专利名称：分组恒流、恒压充电方式，稳压型的镉镍电池分、合闸整流装置的制作方法
分组恒流、恒压充电方式、稳压型的镉镍电池分、合闸整流装置本发明系适用于小型发电厂、变电站、工厂配电所作为高压断路器直流电磁操作机构的分、合闸电源及继电保护、信号回路的直流电源。是小型发电、变电、配电系统不可缺少的重要电气设备，其性能与可靠性，在很大程度上决定了发电、配电系统的工作质量。以往的镉镍电池分、合闸整流装置(如GKA41、GKA42以及BZGN-1等)均采用镉镍电池整组充电方式，很难适应实际上不可避免的各分组电池性能的差异，因而造成有的分组过充电，有的分组又充电不足，从而造成镉镍电池性能的提前劣化。其所采用的充电方式则采用人工手动切换的充电(电流充电方式)与浮充电(电压充电方式)，不仅难以保证及时进行切换，而且由于其电流、电压充电方式也不是恒流与恒压，不能满足镉镍电池对充电提出的要求。其母线供电方式为整流电源、镉镍电池并联供电，当电网电压较高时整流电源对母线供电，同时对镉镍电池进行浮充电;当电网电压较低时，镉镍电池组便参与供电，从而造成电网故障时镉镍电池供电容量下降。因此不得不采用较大的镉镍电池容量储备。其实，此时电网仍属正常状态，不需要镉镍电池组参与工作。其对于电网电压波动所采取的办法，或利用接触器调节变压器抽头电压，或利用调节串联二极管组的个数来改变压降。这两种办法均采用手动方式，不仅调节不便，且功耗较大，难以满足直流供电要求。其闪光信号电源系用继电器控制线路构成，可靠性较差、寿命低，且有较大的电器动作噪声。其所采用的母线对地绝缘电阻监测电路系桥式电路，检测元件系继电器。由于原理上不足，它不能检测正、负母线绝缘同步劣化，而且不能给出具体的绝缘电阻值及分级报警信号。整个装置不具有镉镍电池性能恢复与监测功能。
本发明的目的是针对目前应用的镉镍电池分、合闸整流装置存在的种种不足，提出一种能够使镉镍电池得以合理运用并采用符合镉镍电池特性的充电方式，具有较优异性能的分组恒流、恒压充电方式、稳压型的镉镍电池分、合闸整流装置(以下简称分组IE充电方式、稳压型的镉镍电池分、合闸整流装置)。
根据本发明所实现的镉镍电池分、合闸整流装置，其特点在于，它将整流电源与镉镍电池充电两个部分分开。整流电源作为电网处于正常状态下的供电电源。它经过一个降压电阻直接联接到合闸母线，供断路器合闸用;它经过稳压后联接到控制母线，供断路器分闸以及继电保护、信号电路用。镉镍电池的充电系以10小时率电流进行恒流充电，当单节电池电压达1.4V时，自动转入对应于每节电压为1.4V的恒压浮充电。考虑到各分组电池的性能差异，上述充电系分组进行的。电网故障时，由电平制约关系，经自动切换单元将已充电完毕的镉镍电池联接到合闸母线以及经稳压后联接到控制母线上，由镉镍电池供电。一但电网恢复正常，便立即恢复到整流电源系统供电。其中自动切换单元系一个二极管网络，当电网正常时，整流电源输入端电位总是高于镉镍电池输入端的电位，由于二极管的封锁作用，保证了由整流电源供电，而镉镍电池处于充电及热备用状态。电网故障时，整流电源输入端电位低于镉镍电池输入端电位，镉镍电池组便经合闸母线输出端与合闸母线联接，同时又经稳压后与控制母线联接。当镉镍电池组电压低于稳压值，则直馈继电器返回将稳压单元旁路，则不经稳压而直接向控制母线供电。二极管网络的电位关系保证了电网恢复正常后迅速不间断地切换成整流电源供电。所采用的开关式稳压器保证了当整流电源或镉镍电池电压较高时，以较高的效率向控制母线提供稳定的电压。作为镉镍电池分、合闸整流装置的组成部分之一的闪光信号电源，采用了全电子型，不仅可靠性高、寿命长，而且可以方便地调节闪光频率。