電力系統(tǒng)中直流電源系統(tǒng)是由充電裝置、免維護(hù)鉛酸蓄電池、饋出回路、調(diào)壓裝置和相關(guān)的控制、測(cè)量、信號(hào)、保護(hù)、調(diào)節(jié)單元等設(shè)備組成,為控制、信號(hào)、繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置及事故照明等提供可靠的工作電源。
隨著投運(yùn)年限的不斷增加,直流系統(tǒng)中蓄電池組經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)單體蓄電池端電壓參差不齊的現(xiàn)象。端電壓過高的蓄電池會(huì)出現(xiàn)過充,長(zhǎng)期過充會(huì)嚴(yán)重影響蓄電池的使用壽命;端電壓過低的蓄電池會(huì)出現(xiàn)欠充,影響整組蓄電池的運(yùn)行效率。由此可見,合理調(diào)節(jié)整組蓄電池的單體電壓對(duì)電池本身及整組蓄電池都有著重要意義。
目前,變電站維護(hù)人員一般采用蓄電池活化或補(bǔ)充電的方式對(duì)劣化初期的蓄電池進(jìn)行維護(hù)處理,但是該種方法需將蓄電池拆離整組后再單獨(dú)處理,工作量大,效率低。因此設(shè)計(jì)一種在線式整組蓄電池維護(hù)裝置對(duì)變電站的直流系統(tǒng)顯得尤為重要。
1.1 直流系統(tǒng)工作原理
如圖1所示,交流屏提供交流輸入并通過交流配電單元為充電機(jī)供給電源,充電機(jī)將交流電變換為220V/110V直流電,該直流輸出一方面提供給直流母線滿足直流負(fù)載的需求,另一方面給蓄電池組充電。正常狀態(tài)下,蓄電池組處于浮充電狀態(tài),浮充電流補(bǔ)償蓄電池自放電,而變電站直流負(fù)載需求完全由充電機(jī)提供。當(dāng)交流輸入或充電機(jī)輸出發(fā)生故障時(shí),蓄電池組及時(shí)給直流母線充電,滿足直流負(fù)載需求,保證直流系統(tǒng)正常工作。
圖1 變電站直流系統(tǒng)工作原理
1.2 LT1083介紹
LT1083芯片[1]是高效率線性可調(diào)穩(wěn)壓器,能最大限度地減小過載條件下穩(wěn)壓器和電源電路上承受的應(yīng)力件,并高效率提供 7.5A、5A 和 3A 輸出電流。片內(nèi)修整把輸出電壓準(zhǔn)確度調(diào)節(jié)至 1%,其電壓調(diào)整率為0.015%,負(fù)載調(diào)整率為0.01%。與 PNP 穩(wěn)壓器 (約10%的輸出電流作為靜態(tài)電流被消耗) 不同,LT1083 的靜態(tài)電流將流入負(fù)載,從而提升了效率,LT1083管腳圖如圖2所示。
圖2 LT1083管腳圖
1.3 維護(hù)裝置的工作原理
該維護(hù)裝置能在線適用于整組蓄電池,當(dāng)長(zhǎng)期運(yùn)行的蓄電池組出現(xiàn)單體電壓不一致現(xiàn)象時(shí),將蓄電池組中各個(gè)單體電池加裝該維護(hù)裝置,如圖3所示。當(dāng)某一過充單體蓄電池端電壓高于上門檻值時(shí)(可調(diào),本裝置設(shè)為2.260V),維護(hù)裝置導(dǎo)通,工作指示燈點(diǎn)亮,此時(shí)維護(hù)裝置開始對(duì)該單體蓄電池恒流放電,并通過輔助旁路對(duì)整組中其他欠充蓄電池補(bǔ)充電;而當(dāng)該蓄電池端電壓低于下門檻值時(shí)(可調(diào),本裝置設(shè)為2.246V),維護(hù)裝置將退出運(yùn)行,工作指示燈熄滅。
利用整組蓄電池中各自維護(hù)裝置的反復(fù)導(dǎo)通與截止,從而使欠充及過充蓄電池同時(shí)得到優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)整組蓄電池維護(hù)目的,提高了蓄電池維護(hù)效率。另外,該維護(hù)裝置發(fā)生故障時(shí)能立即燈光告警,大電壓沖擊試驗(yàn)、電源線反接試驗(yàn)均不會(huì)對(duì)蓄電池造成惡劣影響,維護(hù)裝置安全性能滿足變電站運(yùn)行要求。
