发电厂变电所的操作电源

一、操作电源的类别和要求

1、常用的操作电源的类别

①由蓄电池组供电的直流操作电源，具有可靠性高和容量较大的突出优点，

但投资较大，运行维护也较复杂。

②整流操作电源，目前应用最为广泛，常用的有硅整流电容储能的和带镉镍

蓄电池的硅流的两种。

③交流操作电源，具有简单经济、便于运行维护的突出优点，在小型变电所

中应用很广。

④交直流混合操作电源，例如合闸采用交流操作电源，而继电保护、自动装

置和跳闸采用蓄电池组供电。

2、操作电源的基本要求

①供电可靠，在一次电路发生故障情况下，它也能保证二次回路正常工作。

②有足够的容量，能够保证二次回路执行其跳、合闸的功能。

③其电流类别应与二次回路中控制、保护装置的电流类别要求相适应。

④尽可能简单经济，便于运行维护。

3、对用作直流电源的蓄电池组要求

①由浮充电设备引起的波纹系数不应大于5％。

②电压允许波动应控制在额定电压的5％范围内。

③放电末期直流母线电压下限不应低于额定电压的85％，充电后期直流母线

电压上限不应高于额定电压的115％。

4、对用作直流电源的交流整流电源要求

①在最大负荷时保护装置动作直流母线电压不应低于额定电压的80％，最高

电压不应超过额定电压的115％，并应采取稳压、限幅和滤波的措施。电

压波动应控制在额定电压的5％范围内，波纹系数不应大于5％。

②当采用复式整流时，应保证在各种运行方式下，在不同故障点和不同相别

短路时，保护装置均能可靠动作。

③对采用电容储能电源的变电所和水电厂，电力设备和线路应具有可靠的远

后备保护，在失去交流电源情况下，当有几套保护同时动作时，或在其它

情况下消耗直流能量最大时，应保证保护与断路器可靠动作，同一厂所的

电源储能电容的组数应与保护的级数相适应。

5、对交流操作电源的要求

①当采用交流操作的保护装置时，短路保护可通过被保护元件的电流互感器

取得操作电源。

②变压器的瓦期保护和中性点非直接接地电力网的接地保护，可由电压互感

器或变电所所用变压器取得操作电源，亦可增加电容储能电源作为跳闸的

后备电源。

二、保护装置常用的操作电源

1、直流操作电源

①铅酸蓄电池组

②镉镍蓄电池组

③电容储能的硅整流器

2、交流操作电源①直接动作式

②中间电流互感器供电方式

③去分流跳闸的交流操作方式

④利用予充电的电容器作跳闸电源的方式。

⑤利用所用变压器作交流操作电源的方式。

五种方式接线图。

图2-1 ①直接动作式

图2-2 ②中间电流互感器供电方式

如上图所示。正常情况下，电流继电器KA不动作，其常开触点是断开的，中间电流互感器TAM的二次侧处于开路状态，断路器的跳闸线圈YR不通电，断路器QF 不会跳闸。而在一次电路发生相间短路时，KA动作，其常开触点闭合，接通跳闸线圈YR，由中间电流互感器TAM供给跳闸电流，使断路器QF跳闸，切除短路故障。

中间电流互感器的铁心是做成速饱和的，因此它又称为“速饱和电流互感器。其铁心做成速饱和的目的在于：①在短路时，用以通过跳闸线圈的电流，一般在7～12A内；②用以减轻电流互感器TA1、TA2的二次负载阻抗（TAM铁心饱和后阻抗减小）。但采用中间电流互感器作为操作电源，结线较复杂，使用的电器较多，且灵敏度较低，现已为“去分流跳闸”的交流操作方式所取代见图2-3 a、b

图2-3 去分流跳闸的交流操作方式

如图2-3a 所示。正常情况下，电流继电器KA 的常闭角点将跳闸线圈YR 短路（分流），YR 不通电，因此断路器QF 不会跳闸。而在一次电路发生相间短路时，KA 动作，其常闭触点断开，使YR 的短路分流支路被去掉（被称为“去分流”），从而使电流互感器的二次电流全部通过YR ，致使断路器跳闸。这种“去分流跳闸”的交流操作方式的突出优点在于结线简单，省去了中间电流互感器，提高了保护灵敏度。但这种原理结线不够完善，因为如继电器KA 的常闭触点遭受外界振动而偶然断开时将导致断路器误跳闸。为此，实际应用的电路如图2-3b 所示。这种方式在现代企业供电系统中广泛应用。

