发电厂及变电站二次回路第4章操作
第4章操作电源
教学目的：掌握操作电源概述、蓄电池组直流操作直流、硅整流电容储能装置直流系统、复式整流装置直流系统、直流系统的绝缘监察与电压监察装置
复习旧课：电流互感器、电压互感器的结构原理、特点、接线方式及准确级；
重点：掌握操作电源概述、蓄电池组直流操作直流、硅整流电容储能装置直流系统、复式整流装置直流系统、直流系统的绝缘监察与电压监察装置；
难点：掌握操作电源概述、蓄电池组直流操作直流、硅整流电容储能装置直流系统、复式整流装置直流系统、直流系统的绝缘监察与电压监察装置；
引入新课：
第一节概述
发电厂及变电所中各种电气设备的操作、控制、保护、信号及自动装置，都需要有可靠的供电电源，由于这种电源特别重要，所以一般都专门设置，通常又称其为操作电源。大中型发电厂及变电所主要采用直流操作电源。
一、对操作电源的基本要求
对操作电源的基本要求是：
（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。
二、操作电源的种类
直流操作电源（以下简称直流电源）又分为独立电源和非独立电源两种。所谓独立电源是指不受外界影响的固定电源，如蓄电池组直流电源；非独立电源有复式整流和硅整流电容储能直流操作电源等。其电压等级分为220V、110V、48V、24V等。
1．蓄电池直流电源系统
蓄电池是一种可多次充电使用的化学电源，由多节蓄电池组成一定电压的蓄电池组，作为与电力系统运行状态无关的独立可靠的直流操作电源，即使发电厂或变电所交流系统全部停电，仍能在一段时间内可靠地给部分重要设备供电，是最稳定、最可靠的直流电源。
2．电源变换式直流电源系统
电源变换式直流电源系统，是由220V交流电源经可控整流变为48V直流电源，供全厂48V操作用电并对蓄电池进行浮充电；同时可经逆变装置将直流电源变为交流电源，再整流为220V直流电源的多功能新型独立电源，在中、小型变电所中得到广泛应用。
3．复式整流直流电源系统
在正常运行状态下，由厂用变压器经整流取得直流220V电源；在事故状态下，由电流互感器的二次短路电流，通过铁磁谐振稳压器变为交流电压，、经整流作为事故电源，供保护装置、断路器跳闸等重要负荷在紧急状况下使用。复式整流直流电源依靠系统的交流电源，属非独立的直流电源。
4．硅整流电容储能直流电源系统
硅整流电容储能直流电源由硅整流设备和电容器组组成。在正常运行时，厂用交流电源经硅整流设备变为直流电源，作为全厂的操作电源并向电容器充电。在事故情况下，将电容器储存的电能向重要负荷（继电保护、自动装置和断路器跳闸回路）放（供）电，以确保继电保护及断路器可靠动作。
三、直流负载的分类
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。
第二节蓄电池组直流电源系统
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。
一、蓄电池概述
1．蓄电池的分类
按电极材料和电解液的不同，蓄电池可分为酸性蓄电池和碱性蓄电池两种。
（1）酸性蓄电池。传统的老式蓄电池都是酸性蓄电池，其电解液是27％～37％的硫酸水溶液，电极是以二氧化铅（P b O2）为正极板和铅（P b）为负极板的特制绒状铅板，所以又
称为铅酸蓄电池。此种蓄电池容量大、冲击放电电流大、端电压也相对较高（2.15V）；但其寿命较短（一般为8～10年）、占地面积大、充电时会逸出有害的硫酸气体、维护工作量大。
