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新型直流电源柜及选择

2019-07-01 03:33 1474次浏览 来源:

  一、概述
 
  1.直流电源柜的功能。由整流器和蓄电池组构成的直流电源柜,是最安全、最可靠的备用电源装置,至今仍是各类发电厂和变电站不可或缺的重要设备。直流电源柜的可靠供电,与发电厂、变电站的安全息息相关,直流电源柜故障停电,轻则造成发电厂、变电站事故停电,重则造成发电机或主变烧毁。
 
  2.对直流柜的总体要求。一是接线简单可靠,运行灵活,维护、安装方便;二是所用元件、部件性能可靠、稳定、精良;三是安装运行的环境条件应该符合直流电源柜的产品说明书之规定。
 
  3.直流电源柜的选型要点:
 
  1)电压等级:220V、110V、48V、24V。
 
  2)额定电流:10A、20A 30A50A、70A、80A、100A…
 
  3)蓄电池:类型:铅酸电池有阀控型、防酸型;碱性有镉镍电池。电池组:1组或2组。容量(Ah):阀控铅酸电池有40、65、100、150、200、300、400、500、700、1000。
 
  4)安装环境:应满足一定海拔高度、温度、室内或室外的要求。
 
  5)其它:母线和支路络线在线监测、电池组在线监测、可配备逆变电源(既作为放电装置又可取代微机UPS)。
 
  4.直流电源柜的组成。由整流器(充电器)、蓄电池和柜体(含保护、控制电器)三部分组成。电力用蓄电池的演变过程是:开启式铅酸电池(1970年前)→半密封铅酸电池(1980年前)→碱性镉镍电池(1990年前)→阀控铅酸电池(至今)。蓄电池一般由用户指定,或根据性价比综合选定。由于国内阀控电池的材料及制造工艺日趋成熟,与国外蓄电池产品质量、寿命等比差距已缩小。我国整流器的发展进程,基本上代表了直流电源柜发展的脉络:直流电动发电机组(1970年以前)叶硅整流器(包括磁饱和及可控硅整流,1990年以前)→高频开关电源(至今)。
 
  二、新旧直流柜比较
 
  我们把电容贮能式电源、复式整流电源、磁饱和整流电源、可控硅整流电源等组成的直流柜称为旧式直流柜。它们虽然具有技术成熟、稳定、运行人员熟悉、较易掌握等优点,但也存在以下缺陷:一是基本元件工频变压器、电抗器、整流滤波装置等的体积大、重量重。二是基本元件的功耗大、温升高、效率低,柜内元件密集,维修更换困难。三是控制电路、整流电路多由分立元件或集成电路组成,可靠性较低。四是受基本元件的制约,电气性能技术指标偏低。此类直流柜目前在全国范围使用数量很大,2000年执行的DL/T-5120-2000《小型电力工程直流系统设计规程》还给它留了一个过渡时期。但是电力工程用整流器应满足以下条件:
 
  1)在规定交流输入电源下,应满足蓄电池组均衡充电、低压充电和浮充电的工况要求;
 
  2)有良好的稳压、稳流性能;
 
  3)纹波系数小;
 
  4)运行灵活、能自动投切、具有三遥(或四遥)功能;
 
  5)具备良好的电磁兼容性和抗干扰性能。大多数旧式直流柜由于未配置微机(或单片机),因此难以完全实现1)、4)、5)的要求。我们把以高频开关电源整流器和监控模块为核心组成的直流电源框,定义为新型直流电源柜。随着电力电子技术特别是高频功率半导体技术、大规模集成电路、单片微机技术的发展和普及,促进了小功率开关电源迅速拓展为大功率开关电源,并且以模块式的结构出现。经过十余年的不断探索和完善,高频开关电源模块整流器的可靠性、稳定性及各项技术指标,均有了长足的进步,实践证明它已经成为一个成熟的产品。近几年,随着航空、航天技术中的高频软开关技术的普遍采用,使高频开关电源的可靠性得到进一步提高,促使其应用更普及,价格更趋合理。新型直流柜有以下特点:
 
  1)由于采用高频半导体器件(VMOS、IGBT)开关速度快、高频特性好、输出容量大;由于省去了工频变压器,体积小、质量轻、噪声低。
 
  2)采用PWM和软开关技术,因而效率高、功率因数高、可靠性高,MTBF(无故障运行时间)已达10万小时。
 
  3)主要功能和各项技术指标远高于旧式直流柜,便于无人或少人值守。4)设计中采用微机和模块结构,其运行、测量、显示全部数字化,易于维护和管理。新旧直流电源柜特点比较见表一。
 