由图2-3b 可知，此电路中的电流继电器（通常彩GL-25

15型）增加了一对常开触点，与跳闸线圈YR 串联，以防止继电器常闭触点偶然断开而造成断路器呈跳闸。

但是，此过电流继电器的常开、常闭触点，必须是“先合后断转换触点”，否则，不仅不起保护作用，而且将造成电流互感器二次侧带负荷开路，这是不允许的。

图2-4 利用予充电的电容器做跳闸电源的方式

如图2-4所示。由预先充好电的电容器向跳闸线圈YR 供电。此电容器的电容量（μF ）下式确定

C

U C 2YR W 2)0.2~5.1(= 式中，W YR 为跳闸线圈跳闸所需的电能（W .h ）,U C 为电容器的充电电压（V ）在电压互感器容量足够时，也可直接利用电压互感器作跳闸电源。

图2-5 利用所用变作交流电源的方式

如图2-5所示。利用接于主变压器二次侧的所用变压器TS1和TS2作为交流操作电源，这种方式简单方便，但可靠性不高。

三、铅酸蓄电池组供电的直流操作电源

1、铅酸蓄电池的结构性能

铅酸蓄电池的正极板为二氧化铅（PbO 2）,负极板为铅（Pb ），电解液为稀硫酸（H 2SO 4）,其密度为 1.20～1.29g/cm 3,电池外壳用玻璃或塑料制造。固定型防酸隔爆式铅酸蓄电池的型号和技术数据可查有关厂家资料。

放电的化学反应式为

Pb+PbO 2+2H 2SO 4 2PbSO 4+2H 2O

充电的化学反应式为

2PbSO 4+2H 2O 2+2H 2SO 4+Pb

充电终止电压为2.7V ，放电终止电压为1.8V(按10h 放电率)。电池额定电压为2V 。铅酸蓄电池不宜过放电和过充电

蓄电池充好电后，即使不带负荷，随着时间的增长也会耗去一部分电量，这称为“自放电现象”。铅酸蓄电池一昼夜可因此耗去0.5％～1％的容量。

为了弥补自放电损耗，通常采用浮充电方式运行，即以很小的电流随时给蓄电池充电。

2、按浮电方式运行的含合闸电源的直流操作电源

（1）单母线直流系统结线图2-6

放电 充电

图2-6 WO—合闸回路电源小母线

WC—控制回路电源小母线

WF—闪光信号电源小母线

图 2-7

图a 为常见的按浮充电方式运行的蓄电池组单母线直流系统原理结线。它采用一套硅整流设备兼作蓄电池充电及浮充电电源，并选用手动端电池调整器SA 。该系统具有以下特点

① 设有专用直流合闸小母线，以保证变电所内断路器远距离合闸的电压要求

② 正常运行时浮充电设备可以对全部蓄电池进行浮充电，其电流通路如图2-7b 所示 ③ 利用手动端电池调整器SA 的充电手柄作为合闸母线的电压调整手柄

（2）蓄电池容量的选择

蓄电池容量按下列两个条件选择，取其中较大者：

① 按事故状态下持续放电容量选择

Q=K rel (I L +I`L )t

式中，I L 为经常性直流负荷电流；I`L 为事故状态下增加的直流负荷电流；t 为事故持续时间，一般取为1h ；K rel 为可靠系数，可取1.1

②按最大冲击负荷电流选择：

I L.max = I L +I`L +I on.max

式中，I L 和I`L 的含义如①：I on.max 为断路器最大合闸电流

（3）蓄电池总台数的确定

① 蓄电池总台数按下式确定

n=U WB /U dsc

式中，U WB 为直流母线正常工作电压，取 1.05U N ,U N 为直流系统额定电压，U dsc 为单个蓄电池事故放电末期允许的终止电压，取1.95V

②蓄电池基本台数按下式确定

n o =U WB /U ch

式中，U ch 为单个蓄电池充电末期终止电压，取平均值2.6V ；U WB 仍取1.05 U N 。

③端电池指用来调节母线电压的那些蓄电池，其台数为

n end =n －n o

（4）充电设备和浮充电设备的选择

① 充电设备的充电电流按下式计算

I ch =I L +I ch.max

式中，I L 为蓄电池组经常性直流负荷电流；I ch.max 为蓄电池组最大充电电流，可取10h 放电电流。

②充电设备的最高电压按下式计算

U ch =nU ch.(max)

式中，n 为蓄电池总台数；U ch.(max)为单个蓄电池充电末期的最高电压，取2.7V ③充电设备的功率按下式计算

P ch =U ch I ch =U ch (I ch.max +I L )