母线对地绝缘监测，通过阻抗变换电路检出三个电压信号，经A/D变换送入微处理器用阻抗变换数学模型计算出正、负母线的对地绝缘电阻，加以显示。同时根据标准规定，分等级发出报警信号以及必要的保护。为了保证镉镍电池分、合闸整流装置中镉镍电池在电网故障情况下能够可靠工作，防止因长期浮充电造成镉镍电池放电容量下降，性能变差以及寿命减少等弊病，本发明增加了用于对处于检修期或备用状态的装置中的镉镍电池进行非在线的性能恢复与监测。该单元采用微处理器系统，按照标准的充、放电模式对镉镍电池进行性能恢复，同时在放电周期内监测各分组电池性能，检出放电容量、内阻等指标低于规定标准的镉镍电池分组，以便及早更换，防止镉镍电池在电网故障期不能正常工作而产生事故。在最后一个充电周期，对镉镍电池进行IEI方式充电，10%额定电流的均衡充电可使活性物质充分转化。
图1是本发明主电路原理接线及控制单元原理方框图。
图2是分组IE充电方式充电单元的原理性方框图。
图3是实现图2分组IE方式充电单元的一种方案的电气原理图。
图4是分组IE方式充电单元的输出伏安特性及一个分组镉镍电池的充电过程中电流及电压随时间变化的示意图。
图5是自动切换单元的电气原理图。
图6是开关型稳压单元的原理性方框图。
图7是图6所示的开关型稳压单元中的PWM控制部份的一种方案的电气原理图。
图8是图6及图7稳压单元与PWM控制部份有关波形示意图。
图9是闪光信号源单元的一种实现方案的电气原理图。
图10是绝缘监测单元的原理性方框图。
图11是镉镍电池性能恢复与监测单元的原理性方框图。
图1所示的本发明的主电路接线及控制单元原理性方框图中，三相变压器T经低压断路器Q1联接于电网，其次级经熔断器F与整流二极管D1～D6组成三相全桥式整流电路。其输出经降压电阻R1，电流表A馈接于合闸母线+WS，提供电网正常情况下的合闸电源。充电用变压器TC经低压断路器Q2联接于电网的某相，其次级共18个绕组，分别与No.1～No.18自动IE方式充电单元相联，每个充电单元又分别联到相串联的18组(每组10个镉镍电池)电池上，进行分组的IE方式充电。整流电源与串联的电池组共负极，其正极分别接到自动切换单元的二个输入端上。自动切换单元共有三个输出端，一个是联接到稳压单元上的，一个是经电流表A馈接于合闸母线+WS，一个则经电压检测单元继电器K的动断触头，再经控制侧电流表A馈接到控制母线+WC。当电网正常时，或故障情况下由镉镍电池组供电，其电压高于稳压输出电压时，控制母线上的电压均由第一个输出端经稳压单元稳压后送出。电网故障后，第二个输出端向合闸母线上送出镉镍电池电压，供故障情况下合闸之用。当由于故障情况下镉镍电池的较大量的放电而使其输出电压低于稳压输出电压规定值时，电压检测单元使继电器K释放，故障情况下的电压直接送到控制母线+WC。闪光信号源单元经低压断路器QF输出。按钮开关SB与信号灯HLF是用来检测闪光信号源是否正常工作的。绝缘监测单元则联接于母线的正负极以及保护接地之间。合闸回路经低压断路器QS1、QS2，…馈出，控制回路(包括分闸回路)经低压断路器QC1、QC2，…馈出。HL1为整个装置总信号灯;HL2为充电部份信号灯，HL3、HL4、……为合闸回路信号灯;HLⅠ、HLⅡ、…为控制回路信号灯。接在变压器T次级的△接的R、C网络为吸收网络。
