科技创新与应用ｌ ２０１２年１１ ＮＣｑ￣） 电力科技 浅析直流系统充电模块特性测试 郭晓飞 （云南电力技术有限责任公司，云南昆明６５００５１） 摘要：本文主要介绍了电力直流系统的特点及现状，提出了进行直流系统充电模块特性测试的必要性并介绍了测试方法。 关键词：直流系统；充电模块；特性测试 １目前电力直流系统特点 电厂及电厂、变电站内的继电保护、自动装置、信号装置、事故 照明和电气设备的远距离操作，一般采取直流电源，所以直流电源 的输出质量及可靠性直接关系到电厂及电厂、变电站的安全可靠运 行。 早期的电厂及电厂、变电站直流系统受当时技术条件的， 直流设备为硅整流电容补偿直流电源，电池为开口式防酸蓄电池。 具有严格的要求，如不满足要求则会发生电解液干涸、热失控等故 障，很快失效报废。另外，目前电厂、变电站多采用综合自动化技术， 蓄电池采用柜式安装，与自动化设备同装一室，充电机性能出现问 题会造成蓄电池发热、溢酸等问题，严重者甚至发生爆炸。 ＤＩＪＴ ７２４—２０００《电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护 技术规程》第５．３条中，ＧＢ／Ｔ１９８２６—２ｏｏ５（电力工程直流电源设备通 用技术条件和安全要求》第５Ｉ２条和６－３条中，《国家电网十重 有些投运较早：运行时间较长的电厂及电厂、变电站直流设备老化 严重，给电厂及电厂、变电站的安全、可靠运行带来了严重的威胁。 如某１１０ｋＶ变电站就曾因直流系统故障，造成保护设备误动，导致 全站失电的恶性事故。有的电厂、变电站虽未发生大的事故，总因直 流系统经常发生问题，缺陷较多，有的缺陷无法处理，致使直流系统 长期处于“带病”运行状态，导致许多不安全隐患。 随着电力系统的迅速发展，为提高电网的供电质量，使电网安 全、经济运行，并实现电力系统的自动化，从而对电力控制系统的关 键设备一控制电源的要求也越来越高。而原来的直流设备均采取传 统的相控电源，效率低、纹波系数大，在电磁辐射、热辐射、噪声等方 面都不尽人意。另外，监控系统不完善，采取１＋１备份方式，对二次 电路越来越先进的仪器仪表、控制、自动化设备很难满足其技术要 求。此外由于相控电源浮充电压易波动，会出现蓄电池脉动充放电 现象，对阀控密封免维护铅酸蓄电池损害极大，影响电池寿命。加之 其它设备改造和新设备的投入，原来的相控电源已远远不能满足电 力直流系统的需要，进行改造更换，才能保证电气设备的安全运行 和平稳供电。而智能高频开关电源由于其体积小，重量轻，技术指标 优越，模块化设计，Ｎ＋Ｉ热备份方式，便于“四遥”等优点，已在电力 系统得到广泛应用。 ２电力直流系统的维护现状 电厂及变电站运行人员或维护人员定期对直流设备进行一般 性的清扫、日常检查等工作，对充电设备只进行巡检，对蓄电池组进 行日常维护和核对性充放电试验。 ３充电模块特性测试的必要性 目前电力系统中运行的直流电源设备达到的技术指标，都是由 生产厂家在设备出厂试验时提供的数据。现场检修维护人员因不具 备相应的测试手段，难以确认设备的技术指标是否满足要求。而运 行实践证明，随着运行时间的推移，特别是投运１－３年后，设备的元 器件老化及老化积累引起元器件特性的变化和元器件的损坏，造成 技术指标会发生偏移。