①其浮充电流按下式计算

I ch.fl =I L +I dsc.pr = I L +0.15×h

Q N 36 式中，I L 为蓄电池组经常性直流负荷电流；I dsc.pr 为其自放电电流；Q N 为所用蓄电池的额定容量（A.h ）

②浮充电设备的功率按下式计算

P ch.fl = U ch I ch.fl

图 2-8

上图所示为小型变电所较常用的48V 直流操作电源的原理结线。蓄电池组仅作控制，保护和信号电源，而断路器的合闸电源则采用硅整流装置。

该系统具有以下特点

① 没有端电池，且蓄电池组按浮充电方式运行

② 充电时采用较低电压，通常取每台蓄电池最高充电电压为2.35V 直流母线最高电压为1.1U N ,因此蓄电池台数为

2335.2481.1≈×=V

V n 正常浮充电运行时，蓄电池端电压取2.15V ，直流母线电压为2.15V ×23=49.5V ；放电终止电压取1.8V ，这时直流母线电压为1.8V ×23=41.4V

四、镉镍（碱性）蓄电池组供电的直流操作电源

1、镉镍（碱性）蓄电池的结构性能

镉镍蓄电池的正极板活性物质采用羟基氧化镍（NiOOH ），负极板活性物质采用海绵状镉（Cd ），电解液为氢氧化钾（KOH ）溶液，其密度为1.18～1.28g/cm 3,电池外壳用金属或塑料制造。

镉镍蓄电池按极板结构分为有极板盒式和烧结式两种类型。前者适用于中速放电，后者可大电流放电。按电池形状又可分为长方型盒式电池（容量10～500A.h ）、圆筒型密封电池（容量0.5～3A.h ）及钮扣式密封电池（容量0.1～0.5A.h ）

镉镍蓄电池的特点是：使用寿命长（1000～2000充放电循环），机械强度好（耐冲击和耐振动），能够处于任何方位工作，放电电压平稳，低温性能好。但其价格比铅酸蓄电池贵，全烧结式镉镍蓄电池的型号和技术数据参看有关厂家资料。

镉镍蓄电池放电和充电的化学反应式为

Cd+2NiOOH+2H 2

O

Cd(OH)2+2Ni(OH)2

镉镍蓄电池必须按规定要求进行充放电。正常充电，充电时间约7h ，充电电流约为电池额定容量的1/4。快速充电，充电时间2～4h ，充电电流约为电池额定容量的1/2。单个电池充电电压为1.45V 。其放电，通常采用5h 或10h 恒流放电，放电终止电压为1.0V 。电池额定电压为1.2V 。

镉镍开口式盒式蓄电池，在长期使用过程中，其电解液会吸收空气中的二氧化碳（CO 2）,生成碳酸钾（K 2CO 3），影响电池的性能。因此在一定充放循环次数（100～200次以后），应更换新的电解液（KOH ）。

2、镉镍蓄电池供电的直流系统结线图2-9

图 2-9

3、镉镍蓄电池供电的直流系统工作说明

上图所示镉镍蓄电池供电的直流系统，平时可不必浮充电运行，而是定期进行充电。如采用浮充电运行方式，应严格控制浮充电的电流和温度，不要超过允许值。下面简述其运行操作：

放电 充电

HL2亮，表示电池组已进入充电运行。调节充电电流，使充电电流达到规定值。此时控制、保护和信号回路仍由浮充电源供电（假设充电前此系统在浮充电状态下运行），而合闸回路应暂时断开。充电完毕以后，断开SA2，将SA4扳向左侧（浮充电源侧）再合上SA7，并接通合闸回路，恢复整个系统的正常运行。

②浮充电：合上SA1,指示灯HL1亮，表示浮充电源已投入运行。断电监视

用的电压继电器K1动作，其常闭触点断开，切断蓄电池组通向控制小母线WC的通路（此通路为单独由蓄电池组供电时使用的），合上SA3，使直流负荷由浮充电源供电。再将SA4扳向左侧，使蓄电池进入浮充电运行状态。断开SA5，使旁中电流表A串入电池组回路，以观测浮充电流。该电流表A为一只指针在中间的电流表，指针右偏为充电电流，指针左偏则为放电电流。

③放电：如交流系统断电，或SA1断开，则K1返回，其常闭触点闭合，接

通蓄电池组至控制小母线的通路，使控制小母线的直流负荷全由蓄电池组供电，蓄电池组处于放电状态。

④控制小母线电压的调节：本方案采用5组硅二极管串联来进行调压，通过

SA8来改变串入回路中的硅二极管数来达到调节控制小母线电压的目的。

⑤信号系统：K1为浮充电源的交流电源断电监视继电器，如前所述。K3为

控制小母线的电压监视继电器。当控制小母线失电时，K3返回，其常闭触点闭合，接通继电器K2；K2的常开触点闭合，接通电铃，HA发出音响信号。按下按钮SB，音响信号即被解除。