近几年，一种新型免维护的铅酸蓄电池开始用于发电厂。这种新型铅酸蓄电池保留了原有铅酸蓄电池容量大的优点，其放电过程的化学反应也不变（充电后期正极板析出氧气，负极板析出氢气）。由于其中采用了无锑合金，提高了负极析氢过电位，抑制了氢气的析出；采用特制安全阀，使电池保持一定内压；采用超细玻璃纤维隔板，并在隔板中预留气体通道，使正极产生的氧气沿气道传递至负极，在负极析氢前发生化学反应生成水，实现氧氢循环复合，达到氢体内部自我吸收，可以实现蓄电池密封，不需维护。因此，这种新型蓄电池在电力系统中正逐步扩大其应用范围。
（2）碱性蓄电池。镉镍碱性蓄电池是近20年发展起来的高可靠、免维护型新产品。其电解液是20％的氢氧化钾（KOH）水溶液，电极用氢氧化镍［Ni（0H）3］作正极，用镉（Cd）作负极时叫镉镍蓄电池，用铁（Fe）作负极时叫铁镍蓄电池。此种蓄电池体积小、容量大、使用寿命长（可达20年左右），端电压为1.35V，无有害气体污染。在发电厂和变电所中已有广泛应用。
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A?h（安培小时）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。
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。
Q N=I N·t N
式中Q N蓄电池的额定容量，A·h；
I N额定放电电流，即10小时率的放电电流，A；
t N放电至终止电压的时间，一般为10h。
蓄电池的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。
例如：额定容量为216A·h的蓄电池，若用电流表示放电率，则为21.6A率，若用时间
表示，则为10h率。如果放电电流大于21.6A，则放电时间就小于l0h，而放出的容量就要小于额定容量。假设：若以2h放电率放电，达到终止电压所放出的容量只有额定容量的60％，即130A·h左右，这是因为极板的有效物质很快就形成了硫酸铅，它堵塞了极板的细孔，因而细孔深处的有效物质就失去了与电解液进行化学反应的机会，使蓄电池的内阻很快增大，端电压很快降低到终止电压。相反，若放电电流小于21.6A，则放电时间就大于10h，此时放出的容量就允许大于额定容量。
蓄电池不允许用过大的电流放电，但是它可以在几秒钟的短时间内承担冲击电流，此电流可以比长期放电电流大得多。因此，可作为电磁型操作机构的合闸电源。每—种蓄电池都有其允许的最大放电电流值，其允许的放电时间约为5s。
二、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。
三、浮充电运行方式直流系统接线分析
图4－1是浮充电运行方式直流系统接线图。图示为双直流母线系统，浮充电设备采用两套（U1和U2），共用一组220V蓄电池组GB，经开关QK1和QK2可以切换至任一组母线上；闪光装置和电压监察装置、信号装置每组母线各设一套，而绝缘监察装置共用一套。蓄电池组GB左端为基本电池，额定电压为220V，每个电池为2.15V，所以由102个蓄电池串联组成；其右端为可调节接入蓄电池个数的端电池组，可通过调整器任意接入或退出部分电池，以保持直流母线的电压在220V。现将浮充电直流系统的工作原理简析如下。
1．充电器U1对母线I供电并对蓄电池浮充电
（1）U1输出220V直流电压，向整组蓄电池组GB充电时，刀开关QK3投向右侧，触点2—3、5—6接通，QK1接通。U1的正极经QK3的2—3→正母线→QK1的1—2至GB的正极，U1的负极经QK3的5—6→m点至端电池的负级，实现对GB整组电池充电。
（2）U1对母线I供电并对GB浮充电时，刀开关QK3的1—2通，5—4通，对I母线上直流负荷供电，同时经QK1向GB的基本电池组浮充电。PV2和P A3是监视U1的输出电压、电流的。
2．充电器U2对母线II 供电并对蓄电池GB 浮充电
