На подстанциях для питания оперативных цепей постоянного тока используются, как правило, кислотные аккумуляторные батареи (стационарные и переносные) и в отдельных случаях щелочные. Стационарные аккумуляторные батареи составляют из отдельных аккумуляторов, обычно соединенных последовательно.
Аккумулятором называют вторичный химический источник тока, работа которого заключается в накоплении электрической энергии (заряд) и отдаче этой энергии потребителю (разряд).
Основными частями кислотного аккумулятора (рис. 1) являются свинцовые положительные 2 и отрицательные 1 пластины, соединительные свинцовые полосы 5, электролит, сепараторы 3 и сосуд. В качестве положительных используются свинцовые пластины с большим числом ребер, что увеличивает рабочую поверхность пластин, в качестве отрицательных— пластины коробчатого типа. После формовки на положительных пластинах образуется двуокись свинца РbO2, а на отрицательных — губчатый свинец Рb.
Рис. 1. Аккумуляторы типа СК-24 в деревянном сосуде: 1 — отрицательная пластина, 2 — положительная пластина, 3 — сепаратор, 4 — подпорное стекло, 5 — соединительная полоса, 6 — наконечник для ответвления
Электролит состоит из серной кислоты повышенной чистоты и дистиллированной воды. Плотность электролита стационарного заряженного аккумулятора при 25 °С равна 1,21 г/см3.
Между положительными и отрицательными пластинами аккумулятора установлены изоляционные перегородки — сепараторы, препятствующие замыканию пластин при их возможном короблении и выпадению из них активной массы.
Аккумулятор характеризуется емкостью, ЭДС, зарядным и разрядным токами. Номинальной емкостью аккумулятора (в ампер-часах) является его емкость при 10-часовом разряде и нормальной температуре (25 °С) и плотности (1,21 г/см3) электролита.
На подстанциях преимущественно применяют аккумуляторные батареи напряжением 220 В, собранные из аккумуляторов С, СК, СН.
Аккумуляторы С (стационарные) предназначены для разрядов длительностью от 3 до 10 ч и более. Аккумуляторы СК (стационарные для кратковременных режимов разряда) допускают разряд в течение 1—2 ч. Поэтому в аккумуляторах СК применяют усиленные соединительные полосы между пластинами, рассчитанные на большой ток.
Сосуды аккумуляторов С и СК — открытые, для номеров С-16, СК-16 и меньше — стеклянные, а для больших номеров — деревянные, выложенные изнутри свинцом (или керамические). Аккумуляторы типа СН характерны тем, что они помещаются в герметичных закрытых сосудах. Эти аккумуляторы имеют сравнительно небольшую массу и габариты, их можно устанавливать в одном помещении с другим электрооборудованием.
Номер аккумулятора (после буквенного обозначения) характеризует его емкость. Емкость в ампер-часах равна номеру аккумулятора, умноженному на единичную емкость отдельного аккумулятора с типовым номером 1. Для аккумуляторов типов С-1 и СК-1 эта емкость равна 36 А-ч, а для типов С-10 и СК-10 — 360 А-ч.
На небольших подстанциях при отсутствии значительных толчковых нагрузок и резких колебаний в сети оперативного тока (при включении выключателей и т. д.) применяют переносные стартерные аккумуляторные батареи небольшой емкости напряжением 24 и 48 В. На таких подстанциях батарея обычно длительно работает в нормальном режиме разряда и через определенное время — после потери ею своей номинальной емкости (что определяют контрольными замерами напряжения батареи) — заменяется резервной. Иногда применяют щелочные аккумуляторы, у которых электролитом служит водный раствор едкого калия с плотностью 1,19—1,21 г/см3.
В положительных пластинах щелочных, аккумуляторов активным веществом служит гидрат окиси никеля, а в отрицательных — кадмий с примесью железа (никель-кадмиевые аккумуляторы) или только железо (никель-железные аккумуляторы). На подстанциях чаще всего находят применение железоникелевые аккумуляторы из элементов типов НЖ и ТНЖ.