图2所示分组IE方式充电的原理性框图中，控制变压器的次级联接到直流电源上，该直流电源有二部分组成，一部份为镉镍电池充电用，一部分系向放大、IE切换电路提供稳压负电源。该充电电源的电位随所联接的电池组而变化。R1为电流取样电阻。由R7、R8、R9、及C6组成电压取样电路。当电池电压较低，充电电流较大时，电流取样电压驱动放大、IE切换电路，使调整电路工作于恒流状态，使充电单元输出电流稳定在10小时率电流上，误差为±2%。随充电过程电池电压上升至对应每节电池为1.40V(以下用1.40V/C表示)时，电压取样将驱动放大、IE切换电路，使调整电路工作于恒压状态，以1.40/C±1%恒定电压对电池充电。C7为输出滤波电容。C7为防止故障时电池向充电单元放电而设。
图3所示分组IE方式充电单元的一种实现方案的电气原理图中，D1～D4与C1组成充电直流电源，D5、IC1、C2与C3组成向放大、IE切换电路中的IC3提供稳压的负电压的直流电源。由晶体管V与IC2、R2组成扩展型调整电路。放大、IE切换电路由IC3、D6、LED、R3～R6、C4、C5组成。当电池电压低于1.40V/C，电流较大时，输出电流在R1上产生的电压△VI将导致IC3输出电位变低。由于IC3处于开环状态，输出的调整作用将使其输入端电压接近于零，从而使输出电流受IC2ADI端、OUT端之间电压1.25V及R1、R4、R5的制约而维持恒定。当电池充电电流较小时，R4上的压降大于R1上的压降△VI，IC3上输出电压接近于+VOUT，使LED、D6截止，则IC2ADJ端OUT端之间电压受R7及R8、R9分压制约而维持电压恒定。
图4左图为图2及图3所示的分组IE方式充电单元的相对于每节电池的充电电压-电流特性。IN为10小时率充电电流。图4右图为实际充电过程中充电电流、电压随时间变化示意图。只要电压低于1.4V就自动转入10小时率恒流方式充电。
图5所示为由二极管网络组成的自动切换单元电路的电气原理图。其中ING为镉镍电池组输入端，INV为整流电源输入端。本发明中，电网电压在正常波动范围内INV端电位始终高于ING端电位，D3截止，输出端OUT5由于联接到+WS，也处于与整流电源接近的电位，因而D1也截止。整流电源由INV端经D4直接送向输出端OUTC。当电网故障，INV端(以及OUTS端)电位低于ING端，D4截止，镉镍电池组由ING端经D2馈接到合闸母线+WS，经D3送向输出端OUTC。输出端OUTD用于当电池组电压较低时，直接馈送到控制母线+WC之用。
图6所示的稳压单元原理性方框图中，采用了功率MOSFET开关元件。其开关状态由PWM控制电路α端送出的控制信号决定。由R6、R7、R8组成的电压采样电路，将反映输出电压的采样电压送到PWM控制电路中，经其内部比较器产生驱动电压，经R2送到MOSFET的栅极。由电流采样电阻Rsn上所取得的正比于电流的电压送入PWM控制电路中，当输出峰值电流超过允许值时，则将输出峰值电流限制在规定值上。图中C1、C2、R1输入滤波电路。Di为MOSFET内部寄生二极管，R3、C3及R4、C4均为阻容式过电压吸收网络。D为续流二极管。L、C5、C6为储能电感及输出滤波电容。DW、R2，R5组成MOSFET栅极输入保护。
图7所示的开关型稳压单元中PWM控制部份的一种实现方案的电气原理图中，采用TL494集成脉宽调制控制器做为PWM控制单元的脉宽调制信号发生器。电压采样信号由Vsn端径R11送入内部放大器的同相输入端，放大后的信号反馈到内部的PWM比较器，与内部振荡器产生的基准锯齿波相比较，产生脉宽调制驱动脉冲，经内部驱动晶体管的集电极T1C、T2C输出，加到由V1～V4组成的全桥开关电路上，经C7推动脉冲变压器T。其次级绕组及由D5、V6组成的驱动电路的α端送到MOSFET栅极。峰值过流保护采样信号由b、C端送到由V6、V7组成的可控硅型保护电路，当Rsn上的采样信号＞0.6V时，使V7、V6组成的可控硅型电路导通，使MOSFET关断。图中R1、DW1、V8组成的降压稳压电路，给PWM控制电路提供低压直流电源。C1、C2为滤波电容，R9、R10为TL494集电极开路输出的集电极电阻。D1～D4为钳位二极管。C7为隔直电容。DW2用来限制过高的输入采样电压。
