變配電所直流配電屏容量選擇探討

廖 昕

(深圳市建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司，深圳 518031)

0 引言

變配電所設(shè)置的直流操作電源為變配電所的控制、信號(hào)、保護(hù)和自動(dòng)裝置等二次回路設(shè)備提供工作電源。正常情況下，應(yīng)滿足斷路器分、合閘操作及相關(guān)設(shè)備保護(hù)、控制和信號(hào)設(shè)備的供電要求；事故情況下，當(dāng)電網(wǎng)電壓降低甚至消失時(shí)，應(yīng)能提供繼電保護(hù)跳閘、信號(hào)和事故照明的電源，避免事故擴(kuò)大。因此，直流操作電源容量的選擇，關(guān)系到整個(gè)變配電所的安全可靠運(yùn)行。

蓄電池是直流配電屏中最為關(guān)鍵的設(shè)備，其在正常使用過程中會(huì)不斷地進(jìn)行充放電，其容量會(huì)隨著充放電的次數(shù)成比例衰減，由于不同類別的蓄電池使用壽命、允許放充電次數(shù)和衰減曲線不盡相同，當(dāng)選擇不同類別的蓄電池時(shí)，會(huì)導(dǎo)致直流配電屏容量的差異。

本文擬從蓄電池的放電時(shí)率、終止電壓、倍率等基本概念分析開始，展開對(duì)變配電所直流配電屏容量選擇的探討，并結(jié)合實(shí)際工程案例計(jì)算閥控式密封鉛酸蓄電池直流配電屏的容量。

1 蓄電池的容量

蓄電池容量用大寫字母C表示(A·h)，是放電電流(A)和放電時(shí)間(h)的乘積。根據(jù)蓄電池的容量定義可知，同一蓄電池在不同放電電流的情況下，計(jì)算所得容量是不一致的，為了便于對(duì)不同蓄電池的容量進(jìn)行定義、測(cè)量和對(duì)比，需要設(shè)定一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。因此通常將蓄電池的額定容量定義為：用設(shè)定的放電電流將蓄電池放電到設(shè)定電壓，所持續(xù)的時(shí)間和該放電電流的乘積即為蓄電池的容量。

設(shè)定的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)蓄電池構(gòu)造特征和用途的不同，定義了若干放電時(shí)率，常見的有20h、10h、2h、1h時(shí)率，記為C20、C10、C2和C1。大寫字母C后面跟隨的數(shù)字表示該蓄電池用某種數(shù)值的電流放電到設(shè)定電壓時(shí)持續(xù)的小時(shí)數(shù)。當(dāng)知道蓄電池容量和放電小時(shí)數(shù)時(shí)，用容量除以小時(shí)數(shù)即得出額定放電電流。

根據(jù)以上統(tǒng)一的定義，可知容量相同而放電時(shí)率不同的蓄電池，其標(biāo)稱放電電流可能會(huì)存在很大的差異。

假設(shè)一個(gè)蓄電池容量20Ah、放電時(shí)率2h(記作20Ah2)，其額定放電電流為20Ah/2h=10A；另一個(gè)蓄電池容量20Ah、放電時(shí)率20h(記作20Ah20)，其額定放電電流為20Ah/20h=1A，即容量相同的蓄電池如果分別用10A和1A的放電電流放電，在分別持續(xù)2h和20h后，將下降到設(shè)定電壓。

設(shè)定電壓，即蓄電池的終止電壓(V)，可理解為：蓄電池在放電終止時(shí)，電壓下降到不至于造成其損壞的最低限度電壓值。終止電壓并不是一個(gè)固定值，其與放電電流成反比，即同一蓄電池放電電流越大，終止電壓越低，反之則越高。

2 蓄電池倍率

蓄電池在工作時(shí)的電流強(qiáng)度也通常用倍率表示，記作M，表示為額定容量安時(shí)數(shù)的倍數(shù)。

I=M×Cn

式中，I為電流，A；Cn為以約定放電小時(shí)數(shù)n放電時(shí)，電池容量的額定值，用安時(shí)表示，Ah；M為Cn的倍數(shù)或其分?jǐn)?shù)。