圖3 蓄電池維護(hù)裝置應(yīng)用原理
1.4 維護(hù)裝置電路設(shè)計(jì)
維護(hù)裝置電路由電壓采集電路、驅(qū)動(dòng)電路、光電監(jiān)視電路和恒流電路四部分組成,完整電路圖如圖4所示。
圖4 蓄電池維護(hù)裝置PCB電路
其中,電壓采集電路能高精度實(shí)時(shí)采集蓄電池端電壓,并通過高增益集成運(yùn)放電路將端電壓處理并送至下一級(jí)電路,電壓采集誤差不
高于1mV。驅(qū)動(dòng)電路[3]由遲滯電壓比較器和NPN型三極管組成,基準(zhǔn)電壓精確穩(wěn)定,誤差小于0.5mV,驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。恒流電路由低壓差恒流器和限流電阻組成,控制IC三端可調(diào),電壓調(diào)整率僅為0.015%,功耗低,電路效率高。光電監(jiān)視電路由發(fā)光二級(jí)管D1、D4、D5及其外圍電路組成,具有電路反接、斷線、短路告警,以及正常狀態(tài)工作指示功能。
此外,為了便于批量生產(chǎn),提高設(shè)計(jì)效率,我們制作了PCB電路圖,如圖5所示。
圖5 蓄電池維護(hù)裝置PCB電路圖
最終,通過合理選擇電路元器件、電源線、電源夾、指示燈、設(shè)計(jì)裝置外殼,制作出一套安全、可靠、便攜的在線式整組蓄電池維護(hù)裝置。該裝置重量小于100g,體積小于200cm3,采樣誤差不大于1.5mV,維護(hù)裝置實(shí)物如圖6所示。
圖6 蓄電池維護(hù)裝置實(shí)物圖
2.1 維護(hù)裝置實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)及結(jié)果
利用實(shí)驗(yàn)室工具,選擇三個(gè)型號(hào)相同的單體蓄電池(#1單體初始電壓為2.437V、#2單體初始電壓為2.285V、#3單體初始電壓為2.034V)用作實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。
圖7 維護(hù)裝置實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖
試驗(yàn)過程中,每隔0.5小時(shí)對(duì)蓄電池端電壓進(jìn)行記錄,如圖7所示。從圖中可以清晰發(fā)現(xiàn),過充的#1單體經(jīng)過10小時(shí)的維護(hù)處理后,最終端電壓達(dá)到2.246V~2.260V的預(yù)設(shè)電壓區(qū)間;欠充的#3單體在維護(hù)處理后,端電壓緩慢上升,最終達(dá)到預(yù)設(shè)電壓區(qū)間。#2單體由于其維護(hù)裝置反復(fù)導(dǎo)通截止,端電壓在預(yù)設(shè)電壓范圍內(nèi)波動(dòng)。
2.2 維護(hù)裝置站端試驗(yàn)及結(jié)果
鑒于維護(hù)裝置實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果理想,我們選用中山供電局110kV張溪變電站(中山供電局培訓(xùn)基地)#1蓄電池組作為維護(hù)裝置站端試驗(yàn)對(duì)象,如圖8所示。
圖8 蓄電池維護(hù)裝置站端試驗(yàn)圖
經(jīng)過將近一周維護(hù)試驗(yàn)后,張溪站#1蓄電池組各單體端電壓均達(dá)到2.246V~2.260V的預(yù)設(shè)區(qū)間,試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
利用在線式整組蓄電池維護(hù)裝置能在不拆除單體蓄電池的情況下使需維護(hù)的欠充及過充蓄電池同時(shí)得到優(yōu)化,避免了拆裝蓄電池所造成的人身、設(shè)備風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)也解決了單獨(dú)處理蓄電池后運(yùn)行效果不佳的難題。
本文編自《電氣技術(shù)》,論文標(biāo)題為“一種在線式整組蓄電池維護(hù)裝置的研究與設(shè)計(jì)”,作者為毛焱、黃永東。