图8所示的图6及图7电路中PWM控制部份有关波形示意图中，经输入端Vsn输入到PWM控制电路的信号经放大后生成的反馈到PWM内部比较器的电压，当它低于死区时间控制电压时，该电路产生的输入到变压器上的交流方波脉宽由死区时间控制电压与内部基准振荡器锯齿波的交点所决定(图中前4个半波)。当反馈到PWM比较器上的电压高于死区时间控制电压，则输入到变压器T上的交流方波脉宽便由反馈到PWM比较器上的电压与内部基准振荡器锯齿波所决定(图中后6个半波)。当负载阻抗低于规定值，峰值电流保护电路动作，将MOSFET的峰值电流限制在规定的值之内(MOSFET波形的前二个波)。当负载阻抗为正常范围，MOSFET驱动电压脉宽则与输入到变压器T的脉宽一致。
图9所示的闪光信号源的一种具体实施电路中，由MOSFET作为闪光信号源的开关器件。其驱动电压由IC2及R5、R6、R7等组成的低频方波振荡器，经光电隔离耦合器件PHC送到MOSFET的栅极。由于电位的制约，方波振荡器与MOSFET驱动部份不能共用直流电源，因而采用了由IC1方波振荡器，开关晶体管V2及变压器T的开关型电源，经D1、C4以及D2、C5形成二路相隔离的直流电源。R1、DW1、V1组成的电路形成IC1的低压直流稳压电源。D3、D4为续流二极管。R7、C6及R11、C10为吸收网络。D为MOSFET内部寄生二极管。DW2、R10组成MOSFET;输入限幅保护。R9、C9用于使PHC的三极管部份基极有固定电位，提高抗干扰能力。
图10所示的绝缘监测单元中，由二个相同的电阻r二个电阻△r1、△r2串联后经母线选择极化继电器KP1的触点联接到正负母线之间。阻抗变换则由另一个极化继电器KP2的触点实现当该触点与极性星标端(图中“·”标记所示)相联时，正母线绝缘电阻与r并联，负母线绝电阻与(4+△r1+△r2)并联后相串联;当该触点与极性非星标端相联时，则正母线绝缘电阻与(r+△r1+△r2)并联、负母线的绝缘电阻与r并联后相串联。当三位置极化继电器KP2处于不接通状态时，则可进行母线电压测量，以排除母线电压影响检测结果的因素。母线选择极化继电器则选择所测试的母线(WC或WS)。
当KP2不接通时，输入到A/D变换的电压为UIn.O=n· (αr)/(2+αr) UW’其中n= (△r2)/(△r1+△r2) ；αr= (△r1+△r2)/(r) ;
UW-母线电压。
当KP2与极性星标端接触时，输入到A/D变换的电压为Uin.1=nUw (αrβ2(1+β1))/(β1(1+αr+β2)+β2(1+αr)(1+β1))其中β1= (Rw+)/(r)β2= (Rw-)/(r)RW+，RW--分别为正负母线对地绝缘电阻。
当KP2与非极性星标端接触时，输入到A/D变换的电压为Uin.2=n·Uw (αrβ1(1+β2))/(β2(1+αr+β1)+β1(1+αr)(1+β2))按照所测得的上述三个电压，便可以计算出正、负母线对地绝缘电阻Rw+=- ((u1+u2)(1+αr)-αr)/(u1+u2+αr(u2-1)) rRw-=- ((u1+u2)(1+αr)-αr)/(u1+u2+αr(u1-1)) r其中u1= 1/(n) · (UiN.1)/(Uw)