Свинцовые и щелочные аккумуляторы имеют свои преимущества и недостатки: свинцовые имеют по сравнению со щелочными более высокое разрядное напряжение (1,8— 2 и 1,1—1,3 В), более высокую отдачу емкости и энергии. Поэтому при составлении батареи одинакового напряжения свинцовых аккумуляторов требуется почти вдвое меньше. Особенностями щелочных аккумуляторов являются компактность, герметичность, механическая прочность, малый саморазряд и возможность эксплуатации в условиях низких температур.
Аккумуляторные батареи являются наиболее надежным источником питания вторичных устройств, так как они обеспечивают независимое (автономное) питание оперативных цепей при исчезновении напряжения переменного тока.
В аварийном режиме батареи принимают нагрузку всех электроприемников постоянного тока, обеспечивая действие релейной защиты и автоматики, а также возможность включения и отключения выключателей. Предельная продолжительность аварийного режима принимается равной 0,5 ч для всех электроприемников и цепей оперативного постоянного тока, а для средств связи и телемеханики 1— 2 ч. Таким образом обеспечивается наличие оперативного тока в течение времени, необходимого для ликвидации аварии (0,5—2,0 ч).
Применение аккумуляторных батарей ограничено из-за их высокой стоимости и сложности эксплуатации. Поэтому они устанавливаются на наиболее крупных подстанциях. На подстанциях 500 кВ и выше устанавливают по две батареи и больше.
В настоящее время для заряда аккумуляторов используют статические выпрямительные устройства, называемые зарядными агрегатами. На старых подстанциях пока продолжает эксплуатироваться значительное количество двигателей-генераторов.
При эксплуатации электрическая энергия, накопленная в аккумуляторе, непрерывно расходуется. Для ее пополнения служат подзарядные агрегаты, в качестве которых также могут быть использованы двигатели-генераторы и статические выпрямительные устройства. Мощность подзарядных агрегатов обычно составляет 20—25 % мощности зарядных агрегатов. В ряде случаев один и тот же агрегат может выполнять функции зарядного и подзарядного агрегата.
Двигатели-генераторы состоят из приводного асинхронного электродвигателя и генератора постоянного тока с параллельным возбуждением. Обе машины устанавливаются на одной раме, а их валы соединяются эластичной муфтой. При заряде аккумуляторной батареи напряжение генератора зарядного агрегата должно изменяться, поэтому генератор постоянного тока выбирают с регулированием напряжения в широких пределах путем изменения его возбуждения шунтовым реостатом. В качестве статических зарядных и подзарядных агрегатов широко используются кремниевые выпрямительные устройства.
В отличие от двигателя-генератора статические выпрямительные устройства дешевле, не имеют движущихся частей, более удобны в обслуживании, имеют большой срок службы и большую перегрузочную способность и поэтому наиболее распространены.
Распределение постоянного тока, связь зарядных и подзарядно-зарядных агрегатов с аккумуляторной батареей осуществляется через щиты постоянного тока (ЩПТ), на которых размещаются коммутационная аппаратура и контрольно-измерительные приборы. Для удобства действий дежурного персонала на ЩПТ наносятся мнемонические схемы постоянного тока.
Аккумуляторные батареи, ЩПТ, зарядные и подзарядные агрегаты, электроприемники постоянного тока связаны между собой кабельными линиями, а в отдельных случаях шинопроводами. В совокупности они образуют схему электрических соединений сети постоянного тока.
Различают три основных режима работы аккумуляторных батарей: постоянный подзаряд, заряд—разряд и заряд—покой—разряд.
На подстанциях аккумуляторные батареи обычно работают в режиме постоянного подзаряда. В этом случае подзарядный агрегат, оснащенный устройством стабилизации напряжения (с точностью ±2%), все время питает постоянно включенные электроприемники сети оперативного тока (сигнальные лампы, обмотки реле, контакторов), а также подзаряжает аккумуляторную батарею, компенсируя ее саморазряд.
Вследствие этого аккумуляторная батарея все время полностью заряжена. Кратковременные толчки нагрузки воспринимаются в основном батареей.