（1）U2输出220V 直流电压，向整组蓄电池充电时，刀开关QK4投向右侧，其触点2—3、5—6接通，U2的正极经QK4的2—3触点→II 母线的十→QK2的1—2至GB 的正极；U2的负极经 QK4的5—6→m 点至GB 端电池的负极，实现对整组蓄电池充电。
（2）U2向II 母线供电并对GB 基本电池浮充电时，QK4投向左侧，其2—1、5—4触点接通，对B 母线上直流负荷供电，同时经QK2向GB 的基本电池组浮充电。PV3和P A4是监视U2的输出电压和电流的。
3．蓄电池组的监视和保护
蓄电池组回路装有两组开关QK1、QK2，熔断器，两只电流表P A1、P A2，电压表PV1。回路中各熔断器作为短路保护；电流表P A1为双向5A —0—5A 式，用以测量充电和放电电流；电流表P A2正常时被短接，当需测量浮充电电流时，可利用按钮SB 使接触器KM 的动断触点断开后测读。电压表PV1用来监视蓄电地组的电压。
蓄电池按浮充电方式运行，相对充电－放电方式而言大大减少了充电次数。除由于交流系统或浮充电整流器U2发生故障，蓄电池转入放电状态运行后，需要进行正常充电外，平时每个月只进行一次充电，每三个月进行—次核对性放电，放出额定容量的50％~60％，终期电压达到1.9V 为止；或进行全容量放电，放电至终止电压(1.75~1.8V)为止。放电完了，应进行一次均衡充电(或称过充电)，这是为了避免由于浮充电流控制的不准确，造成硫酸铅沉淀在极板上，影响蓄电池的输出容量和降低其使用寿命。
简介：端电流调整器
蓄电池组GB 是由不参加调节的基本（固定）蓄电池(n 0)和参加调节的端电池(n’)
两部分组成。采用端图4－1 浮充电运行方式直流系统接线图
电池的目的是为了调节蓄电池的接入数目，以保证母线电压稳定。端电池通过端电池调整器进行调节，端电池调整器的工作原理如图所示。
图中有一排相互绝缘的固定金属片1，它分别连接到端电池的端子上。放电手柄1P 和充电子柄2P ，分别带动两个可动触头2和4，以免在调整过程中，当可动触头由一个金属片移至另一个金属片时，造成回路开路（即在调整过程中，先使触头2和4跨接在相邻的两个金属片上，并通过电阻3连接，然后再断开触头2，完成一次调节）。端电池调控器可以手动控制，也可以用电动机远方控制，一般采用电动机远方控制。
第三节 整流操作的直流电源系统
整流操作的直流电源系统是利用发电厂（变电所）用变压器（或电压互感器）来的电压源和由被保护装置的电流互感器来的电流源，经稳压整流后构成的直流电源。整流操作电源可分为两种类型：一种是由上述电压源整流装置上附加以电容储能装置的整流电源；另一种是利用上述电压源和电流互感器来的电流源经整流后的复式整流装置，下面作一介绍。
一、硅整流电容储能的直流电源系统
图4－2是目前国内使用较多的硅整流电容储能的直流电源系统接线图。由图可见，电源有两组硅整流装置U1、U2，两组储能电容器组CI 、CII ，直流母线分为两段，构造简单，体积小。运行经验证明，此种直流装置工作也很可靠，所以下面重点介绍这种整流电源。
1．整流器及直流母线
整流器U1采用三相桥式整流，容量大，接于I 母线，供断路器合闸用，也兼向II 母线供电；U2容量较小，仅用作向控制和保护及信号回路供电，变压器T1、T2分别向整流器U1、U2提供交流电源。两组硅整流装置分别与直流母线I 和II 相连接，其间用电阻R 1和二极管V3隔开。V3的作用相当于逆止阀，即只容许合闸母线I 向控制母线II 供电，而不能反向供电，以确保控制和保护及信号系统供电的可靠性。电阻R l 用以限制控制母线II 侧发生短路时流过V3的电流不会过大，起保护V3的作用。
2．储能电容器组