u2= 1/(n) · (Uin .2)/(Uw)Uw= 1/(n) · (2+αr)/(αr) Uin,O分压电阻△r2的选择应保证Uin的最大值不超过A/D变换器的输入动态范围。
整个测量过程均在8031微处理器系统控制下进行。检测周期开始，发出指令经驱动器使KP1极化继电器的触点接通极性星标端，对控制母线WC进行绝缘监测。依次测量Uin，0、Uin，1、Uin，2，经A/D变换送入微处理器系统，微处理器则按照本发明所提出的物理及数学模型进行计算，得到RWC+，RW-。之后，发出转换指令使KP1的触点接通非极性星标端，同上进行合闸母线的测试，算出RWS+。LED显示具有扫描显示(依次按一定显示周期显示RWC+，RW-，RWS+)及选择性显示(用功能键选择欲观测的绝缘电阻)两种功能。根据用户或有关规定，可以设定不同绝缘水平的劣化报警及保护，各值均由软件设定，经输出接口驱动报警与保护电路。由于电位差异，绝缘监测单元中微处理器系统及其外围电路采用了类似于图9的隔离直流电源，经稳压后供给各相关器件。
图11所示的镉镍电池性能恢复及监测单元，是一个在I、E型分、合闸装置检修期间或对备用的分、合闸装置进行非在线的镉镍电池性能恢复与监测。该单元分为主电路与监控电路。主电路包括继电器触点K、2000W负载电阻RL。功率MOSFET开关及采样电阻Rsensc，联接于分、合闸装置的专用接线端X1、X2。各分组电池组的电压则由插座、插头X送入监测单元。监测单元由单独的交流电源供电，生成二组相互隔离的直流稳压电源，一组供PWM恒流控制、D/A变换，一组供给微处理器系统的及处围电路。整个恢复、监测过程由8031微处理器系统控制。按照镉镍电池规定的工艺，将整个性能恢复与监测过程用软件设定。过程开始后，首先合上继电器K，然后进行规定恒流放电，放电电流由微处理器经输出接口，PHC隔离，将设定的电流值经D/A变换送入PWM恒流控制进行恒流控制。放电过程中，由微处理器控制于簧继电器K0～K18及K10～K118依次接通一个分组的电池，经A/D变换送入微处器，检测放电过程各分组电池电压的变化，计算放电容量(Ah数)。规定充放电工艺可以恢复电池性能，对各电池组放电容量监测可及时发现性能变差或寿命终了的电池分组，以便及时更换，防止在分、合闸装置应用过程中产生事故。控制过程可以通过固化的程序以及键盘来设定。LED显示可以显示各电池分组的电压及容量，同时对不合格分组发送报警信号。备有输出打印接口，可供打印机打印各电池分组的各种特性及参数。最后一次充电按IEI方式进行，第二恒流为10%的10小时率电流，电压为1.75V/C，这个均衡充电过程，可使活性物质充分转化，进一步改善电池的工作性能。均衡充电应每三个月左右进行一次。均衡充电的电流，电压设定值通过改变IE充电单元中R1及R9实现(通过专用的开关)。
本发明所提出的各单元的优异性能的总体配合，保证了电池性能的充分发挥与合理应用，从而可不必采用较大的安全系数，因此是有优良性能、价格比的分、合闸装置。
权利要求
1.一种分组恒流、恒压充电方式、稳压型的镉镍电池分、合闸整流装置(以下简称IE型分、合闸装置)，其中包括--三相全桥型整流单元，用来产生直流电压，在电网正常情况下向IE型分、合闸装置提供直流电源；--自动IE方式充电单元，共18组，用来对镉镍电池组进行分组的自动IE(恒流--恒压)方式充电；--整流电源与镉镍电池之间的自动切换单元，用来实现电网正常情况下整流电源供电与电网故障情况下镉镍电池供电之间的自动、不间断切换；--稳压单元，用来使整流或镉镍电池过高的电压经稳压后向控制母线输出；--闪光信号源单元，用来向负载提供所需的一定周期的电子型闪光信号电源；--绝缘监测单元，用来监测直流母线的对地绝缘情况，分别显示正、负母线对地绝缘电阻，提供绝缘劣化的分级报警信号以及必需的保护；--镉镍电池性能恢复及监测单元，用来进行非在线情况下的、采用标准充、放电模式对镉镍电池的性能恢复，并监测各分组的电池性能，以便发现并更换寿命终了或性能差的镉镍电池。