第 4 章操作电源

泸州职业技术学院电气二次回路 1

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



§4.1 概述

§4.2 蓄电池组直流电源系统

§4.3 硅整流电容储能直流电源系统

§4.4 复式整流装置直流系统

§4.5 直流系统的绝缘监察与电压监察装置

§4.6 闪光信号装置



§4.1 概述

4.1.1 操作电源的作用

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。

供电站控制环保自动装置；供电站操作机械调节器机械；供电站独立的事故照明。


4.1.2 对操作电源的基本要求

1 、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：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。


1 、交流操作电源

（ 1）优点：

二次接线简单、投资少、维护量小，易于实现自动化和远动化。

（ 2）缺点：可靠性比直流电源低；

原因：①交流操作的继电器不够成熟；

②交流电源依赖电厂本身；

③交流电源有时分散的、有时集中的、有时分散与集中相结合的。

4.1.3 操作电源的种类


2 、直流操作电源

（ 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。

优点：与交流电网无关，供电可靠性高，电压稳，容量大。

缺点：价格贵，寿命短，运行维护量大。



（ 2）硅整流电容储能直流电源系统

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。

要求可靠，一般有两个独立的电源。电源Ⅰ（三相整流，容量大）供电给合闸、操作、保护、信号电源Ⅱ（单相整流，容量小）供电给操作、保护、信号

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。优点：简单，经济缺点：可靠性差



（ 3）复式整流直流电源系统电压源：一般取自厂用变或 TV，经全波整流，电抗器滤波成直流电源。电流源：一般取自 TA，经稳压器成直流电源。正常情况下：由电压源供电给：

电源Ⅰ——合闸，电源Ⅱ——保护、信号、跳闸。发生短路时：∪ c（直流母线电压）下降，由电流源供电给：电源Ⅱ——保护、信号、跳闸。



（ 4）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。



1 、经常性负载：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。

2 、事故性负载：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 、冲击性负载：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。

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4.1.4 直流负荷的分类


4.2.1 蓄电池介绍：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（ PbO2 ）为正极板和铅（ Pb）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。碱性蓄电池：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。

§4.2 蓄电池组直流电源系统


蓄电池的容量（ Q） )是蓄电池蓄电能力的重要标志。

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

4.2.1 蓄电池介绍


QN=IN•tN式中 QN——蓄电池的额定容量， A•h ；

IN ——额定放电电流，即 10小时率的放电电流， A；

tN ——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。

4.2.1 蓄电池介绍


1．充电－放电法：

(1)运行方式 : 对蓄电池进行周期性的充电和放电。蓄电池充好电后，既断开充电设备，由蓄电池向直流负荷供电。（经常、短时、事故）待蓄电池放电约为 75～ 80%时，就需要进行充电。充电设备的功率应满足蓄电池组的充电和经常性负荷的需要。

（ 2）构成：基本电池，可调端电池，端电池调节器

4.2.2 蓄电池直流系统的运行方式


1．充电－放电法：

图 4-2 端电池调整器工作原理图图 4-1 端电池调整器结构图

放电手柄

充电手柄

金属片主触头

辅助触头

电阻

4.2.2 蓄电池直流系统的运行方式

电气二次回路 17

（ 3）充电－放电法系统图：图 4-5


(1)运行方式 : 先将蓄电池充足电，然后将充电设备与

蓄电池并联在一起工作，充电设备既给直流母线的经常负荷供电，又以不大的电流向蓄电池浮充电，用来补偿由于自放电而损失的能量。

（ 2）特点：

1 蓄电池总是处于充满电的状态，随时应付短时负荷

2 蓄电池放电机会不多，每 3 个月进行一次放电，再进行一次均衡充电，以避免硫化。

3 管理维护量少，可靠性高。

2 ．浮充电法


（ 3）浮充电法系统图：图 4-6

图 4－ 6　浮充电运行方式直流系统接线图


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；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。

（ 4）浮充电法系统图组成：图 4-6


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 PA3 是监视 U1 的输出电压、电流的。

（ 5）浮充电直流系统的工作原理 :图4-6


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PA4 是监视 U2 的输出电压和电流的。



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 PA1 、 PA2 ，电压表 PV1;回路中各熔断器作为短路保护；

电流表 PA1 为双向 5A—0—5A式，用以测量充电和放电电流；

电流表 PA2 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。

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4 、 3、1 硅整流电容储能的直流电源系统接线图：图4－ 7

§4.3 硅整流电容储能直流电源系统


1 、整流器：Ⅰ组， 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； Ⅱ组， U2 采用单相整流，容量较小，接于 II母线，仅用作向控制和保护及信号回路供电； 2、隔离变压器： T1 、 T2 分别向整流器 U1 、 U2提供交流电源； 3、逆止元件： 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； 4、电阻 Rl：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； 5、储能电容器： C1 ， C2 ，仅在事故情况下向保护和跳闸回路放电，作为事故电源； 6、逆止元件： 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。

4.3.2 组成：图 4－7


1 、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；

2 、 U2输出端的电阻 R起保护 U2 的作用（限流）；

3 、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

4 、 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。

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4.3.3 保护和信号：图 4－7


4.4.1 运行方式：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。

4.4.2 复式整流的直流系统框图：图 4－ 8

§4.4 复式整流装置直流系统


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－ 9 ）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。