  表一
 
  类别 比较内容 技术性能 *体积 *质量 温
 
  升 可靠性(MIBF) 易维
 
  护性 *价格 △V △I 纹波
 
  系数 η COSΦ 自动
 
  化水
 
  平 电磁兼
 
  容性 旧式
 
  直流柜 1% 2% 2% 70% 75% 低 差 大/1 大/1 高 较低 较难 较低/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(10万时) 方便 较高/1.2——1.5
 
  *分母表示二种产品的相对比较值
 
  三、新型直流柜的选择
 
  由表一可见,新型直流柜各项技术指标均优于旧式直流柜,特别是考虑到今后少人(或无人)值守的需要,计算机通信和管理的普及,新型直流柜是顺应这一发展的必然选择!高频开关电源采用模块式结构,所有模块允许并联工作,以增大电流,其配置原则是采用(N)+1的备用方式。监控、测量、通信保护用的微机系统,也设计成相同尺寸的模块结构。为了组屏方便,把数个高频开关电源模块和1个监控模块集成在一个框架中,这就构成了新式:自流柜的核芯,把该核芯置入直流柜中,这个柜就具备了以上新型直流电源柜的所有功能和优点。核芯的组成和结构见下图。
新型直流电源柜及选择
 
  新型直流电源柜及选择
 
  直流电源柜更新换代有两种方式可以选择:一种是订购全新的成套直流电源柜,通常150Ah/220V及以下系统只需2面柜,65Ah/220V则只需1面拒。另一种是采用旧式直流柜置人核ZX芯的换芯术,也就是用数个高频开关电源模块加1个监控模块取代可控硅整流器和控制电路。下面就两种方法的利弊列于表二,以便于比较和选择。对于直流电源相的更新换代,有两种方式可以选择:一种是订购全新的成票直流电源柜,通常150Ah/220V及以下系统只需2面柜(旧式则3面柜),65Ah/220V则只需1面柜。另一种是采用上面提到的置入核芯的换芯术,也就是用数个高频开关电源模块加1个监控模块取代可控硅整流器和控制电路。两种方法的利弊列表二,以便于比较和选择。
 
  表二
 
  类型 项目 容量 更换时间 增加新功能 受制因素 价格 新订 不限制 1天 可以 无 高(100%) 换芯 不限制 1——2天 可以 有 低(50%)
 
  新订成套直流柜容量大小不限,没有受制因素,但价格较高。换芯的直流柜最大优点是价格低,在换芯的同时,还可按用户需要增加一些新功能,如电池组巡检、馈线支路绝缘巡检等。但旧直流柜具备以下条件才有换芯价值:1)被取代的部件已出现故障又难于修复,且保留的开关、表计、柜体(含保护电器等)基本完好;2)继电保护和监控实现微机化后,旧式柜无法实现计算机通信、三遥(或四遥)等新功能。
 
  四、关于阀控铅酸蓄电池
 
  根据DL/T724-2000《电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程》规定,无论酸性还是碱性蓄电池,运行人员除了进行常规的外观、温度、电流、电压的巡检、测试外,还需定期进行核对性容量测试,以确保电池组的完好。检测中如果发现单只或整组电池容量小于额定容量的80%,则视作该电池损坏必须更换。早期使用电炉、水阻等负载放电来测试容量的方法,准确度低、劳动强度大;目前已较多采用微机控制的智能容量测试仪。目前电力系统中使用最多的阀控铅酸蓄电池,早期曾被称作免维护电池,曾经误导了部分运行人员,认为这类电池不需要巡视、检测和维护,使故障电池带病运行,酿成了诸如发电机烧毁等重大事故。对于各型发电厂、枢纽变电站直流柜的电池组,建议选用智能蓄电池在线监测装置,既可测量每节电池的电流、电压、温度、容量,还可以测量每只电池的内阻,从而及早识别并更换有潜在故障的电池。蓄电池的好坏无法用常规的电流、电压测量来判别,目前行之有效的方法有两种:一种是对电池组作实际的容量放电测试,另一种是测量电池的内阻(仅为毫欧级),内阻愈大其容量愈小,当内阻大于某一值,容量必然低于额定容量的80%,此结论为业界所公认。

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