有些电厂、电厂、变电站直流室没有装空调， 温度与湿度对充电模块的指标也有影响。电子元器件在不同的温度 与湿度下表现为不同的特性，在某些情况下也会造成了电源指标的 漂移。 电厂、变电站的直流系统正常供电时大都运行于“浮充”方式 下。纹波系数是指输出中的交流电压与直流电压的比值，交流成分 属于高频范畴，高频幅值过高会影响设备的寿命，甚至造成逻辑错 误或导致保护拒动。因此要求直流装置输出电压纹波系数不大于 １％的技术要求。充电模块稳压精度、稳流精度过高会造成直流输出 稳定性差和功率不足，影响微机保护装置的正常工作，造成蓄电池 组的欠充电或过充电，降低蓄电池组的使用寿命。 充电模块输出功率的不足会造成输出电压下降，若电压下降过 大会导致比较电路基准值的变化，充电电路时间变短等一系列问 题，从而影响到微机保护的逻辑配合，甚至逻辑功能判断失误。尤其 是在事故发生时，有出口继电器、信号继电器、重动继电器等相继动 作；所以要求直流电源输出有足够的容量和稳定性。如果现场发生 事故时，微机保护有时无法给出后台信号或是重合闸无法实现等现 象时，应考虑电源的输出功率是否因元件老化而下降，充电模块稳 压精度、稳流精度是否超标。充电模块指标下降，稳压精度、稳流精 度及纹波系数超标，所造成的后果就是蓄电池提前失效或损坏，直 接威胁电网的安全运行。特别是对于广泛采用的阀控密封铅酸蓄电 池，虽具有不需加酸加水、维护量小的优点，但对于充电设备的指标 —．１６０ ． 大反事故措施》第１３．２．１．１，对充电模块的稳压精度、稳流精度、纹波 系数、充电机效率、蓄电池容量等技术指标及试验方法有明确的规 定及技术要求。所以，《国家电网十重大反事故措施》第 １３．２．１．２及网公司反措中明确要求：应定期对充电、浮充电模块进 行全面检查，校验其稳压、稳流精度和纹波系数，不符合要求的，应 及时对其进行调整，以满足要求。 ４测试原理与计算方法 无论是国家标准还是电力行业标准对于直流系统充电模块的 各项性能指标都有严格的要求，其中包括：稳流精度指标、稳压精度 指标、纹波系数指标、直流电源输出误差指标、限压限流特性指标、 效率和功率因素指标、高频开关电源均流不平衡度指标。 ４．１稳流精度、稳压精度及纹波系数测试原理 —相调压： 电 装 置删器 中 充 举 图１稳流精度、稳压精度、纹渡系数的试验接线图 注：２Ｒ一可调电阻器，１ＰＶ一直流电压表，２ＰＶ一交流电压表，１ＰＡ一 电流表，３ＰＶ一交流毫伏表，１ＰＲ一示波器 ４．１．１稳流精度试验 充电模块在恒流充电状态下，充电电流设定为表２规定的整定 范围内的任一点，交流输入电压在（８５％一１１５％）额定值（电压表２ＰＶ 所示值）内变化，调整充电电压在表２规定的变化范围内变化，分别 测量充电电流（电流表１ＰＡ所示值），找出上述变化范围内充电电流 的极限值ＩＭ。 １ｉｌｆ『一Ｔ 稳流精度定义为：６ ｊ＝—一＝—一ｘ １ ００％ 注：８Ｉ一稳流精度，ＩＭ一充电电流的极限值，Ｉｚ一交流输入电压为额 定值且充电电压在调整范围内的中间值时，充电电流整定值。 ４．１．