CI 和CII 为两组储能电容器组，又称为补偿电容器组。电容器组所储存的能量，仅在事故情况下向保护和跳闸回路放电，作为事故电源。二极管V1、V2的作用是防止事故时电容器向母线上其他回路（如信号灯等）放电。设两组电容器组，是为一组供给10kV 线路的继电保护和跳闸回路放电，另一组供给主变压器和电源进线的继电保护和跳闸回路用电。
这端电流调整器构造图
端电池调整器接线示意图
样，当10k V 出线上发生故障，继电保护动作，而断路器操作机构失灵而不能跳闸（此时由于跳闸线圈长时间通电，已将电容器组CI 的储能耗尽）时，使起后备保护作用的主变压器过流保护仍可利用CII 的储能将故障切除。
3．保护和信号
整流器U1、U2输出端的熔断器FU1、FU2为快速熔断器，起短路保护作用。U2输出端的电阻R 起保护U2的作用（限流）。电压继电器KV 监视U2的端电压，当U2输出电压降低或消失时，KV 返回，其动断触点闭合，发出预告信号。V4为隔离二极管，防止在U2的输出电压消失后。由U1向KV 供电，误发信号。
二、复式整流的直流系统
图4－3是复式整流的直流系统框图。正常运行
时由厂（所）用变压器T 或电压互感器TV 供电，
事故情况下由事故设备的电流互感器TA 供给短路
电流，经整流后作为操作电源。对其分析如下。
（1）电压源（I ）。复式整流装置的电压源一般
由两条独立的回路供电，可分别取自变电所用变压
器和外接高压系统电源的变压器（参见图4－4）在
正常运行和非对称短路时，电压源的电压为额定值，
基本保持恒定；而在母线或馈线发生三相短路故障
时，电压源电压严重降低甚至消失。
（2）电流源（II ）。复式整流系统的电流源是事故情况下由电流互感器供给的短路电流。在正常运行时电流源无输出，但在发生三相短路时，TA 有一个大的短路电流发生，其功率图4－3 图4－2
比电容储能式要大，经整流后可输出较大的直流电流作为事故电源。
（3）稳压器。短路电流变化范围较大，因此电流源必须设置稳压装置，才能获得比较平稳的直流电压。一般采用并联铁磁谐振饱和稳压器V 稳压，其中将电容C 与电感L 构成谐振回路，起到滤波和改善电压波形的作用。
（4）阻容吸收装置。由于回路中电感元件的作用，交流电本身也有过电压作用于硅元件上，为了防止硅元件因过电压而击穿损坏，故装设由电阻R 和电容C 串联组成的阻容吸收装置。由于电容C 上的电压不能突变，延缓了过电压的上升速度，同时短路掉一部分高次谐波电压分量，使硅整流元件上出现的过电压不会
在短时间内增至很大；电阻可限制电容器放电电流值
和防止电容、电感发生振荡。
三、整流操作直流电源系统的交流电源
在中小型发电厂和变电所中，常采用整流操作的
直流电源，但必须有十分可靠的交流电源，下面以
35kV 变电所所用电源为例进行分析。
图4－4为所用电源变压器的一种接线方式，两
台互为备用的所用变压器，一台接在10kV 母线上，
而另一台则接在电源进线断路器的外侧（高压线路
上）。1号所用变压器T1为35kV ／0.4kV ，Y ，d11接线；2号所用变压器T2为 10kV ／0.4kV ，Y ，yn0接线；两台所用变压器的二次侧电压有30o的相位差，所以不能并列运行，而只能一台运行，另一台备用。
图4－5上为变电所备用电源自动投入装置接线图，其1号变压器T1为正常工作变压器，2号变压器T2为备用变压器。
（1）正常工作时：中间继电器KC 带电，其动断触点断开交流接触器KM2的线圈回路，其动合触点接通交流接触器KM1的线圈回路，使KM1处于合闸状态，其主触头闭合，由1号变压器供电。
（2）当1号所用变压器T1发生故障，其低压侧失去电压，KC 继电器失去电源，其动合触点返回，切断KM1线圈回路，使KM1的动断触点闭合；同时继电器KC 的动断触点闭
图4－4 所用电源变压器的 一种接线方式
图4－5 变电所备用电源自动投入装置接线图