下降的临界点，称为蓄电池的放电终止电压。

如果继续放电，将在极板表面和有效物质细孔内部形成硫酸铅的晶块，影响蓄电池的使用寿命。

如过度放电，极板将发生不可恢复的翘曲，使蓄电池极板报废。

以上所述，是以10h放电电流放电的过程。

如果蓄电池以更大的电流放电时，则到达终止电压的时间将缩短。

同时，蓄电池放电时的电压的变化与放电电流的大小有关，放电电流愈大，蓄电池的端电压下降愈快。

这是因为电解液向极板细孔内渗入的速度受到限制，以及蓄电池内电阻压降随放电电流的增加而增加。

所以，以不同的电流放电时，蓄电池的初始电压、平均电压和终止电压均不相同，放电电流愈大，终止电压愈低。

放电电流的大小，常用蓄电池额定容量的倍数表示。

设放电电流以If表示，则

If＝KmC10（A）

式中Km一一放电率（倍数）；

C10－－蓄电池额定容量（Ah），铅酸蓄电地一般以10h放电容量为额定容量。

图16－4所示为一般固定式铅酸蓄电池以不同放电率Km放电时的放电特性曲线Uf=f（t）。

最上一条曲线标明放电率Km＝0.1，表示放电电流If＝0.1C10A，亦即为10h放电电流下的放电曲线。

2．蓄电池的容量

蓄电池的容量是指蓄电池以某一恒定的电流放电到终止电压时所能放出的电量，即放电电流安培数与放电时间小时数的乘积，可用下式计算

C＝Iftf

式中C一一蓄电池的容量（Ah）

If－－放电电流（Ah）

tf一一放电至终止电压（1.75～1.8V）的时间（h）。

蓄电池的容量决定于起化学反应的有效物质和数量，它和许多因素有关，如极板的类型、面积的大小和极板数目、电解液密度和数量、放电电流的大小、最终放电电压的数值以及温度等。

在正常工作温度范围内，蓄电池的容量随放电电流的增大而减小。

蓄电池容量与放电电流的关系曲线如图16－5所示。

这是因为蓄电池以较小电流放电时，有效物质细孔内电解液的密度下降缓慢，有效物质能充分参加放电反应。

与此相反，当放电电流较大时，细孔内电解液密度下降较快，细孔中的硫酸铅的形成也较快，而迅速堵塞有效物质的细孔，使电解液难以渗入极板内部，有效物质难以参加放电反应。

因此，放电电流越大，蓄电池所能放出的电量就越少，即蓄电池容量越小。

铅酸蓄电池的额定容量，一般以10h放电容量作为额定容量（也有以8h放电电流下的放电容量定为额定容量的）。

蓄电池的容量还与电解液的温度有关。

因为温度改变时，电解液的粘度就会改变，影响电解液的渗透和扩散作用，从而影响到蓄电池的电动势和容量。

温度的降低引起蓄电池容量有所减小，运行中蓄电池室的温度不得低于10℃。

表16－1给出几种固定型铅酸蓄电池的主要技术参数。

表16－1GFD固定型铅酸蓄电池主要技术参数

蓄电池型号

不同放电率蓄电池容量、放电电流及终止电压

10h率

5h率

3h率

1h率

容量

（Ah）

电流

（A）

终止

电压

（V）

容量

（Ah）

电流

（A）

终止

电压

（V）

容量

（Ah）

电流

（A）

终止

电压

（V）

容量

（Ah）

电流

（A）

终止

电压

（V）

GFD－200

200

1.80

170

1.77

150

1.75

100

1.70

GFD－250

250

215

139

125

GFD－300

300

255

225

150

GFD－350

350

1.80

300

1.77

284

1.75

175

1.70

GFD－420

420

360

315

105

210

GFD－490

490

425

360

123

245

GFD－600

600

1.80

510

102

1.77

450

150

1.75

300

1.70

GFD－800

800

690

138

600

200

400

GFD－1000

1000

100

865

173

750

250

500

GFD－1200

1200

120

1040

208

900

300

600

GFD－1500

1500

150

1.77

1260

252

1.74

1080

360

1.71

750

1.70

GFD－1875

1875

187.5

1575

315

1360

450

937.5

GFD－2000

2000

200

1680

336

1450

484

1000

GFD－2500

2500

250

2100

420

1600

600

1250

GFD－3000

3000

300

2520

504

2160

720

1500

表16－2几种固定型铅酸蓄电池主要技术参数

蓄电池型号

放电率

20h

10h

20h

10h

密闭式

消氢式

终止电压1.80V

终止电压1.75V

终止电压1.70V

电流

（A）

容量

（Ah）

电流

（A）

容量

（Ah）

电流

（A）

容量

（Ah）

电流

（A）

容量

（Ah）

电流

（A）

容量

（Ah）

GGM－200

GGX－200

220

200

100

150

250

0.69

GGM－250

GGX－250

280

250

125

188

313

0.87

GGM－300

GGX－300

320

300

150

225

112.5

375

1.04

GGM－500

GGX－500

560

500

250

375

187.5

625

1.74

GGM－600

GGX－600

660

600

300

450

225

750

2.08

GGM－800

GGX－800

880

800

400

600

300

1000

2.78

GGM－1000

GGX－1000

100

1000

500

750

375

1250

3.47

GGM－1200

GGX－1200

1320

120

1200

600

900

450

1500

4.17

GGM－1500

1680

150

1500

750

1125

562.5

1875

5.21

GGM－1800

1980

180

1800

900

1350

675

2250

6.25

GGM－2000

110

2200

200

2000

1000

1500

750

2500

6.94

GGM－2500

138

2760

250

2500

1250

1875

937.5

3125

8.68

GGM－2800

154

3080

280

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