２稳压精度试验 充电模块在稳压状态下，直流输出电压设定为表２规定范围内 的任一点，交流输入电压在（８５％～１１５％）额定值（电压表２ＰＶ所示 值）内变化，调整负载电流为０－１００％额定值（电流表１ＰＡ所示值）， 分别测量其充电模块的输出电压（电压表１ＰＶ所示值），找出上述变 化范围内充电模块输出电压的极限值Ｕｍ。 稳压精度定义为：６ ｕ＝— ｘ １００％ 注：８ｕ一稳压精度，ＵＭ一输出电压的极限值，ＵＺ一交流输入电压 为额定值且负载电流为５０％额定电流时，输出电压整定值。 ４．１．３纹波系数试验 在测量纹波系数的过程中需用到示波器１ＰＲ，示波器选用的频 带宽为２０ＭＨｚ，水平扫描速度调整为０．５Ｓ／ＤＩＶ，以保证在观察过程 中所看到的峰值为一条直线。 测试方法：充电模块在稳压状态下，直流输出电压设定为表２ 规定范围内的任一点，交流输入电压在（８５％～１１５％）额定值（电压表 ２ＰＶ所示值）内变化，调整负载电流为０－１００％额定值（电流表１ＰＡ 所示值），分别测量其充电模块的输出电压Ｕｄｅ（电压表１ＰＶ所示 电力科技 ２ｏ１２ １１ Ｎ（ｏ０）ｌ科技创新与应用 值）、输出电压的交流分量峰一峰值ｕｐｐ（示波器１ＰＲ所示值）和交流 充电模块在浮充电状态下，调整高频开关电源模块总输出电流 分量有效值Ｕｒｍｓ（电压表３ＰＶ所示值）。 为５０％Ｉｎ，测量各模块输出电流值，则均流不平衡度为： 纹波有效值系数定义为： 均流不平衡＝（模块输出电流极限值一模块输出电流平均值）／模 ｘｒｍｓ＝ ｘ １ ００％ 块额定电流值ｘ１００％ 调整高频开关电源的模块总电流值为１００％Ｉｎ时，重复上述实 纹波峰值系数定义为： 验。断开任意一个模块电源后重复上述试验。 ； 一ｘ ｏｏ 表１稳压精度、稳流精度及纹波系数 ｘ —— 注：Ｘｒｍｓ一纹波有效值系数，Ｘｐｐ一纹波峰值系数，Ｕｒｍｓ一输出电 充电模块类型 稳压精度 稳流精度 纹波系数 压交流分量有效值，Ｕｐｐ一输出电压交流分量峰一峰值，Ｕｄｅ一直流输 纹波有效值系数 纹波峰值系数 出电压平均值 高频开关电源型 ±Ｏ．５％ ±１％ ±Ｏ．５％ １％ ４．２直流电流电压输出误差试验 相控型 ±１％ ±２％ １％ ２％ ４．２．１充电电流整定误差试验 交流补偿型 ±１％ ±２％ ２％ ４％ 充电模块在恒流充电状态下，充电电流设定在表２规定的整定 其它类型 ±１％ ±２％ ２％ ４％ 范围内，交流输入电压为额定值（电压表２ＰＶ）所示值，调整充电电 压在表２规定变化范围内的中间值，分 别测量充电电流值Ｉｚ ｆ电流表１ＰＡ所示 表２充电电压及电流调节范围 值）。 直流系统 恒流充电 浮充电 均衡充电 电流整定误差为： 标称电压 蓄电池类别 电压调节范围 充电电流 电压调 负荷电流 电压调 负荷电流 调节范围 节范围 调节范围 节范围 调节范围 △１： △１＝——ｘ １ｘ１００％ ００％ １：ｒ０ １１０Ｖ或 阀控式铅酸蓄电池 （９０－１２Ｏ）％Ｕｎ （９５ １ｌ５） Ｕｎ （１０５．１２０）％Ｕｎ 注：△Ｉ一电流整定误差，Ｉｚ一交流输 ２２０Ｖ 防酸式铅酸蓄电池 （９ｏ＿１３５）％Ｕｎ （９５—１１５）％Ｕｎ （１０５．１３５）％Ｕｎ 入电压为额定值且充电电压在调整范围 铬镍碱性蓄电池 （９０－１３５）％Ｕｎ （９５．