На рис. 2 представлена схема аккумуляторной установки подстанции напряжением 500 кВ. На подстанции установлены две аккумуляторные батареи и три подзарядно-зарядных агрегата, один из которых резервный. Аккумуляторные батареи собраны из кислотных свинцовых аккумуляторов типа СК, в качестве зарядно-подзарядных агрегатов использованы полупроводниковые выпрямительные устройства ВАЗП-380/260-40/80. Щит постоянного тока собран из комплектных панелей постоянного тока серии ПСН-1200-71.
Рис. 2. Принципиальная схема аккумуляторной установки без дополнительных элементов: АБ1, АБ2 — аккумуляторные батареи, ВУ1, ВУ2, ВУЗ — выпрямительные устройства, УМС — устройство мигающего света, УКН — устройство контроля уровня напряжения, УКИ — устройство контроля изоляции, ШУ — шинки управления, ШС — шинки сигнализации, ( + ) —шинка мигания, I, II, III, IV — номера секций, ШП — шины питания электромагнитов включения выключателей
Шины щита разделены на две основные (I и II) и две вспомогательные (III и IV) секции. Электроприемники питаются от I или II секции, вспомогательные секции служат для взаимного резервирования источников питания: аккумуляторных батарей и выпрямительных зарядно-подзарядных агрегатов.
Подключение электроприемников и источников питания осуществляется с помощью автоматических выключателей серий А3700 и АК-63. Эти выключатели выполняют функции коммутационных аппаратов и защищают присоединения ЩПТ от КЗ. Щит оборудован устройствами мигающего света УМС, контроля изоляции УКИ и уровня напряжения УКН.
В установках, где для включения мощных электромагнитов масляных выключателей требуется повышенное напряжение, устанавливают дополнительные элементы. Батареи с дополнительными элементами состоят из 120, 128, 140 элементов вместо 108. В таких случаях схема несколько изменяется.
Чтобы предотвратить сульфатацию пластин дополнительных элементов, между отрицательным полюсом и ответвлениями от 108-го элемента включается регулируемый резистор, с помощью которого создается ток разряда, равный току разряда основных элементов. Таким образом обеспечиваются одинаковые условия работы основных и дополнительных элементов и исключается возможность глубоких зарядов и разрядов, что предотвращает сульфатацию и увеличивает срок службы аккумуляторов. В режиме постоянного подзаряда батарея всегда находится в заряженном состоянии и готова к питанию потребителей постоянным током.
В нормальном режиме напряжение на каждом включенном элементе батареи должно быть 2,2 В с допустимым колебанием ±2 %. В тех случаях, когда для питания вторичных устройств необходим постоянный ток различного напряжения, используют переносные аккумуляторные батареи и ответвления от промежуточных элементов батареи.
Например, для большинства устройств релейной защиты необходимо напряжение 220 В, для устройств телемеханики 24, 48 или 60 В, а для питания мощных электромагнитных приводов масляных выключателей — напряжение до 250 В и выше, чтобы при больших токах включения компенсировать падение напряжения в кабеле от батареи до РУ, где установлены выключатели.
В некоторых установках аккумуляторные батареи эксплуатируют в режиме заряда—разряда. В этом случае напряжение на зажимах аккумуляторов не остается постоянным, а изменяется в сравнительно широких пределах (для свинцовых батарей при разряде напряжение меняетсz от 2 до 1,8—1,75 В, а при заряде от 2,1 до 2,6—2,7 В).
Для поддержания стабильного уровня напряжения батареи во всех режимах на сборных шинах щита постоянного тока ЩПТ в схемах батарей, работающих по методу заряд—разряд, предусматривается элементный коммутатор, служащий для изменения числа аккумуляторов, подключенных к сборным шинам установки или к зарядному агрегату.
Работа аккумуляторных установок в режиме заряд — покой — разряд здесь не рассматривается, поскольку этот режим на подстанциях не применяется.
Аккумуляторные батареи напряжением 24, 36 или 48 В обычно составляют из нескольких переносных батарей, которые соединяют последовательно. В большинстве случаев устанавливают два комплекта таких батарей, из которых один является резервным.