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直流系统讲课提纲韩京哲
《变电站直流系统》讲课提纲
韩京哲
主要讲三部分内容:
一、蓄电池
铅酸蓄电池/阀控铅酸蓄电池
二、充电设备
1、相控充电机
2、高频开关电源
三、直流系统的接线及配置
二○○六年八月
第一部分蓄电池(铅酸蓄电池/阀控铅酸蓄电池)
蓄电池是二次化学电源。
可以将化学能转变成电能,电能转变成化学能。
这个反应是可逆的。
一、基本原理及结构
1、化学反应过程――主反应:
负极反应Pb+HSO4-PbSO4+H++2e
正极反应PbO2+3H++HSO4-+2ePbSO4+2H2O
电池反应Pb+PbO2+2H++2HSO4-2PbSO4+2H2O
放电时:
负极:
铅(Pb)氧化成二价铅离子(Pb2+),形成了硫酸铅(PbSO4),释放了2个电子;
正极:
四价铅离子(Pb4+)还原成二价铅离子(Pb2+),二氧化铅(PbO2)转变成硫酸铅(PbSO4),吸收了2个电子。
充电时相反。
两个电极反应之和就是电池反应:
Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O
这就是“双硫酸盐化”理论。
正极活性物质是二氧化铅,负极活性物质是海绵状金属铅,电解液是稀硫酸;放电时正、负电极都变成了硫酸铅,充电时硫酸铅分别变成二氧化铅和铅;硫酸即传导电流,又是反应物,参加电化学反应,放电时,硫酸生成水,电解液浓度不断降低;充电时,水不断生成硫酸,电解液浓度不断升高。
2、副反应:
在电池充电的过程中还有一个副反应,这就是水的分解,产生氧气、氢气。
正极:
2H2OO2+4H++4e
(实际:
2H2OH3O++OH-/4OH--4e2H2O+O2)
负极:
4H++4e2H2
水分解速率与电极电压有直接关系。
当电位差达到1.23V时氢和氧就开始析出,但进行得很慢;而当电压较大,超过一定值时,氢和氧的析出将急剧上升。
经过理论分析和计算,负极电压超过平衡电压每0.12V,氢析出增加10倍当量电流;正极超过平衡电压每0.07-0.12V,氧析出增加10倍当量电流(一般的说法在充电70%左右时正极氧析出,在充电90%左右时负极氢析出。
)
3、阀控蓄电池的内部氧循环原理
O2+4H++4e-2H2O―――总反应
(过程:
①O2+2Pb2PbO
②PbO+H++HSO4-PbSO4+H2O
③PbSO4+H++2ePb+HSO4-)
在氧循环过程中,氧化铅变成硫酸铅时要产生较大的热量。
4、基本结构
4.1、防酸隔爆式、开口式、消氢式
主要由正极板、负极板、隔板、电解液、极柱、防酸栓、电池槽等组成。
电池图1,电池图2
正、负极板:
多孔、粉末。
目的是大大提高表面积,约为102-103m2/kg,使反应更均匀、稳定,减少电流密度;减少活性物质的脱落和生成枝晶;为硫酸铅的膨胀提供空间等。
分涂膏式粉末多孔电极、压成式粉末多孔电极、烧结式粉末多孔电极等。
板柵(正极板和负极板内):
支撑活性物质,充当活性物质的载体,传导电流,使电流均匀分布。
因为:
一是铅、二氧化铅、硫酸铅的摩尔体积分别为18.27、25.51、48.00cm3/mol,放电和充电时极板要膨胀和收缩。
二是硫酸铅是绝缘体,导电性很差;二氧化铅的电阻率也较高0.25Ωcm。
蓄电池自装配以后,板柵的腐蚀就开始了,腐蚀总是以一定的速率不停地进行,直至蓄电池最终损坏,因此板柵腐蚀就决定了蓄电池的寿命,所谓蓄电池的设计寿命就是由此推导出来的。
4.2、阀控密封式结构:
与普通铅酸蓄电池的主要区别:
贫液式,隔板超细玻璃纤维,除有电解液外,还有气体通道;正常工作在密封状态,内部压力大时,由安全阀放气;板柵合金的成分有改进,减少了自放电,等等。
板柵:
板柵合金的成分影响腐蚀速率,因而也就影响着自放电的大小。