１１５）％Ｕｎ （１０５ １３５）％Ｕｎ 内的中间值时，充电电流整定值，Ｉｚｏ一充 阀控式铅酸蓄电池 ３６Ｖ－６０Ｖ ４８Ｖ＿５２Ｖ ４８Ｖ－５２Ｖ ４８Ｖ 防酸式铅酸蓄电池 ４０Ｖ－７２Ｖ ｆ２０－１Ｏ０）ＯＭｎ ４８Ｖ＿５２Ｖ （０－１ＯＤ１％Ｉｎ ４８Ｖ－７２Ｖ （０－１００％）Ｉｎ 电电流的设定值。 铬镍碱性蓄电池 ４０Ｖ－７２Ｖ ４８Ｖ一５２Ｖ ４８Ｖ－７２Ｖ ４．２．２稳定电压整定误差试验 阀控式铅酸蓄电池 １８Ｖ＿３０Ｖ ２ ４Ｖ＿２６Ｖ ２４Ｖ。２６Ｖ 充电模块在稳压状态下，直流输出 Ｉ ２４Ｖ 防酸式铅酸蓄电池 ２０ ＿３６Ｖ ２４ｖ＿２６Ｖ ２４Ｖ一２６Ｖ 电压设定在表１规定的整定范围内，交 铬镍碱性蓄电池 ２０ ＿３６Ｖ ２４Ｖ一２６Ｖ ２４ｖ＿２６Ｖ 流输入电压为额定值（电压表２ＰＶ所示 值），调整负载电流为５０％额定值（电流表１ＰＡ所示值），分别测量其 ５结语 充电模块的输出电压Ｕｚ（电压表１ＰＶ所示值）。 鉴于各电厂、变电站直流系统的运行、维护现状，严格按照相关 电压整定误差为：△ｌ＿： ：坚！ １ ００％ 标准及反措要求积极开展直流系统充电模块特性测试，对不满足要 。‘ Ｕｚａ 。 求的模块进行调整，必要时进行更换，是保证直流系统及电厂、电网 注：△ｕ一电压整定误差，ｕｚ一交流输入电压为额定值且负载电流 安全稳定运行的有效手段。 为５０％额定电流时，输出电压整定值，Ｕｚｏ一充电电压的设定值。 参考文献 ４．３限压特性、限流特性试验 『１］ＧＢ／Ｔ １９８２６—２００５《电力工程直流电源设备通用技术条件及安全 ４．３．１限压特性试验 要求》 充电模块恒流充电状态下运行，调整负载电阻，使直流输出电 【２］ＤＬ／Ｔ ７２４—２０００《电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技 压增加，当输出电压超过限压整定值时，应能自动输出直流电 术规程》 压的增加。 作者简介：郭晓飞（１９７９．５一），男，云南姚安人，本科，助理工程 ４．３．２限流特性试验 师，主要研究继电保护，工作单位：云南电力技术有限责任公司。 充电模块在稳压状态下运行，调整负载电阻，使输出电流逐渐 上升而超过限流整定值，充电模块将自动直流输出电流。当输 出电流减小到电流以下时，能自动恢复工作。 ４．４效率和功率因数测试原理 按图２接线，交流输入电压为额定电压，在稳压充电状态，直流 输出为额定电流（电阻性负载）、直流输出电压为电压调节范围上限 值，测量交流输入有功功率Ｐ（功率表所示值）、直流输出的电流值 Ｉｎ（电流表２ＰＡ所示值）和电压值Ｕｍ（电压表２ＰＶ）所示值。 ●●●－ ２ＰＡ ，一—、 ，，一—、 ｌ ＼． 厂 ＼ 广 — ＝ ｌＰｖ 功 充 １ＰＡ１Ｒ 相 ＼ 一／ 塞 电 ２Ｐｖ 调 压 Ｉ表 装 （置 二＝三 二） 厂 器 － 图２效率及功率因数试验接线图 １ＰＶ一交流电压表；２ＰＶ一直流电压表；１ＰＡ一交流电流表；２ＰＡ一直 流电流；Ｒ一可调电阻器． 充电模块的效率定义为：ｎ： ！二 １ ０ ０％ Ｐ 注： 一充电模块的功率，Ｉｎ一充电模块的功率，Ｕｍ一直流输出 的电压值，Ｐ一交流输入有功功率 充电模块的功率因数定义为：功率因数：壅 竺 塑皇垦 ｘ１ ００％ ４．５高频开关电源模块均流不平衡度试验 一１６ｌ一