4.4.3 工作原理图 4－8


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。

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4.4.3 工作原理图 4－8


4.5.1 直流系统的绝缘降低

根据《电气设备交接和预防性试验标准》规定，当使用 500～ 1000V的兆欧表测量时，直流母线在断开其它所有并联支路时不应小于 10MΩ；二次回路每一支路和断路器、隔离开关操作机构的电源回路不应小于 1或 0.5MΩ。直流系统绝缘降低，相当于直流系统的某一点经一定的电阻接地。

直流系统发生一点接地时，没有短路电流流过，熔断器不会熔断，仍能继续运行。但是，这种接地故障必须及早发现并处理，否则可能引起信号回路、控制回路、继电保护及自动装置回路不正确动作。



图 4-9 两点接地引起的不正确动作



4.5.2 直流系统的绝缘监察装置 :

1 、接线：图4-10

R1=R2=R3 ；转换开关： SA1 ， SA2 ；电压表： PV1 ， PV2 ；信号继电器： KS


33图 4-10 直流系统的绝缘监察装置原理接线


2 、组成：图4-10

（ 1）信号部分： SA1 ， R1 ， R2 ， KS组成信号： 5-7 9-11 接通；测量Ⅰ： 1-3 13-14 接通；测量Ⅱ： 2-4 14-15 接通（ 2）测量部分： SA2 ， PV1 ， PV2 组成母线电压： 9-11 2-1 5-8 接通；正对地： 1-2 5-6 接通 V1 负对地： 5-8 1-4 接通 V2

SA1 三个位置：

SA2 三个位置：

4.5.2 直流系统的绝缘监察装置


3 、工作原理：图4-10 （ 1）测量部分若： V1=0 V2=0 时，则绝缘良好若： V1=0 V2=V 时，则正对地若： V1=V V2=0 时，则负对地（ 2）信号部分 A、信号回路两极对地绝缘良好： R+=R-,R1=R2;电桥平衡 ;Ij=0,KS不动作当一极对地绝缘电阻降低： R+≠R-,R1=R2;电桥不平衡 ;

Ij ＞ Idz.j KS动作；光字牌亮，音响响 B、正对地电阻的测量 C、负对地电阻的测量

4.5.2 直流系统的绝缘监察装置


1 、作用：直流母线的电压必须保持在规定的范围内，以保证控制装置、信号装置、继电保护和自动装置可靠动作和正常运行。否则，若直流母线上电压过高，则对长期带电的设备，如继电器、信号灯等造成损坏或缩短其使用寿命；若直流母线电压过低，则可能导致继电保护装置和断路器操动机构拒绝动作。

2 、接线：图4-11

(1)低电压监视：一只低电压继电器 KV1 ， Udz.j=0.75U

e

(2) 过电压监视：一只过电压继电器 KV2 ， Udz.j=1.25U

e

4.5.3 直流系统的电压监察



图 4-11 直流系统的电压监察接线


3 、工作原理：图4-11

当直流母线上的电压低于规定值（ 0.75Ue）时，低电压继电器 KV1返回，其动断触点闭合， HL1光字牌点亮，预告母线电压过低；

当母线上的电压高于规定值（ 1.25Ue）时，过电压继电器 KV2 动作，其动合触点闭合， HL2 光字牌点亮，预告母线电压过高。

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4.6.1 组成：

由闪光继电器（ DX－ 3 型 )、试验按钮 SB和白色信号灯 WH组成。

4.6.2 接线：图 4-12

§4.6 闪光信号装置


正常运行（即无事故或无跳、合闸操作的情况）时，闪光装置不工作，白色信号灯 WH点燃，表示直流电源和熔断器完好。当某一断路器 QF事故跳闸时， SA在“合闸后”位置， QF在“跳闸后”位置，通过“不对应”回路把闪光小母线（十） WFS接至负电源，断路器控制回路的绿色信号灯 HL由于两端电压很低而变暗，闪光继电器 KC的线圈回路接通，与继电器 KC线圈并联的电容 C 开始充电。经过一定延时后，当电容器 C两端电压升到继电器 KC的动作电压时， KC动作，其常开触点闭合，使闪光小母线（十） WFS又接至正电源，信号灯 HL出于两端电压突然升高而变亮。与此同时继电器 KC的常闭触点断开，电容 C 开始对 KC线圈放电。经过一段延时，当电容 C两端电压降到继电器 KC 返回电压时，继电器 KC复归， HL又变暗。接着电容 C又开始充电，重复上述过程，使断路器控制回路的绿色信号灯 HL连续闪光，直到控制开关 SA置于“跳闸后”位置，使其触点 9－ 10断开为止。返回

4.6.3 闪光信号装置工作原理


第 4章作业4-1 操作电源的作用是什么？目前常用的有哪几种？

4-2 直流负荷分为哪几类？4-3 铅酸蓄电池的工作原理是什么？4-4 铅酸蓄电池在充电和放电时的特性是什么？4-5 为什么蓄电池会有放电现象？4-6 铅酸蓄电池有哪两种运行方式？各有何特点？4-7 试述硅整流电容储能直流系统的工作原理。4-8 试述复试整流装置直流系统的工作原理。4-9 为什么蓄电池要进行核对性放电和均衡充电？4-10 为什么直流系统要装设绝缘监察装置？

第 4 章操作电源

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