其特点在于，它包括上述整流单元，作为电网正常情况下的合闸母线电源以及控制母线系统稳压单元的输入电源它包括自动IE方式镉镍电池充电单元，采用分组方式对镉镍电池进行最优参数的IE方式充电；它包括自动切换单元，保证自动不间断地实现电网正常与故障情况下整流电源供电与镉镍电池供电之间的切换；它包括稳压单元，以保证控制母线电压不致过高，且当镉镍电池组供电电压较低时自动转为直接供电；它包括电子型的闪光信号电源；它包括一个采用阻抗变换算法的带微处理器系统的绝缘监测单元，实现了真正的母线对地绝缘监测与保护；它包括非在线的镉镍电池性能恢复与监测单元，当IE型分、合闸装置处于检修或备用状态时，采用标准的充电、放电模式恢复镉镍电池性能，同时对其放电情况进行监测，以便及时发现并更换性能变坏或寿命终了的镉镍电池分组。
2.权利要求1所述的IE型分、合闸装置，其特点在于采用镉镍电池分组充电方式，以适应各分组电池之间的性能的差异;
3.权利要求1所述的IE型分、合闸装置，其特点在于，它采用了独立的分组式的自动IE充电方式，使镉镍电池分组处于最佳充电状态，保证电池性能的发挥。
4.权利要求1所述的IE型分、合闸装置，其特点在于，当电网正常完全由电网经整流(合闸母线)或再经稳压(分闸与控制母线)供电，镉镍电池处于充电与热备用状态;只有当电网故障时，由自动切换单元无间断地切换到镉镍电池组供电;故障一但消除，立刻又恢复成电网供电状态。
5.权利要求1或4的所述的IE型分，合闸装置，其特点在于，电网经整流或镉镍电池组的电压经过开关型稳压单元之后才联接于控制母线，以保证控制母线所联负载承受电压不致过高;当镉镍电池组供电且电压较低时，则换接成直接供电。
6.权利要求1所述的IE型分、合闸装置，其特点在于，电子型的闪光信号电源有较高的可靠性与寿命。
7.权利要求1所述的IE型分、合闸装置，其特点在于，采用阻抗变换算法及微处理器系统实现对母线的对地绝缘监测、测量、计算并显示正负母线对地的绝缘电阻，同时按照用户使用要求设定的绝缘劣化等级提供分级报警信号和保护输出。
8.权利要求1所述的IE型分、合闸装置，其特点在于，由微处理器系统构成的镉镍电池性能恢复监测单元，可以在IE型分、合闸装置检修期间或对备用的IE型分，合闸装置，按照镉镍电池规定的标准充、放电模式进行充电-放电的多周期循环，旨在恢复其性能。在放电阶段监测各分组电池的放电容量，检出性能变坏或寿命终了的镉镍电池分组，以便及时更换，消灭事故隐患。
全文摘要
一种分组恒流、恒压充电方式、稳压型的镉镍电池分、合闸整流装置，实现只有在电网故障情况下才由镉镍电池供电，分组恒流、恒压充电方式，可以保证性能十分接近的分组内各电池处于最合理的充电状态，而对性能不同的各分组电池则分别充电。控制母线采用稳压输出，提高了联接到控制母线上的负载的工作可靠性。电子型闪光信号源保证了高可靠性；本发明提出的微处理器绝缘监测以及镉镍电池性能恢复与监测使分、合闸装置的性能与可靠性提高。
文档编号H02J7/00GK1055262SQ9110173
公开日1991年10月9日 申请日期1991年3月26日 优先权日1991年3月26日
发明者刘舟军, 刘德滨, 刘莉萍, 田修波 申请人:刘德滨