为此多年来对板柵进行了不断的改进,铅锑、铅钙锡铝、铅锶锡铝,等等。
隔板:
有2种,一种使用超细玻璃纤维(孔径大部分5-10微米),电解液占90%以上,有将近10%的气体通道;紧装配;隔板较薄,有利于降低内阻。
另一种是胶体电解液,二氧化硅分散在硫酸中,使电解液均匀,优点是电解液不存在分层现象,有隔板,内阻稍大。
电解液:
密度一般在1.26V-1.28-1.3V↓(固定式)
安全阀:
闭阀压力在1—10Kpa范围内,开阀压力在10Kpa—49Kpa。
安全阀上安有滤酸装置,以免排气过程中酸雾排出(订货技术条件)。
壳体:
水蒸汽和气体通过壳体有微弱的散失。
图片
二、蓄电池的几个重要电特性
1、蓄电池的平衡电压(≈开路电势、静态电压)
把正、负电极电位叠加,得出两极之间的电压
电池的平衡电压≈酸密度+0.84
这个参数是蓄电池各种其它参数的基础。
2、极化问题
过电位:
蓄电池在充电和放电过程中,在欧姆内阻之外,有一个额外的电势消耗,这个电势就是过电位。
过电位是个变量。
在充电后期氧循环加大时,过电位显著提高。
过电位的原因是,蓄电池有电流流过时,进行化学反应,在反应物之间要进行电子交换,电极表面与电解液之间有物质传输,这些需要额外的能量。
欧姆电位降:
相对来说变化较小,但放电后期,蓄电池比重下降、硫酸铅增加,欧姆内阻增加较大。
极化值=过电位+欧姆电位降
下图是浮充电情况下的极化:
充电时,蓄电池端电压:
U=E+正极过电位+负极过电位+IR
放电时,蓄电池端电压:
U=E-正极过电位-负极过电位-IR
3、放电特性
此为示意图。
实际放电时要注意说明书中放电特性曲线,比照检查。
4、充电特性
温度对蓄电池的充电接受能力也有影响,温度低时,反应速度低,极化加大,充入电流会减少,因此浮充电和均充电都有温度补偿。
5、内阻
内阻与极化有关。
1、非线性;2、充电内阻与放电内阻不等;3、充放电状态影响内阻大小;4、温度影响内阻。
短路电流水平:
一般10-15倍C10,个别超过10-15倍C10的范围,但最大不会超过20倍C10。
一般蓄电池容量小的短路电流倍数偏高一些。
6、容量
放电率影响容量
温度影响容量
7、寿命
循环寿命:
深度放电循环寿命减少的原因:
时间寿命(设计寿命):
由正极板柵的腐蚀速率决定。
8、自放电
8.1、负极的自放电
氢析出导致的自放电:
PbPb2++2e-―――负极放电
2H++2e-H2―――氢析出
H2SO42H++SO42-―――硫酸反应
Pb+H2SO4H2+PbSO4―――总反应
氧还原引起的自放电:
见“内部氧循环过程”。
在铅变成氧化铅,和氧化铅变成硫酸铅过程中,都会产生自放电。
8.2、正极的自放电
氧析出导致的自放电:
PbO2+H2SO4+2H++2e-PbSO4+2H2O――正极放电
H2O1/2O2+2H++2e-――氧析出
PbO2+H2SO41/2O2+PbSO4+H2O――总反应
板柵腐蚀导致的自放电:
PbO2+H2SO4+2H++2e-PbSO4+2H2O――正极放电
Pb+H2OPbO+2H++2e-――板柵腐蚀
PbO2+Pb+H2SO4PbSO4+PbO+H2O――总反应
正极在开路情况下,板柵腐蚀是主要的自放电。
蓄电池储存期间,如不定期补充电,板柵腐蚀会导致不可恢复的损坏。
8.3、电解液杂质引起的自放电:
如:
铁离子,当Fe2+接触到正电极被氧化成Fe3+
(Fe2+Fe3++e-);然后到达负极时被还原成Fe2+,往复运动不断放电。
8.4、极板短路:
腐蚀使正极板长大,接触到负极汇流排;铅枝晶生长(负极)引起短路。
自放电量主要由氢析出决定。
温度对自放电的影响也很大。
9、比能量
三、运行维护的若干要点及重要参数
1、开路电压:
1.1意义:
1.2范围:
1.3偏差:
最大最小电压差值不超过0.02V
1.4测量方法:
2、浮充电运行
2.1作用:
2.2范围:
2.3偏差问题:
2.4温度补偿:
2.5整组电池长期浮充下的结果:
3、充电特性曲线
3.1均衡充电
3.2补充电
4、放电电压、放电曲线、放电能力
4.1放电电压的变化特点:
4.2终止电压:
4.3冲击放电:
在连续10次短时合闸电流放电时,电池组端电压应不低于额定值的91%。
短时合闸电流幅值应不小于200A,时间不小于500ms、不大于1s。
4.4技术条件中的放电能力:
3C10放电1min,6C10放电5s
5、注意温度问题:
5.1温度与寿命:
5.2温度控制范围:
6、理解寿命的概念:
7、蓄电池的早期损坏及防范
7.1正极板柵的加速腐蚀:
7.2电解液干枯:
7.3极板的硫酸盐化
新电池正极板、部分硫化、大部分硫化、完全硫化
7.4热失控及防范
热失控是阀控蓄电池可能出现的一种情况,因为阀控蓄电池有内部氧循环过程。
在内部氧循环过程中,伴随着要产生大量的热,产热和散热不平衡导致蓄电池温度上升,上升的温度使电流又增加,气体析出更快,温度进一步上升。
热失控对蓄电池的损坏是很大的,一定要避免,要防止过充电引起的热失控。
(热失控一般在均衡充电,环境温度又较高时容易发生,但平时气温较高时也有可能发生轻微的热失控,实际就是析气量比平时有明显的增加。
当蓄电池温度较高,充入电流非放电原因而比平时增大时,此时就可能是一种轻微的热失控。
如蓄电池均充电,在进入恒压状态后,充电电流应下降较快,如电流衰减的较慢或维持在较高数值不变,并且蓄电池温度也较高时,可能就发生了热失控,要马上停止充电。
蓄电池散热能力较差,外壳40℃,内部温度可能已很高了)。
8、定期外观检查
8.1外壳检查:
8.2极柱连接:
蓄电池连接条的总压降在3I10为时不超过8mv。
8.3安全阀:
9、通风:
避免氢气浓度达到4%(体积浓度)
10、蓄电池的储存
11、新电池的管理、后期管理
第二部分充电设备
一、相控充电机
1、电力电子器件:
2、晶闸管的基本结构和等效电路:
晶闸管的伏安特性:
3、基本原理
3.1简单电路举例――单相半波电路
控制角:
从晶闸管开始承受正向电压到触发导通的电角度。
导通角:
晶闸管在1个周期内导通的电角度,控制角加导通角等于180°。
移相控制:
通过改变控制角的大小,调节输出电压叫移相控制。
3.2、感性负载及续流二极管
3.3、三相桥式全控整流电路
不同控制角与对应的直流电压:
4、相控充电机实例
图1链接.
图2链接
5、主要部件及功能
5.1、隔离变压器:
5.2、晶闸管的选择及保护:
5.3、晶闸管的触发电路:
5.4、滤波电路:
5.5、实物照片:
相控充电机系列1晶闸管1、晶闸管2
相控充电机系列2:
二、高频开关电源
1、功率场效应管(MOSFET)及绝缘柵双极型晶体管(IGBT)
2、高频开关电源基本原理
开关管的脉宽调制:
控制系统结构图:
3、高频化的诸多优点
3.1、高频变压器体积减小的原因:
3.2、其它元器件的节省:
3.3、参数改善:
3.4、模块化、集成化:
3.5、多模块并联与可靠性的提高:
4、软开关技术(零电流与零电压)
软开关的方法:
5、模块的均流:
6、功率因数校正技术:
7、防雷、防过电压:
防雷保护、浪涌抑制
8、主要结构
三、运行中注意的一些问题
第三部分直流系统配置、接线
一、北京电力公司的直流系统配置原则
二、空开与熔断器
三、绝缘监察与接地选线
四、降压硅链
五、直流接地查找
六、运行中注意的一些问题
参考文献:
1、[德]D.Berndt《免维护蓄电池(第2版)》北京:
中国科学技术出版社2001
2、朱松然《铅蓄电池技术(第2版)》北京:
机械工业出版社2002
3、杨旭裴云庆王兆安《开关电源技术》北京:
机械工业出版社2004
4、张乃国《电源技术》北京:
中国电力出版社1998
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