例如，當(dāng)某額定容量C10=20Ah的蓄電池采用M=0.5的倍率放電時(shí)，放電電流為0.5×20=10A。類似地，某蓄電池容量C10=54Ah，測(cè)得放電電流為5.4A，則其倍率M為：M=I/Cn=5.4A/54Ah=0.1。圖1所示是某蓄電池在不同倍率的終止電壓和放電時(shí)間的關(guān)系圖，該圖對(duì)于常用的鉛酸蓄電池具有代表性。

圖1 某蓄電池不同倍率下的終止電壓和放電時(shí)間關(guān)系圖

由圖1可知，同一個(gè)蓄電池在不同的放電電流下計(jì)算所得的安時(shí)容量(Ah)并不相同。假如蓄電池容量10Ah，以0.6C倍率即6A放電時(shí)，持續(xù)時(shí)間1h，在該倍率下蓄電池容量為6A×1h=6Ah；以0.05C倍率即0.5A放電時(shí)，持續(xù)時(shí)間20h，在該倍率下蓄電池容量為0.5A×20h=10Ah。雖然前者的終止電壓比后者低，但前者容量卻小于后者。

3 變配電所操作電源

變配電所的控制、信號(hào)、保護(hù)及自動(dòng)裝置等二次回路工作電源，統(tǒng)稱為操作電源，當(dāng)供電給特別重要負(fù)荷或者變壓器總?cè)萘砍^一定數(shù)值的變配電所，通常選用直流操作電源。

對(duì)于民用建筑的變配電系統(tǒng)，直流操作電源系統(tǒng)額定電壓通常采用110V，基本接線方式多采用單母線接線，如圖2所示。

圖2 單母線直流系統(tǒng)接線圖

直流負(fù)荷按負(fù)荷性質(zhì)可分為經(jīng)常性負(fù)荷和事故性負(fù)荷。經(jīng)常性負(fù)荷要求直流電源在各類情況下均能可靠供電，包含信號(hào)裝置、直流照明燈等；事故性負(fù)荷要求直流電源在電源故障時(shí)間內(nèi)可靠供電，包含應(yīng)急照明、通信備用電源、信號(hào)和繼電保護(hù)裝置、沖擊負(fù)荷等。

4 工程案例

某民用建筑采用兩路10kV獨(dú)立電源互為備用的供電方案，正常情況下每路電源各負(fù)擔(dān)一半負(fù)荷，當(dāng)某路電源發(fā)生故障或需要檢修時(shí)，通過母聯(lián)開關(guān)的轉(zhuǎn)換，另一路電源承擔(dān)全部負(fù)荷，高壓配電系統(tǒng)接線如圖3所示。

圖3 某工程高壓配電系統(tǒng)接線圖

4.1 蓄電池容量計(jì)算步驟

(1)計(jì)算全所事故停電時(shí)間內(nèi)的放電容量。(2)計(jì)算事故初期沖擊負(fù)荷電流。(3)計(jì)算持續(xù)放電時(shí)間內(nèi)隨機(jī)負(fù)荷的影響。(4)驗(yàn)算。

4.2 估算指標(biāo)

(1)經(jīng)常性負(fù)荷及指標(biāo)估算：柜內(nèi)保護(hù)、繼電器、儀表、指示燈等，每柜約100W。通訊屏、小型中央信號(hào)裝置等，約為700W。

(2)事故性負(fù)荷及指標(biāo)估算：站內(nèi)事故照明燈——不接入直流屏。10kV開關(guān)柜采用彈簧儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)操作機(jī)構(gòu)，分閘或合閘時(shí)每臺(tái)功率約800W，電機(jī)儲(chǔ)能時(shí)間一般小于1min。

4.3 負(fù)荷計(jì)算

(1)全所事故停電時(shí)間內(nèi)的放電容量

柜內(nèi)保護(hù)、繼電器、儀表、指示燈等負(fù)荷每臺(tái)柜子約為100W，共計(jì)12臺(tái)，則：12×100W=1 200W，通訊屏等裝置約700W，計(jì)算時(shí)取0.8的需要系數(shù)；站內(nèi)事故照明燈不接入直流屏，功率為0W；最大經(jīng)常負(fù)荷：0.6×1 200W+0.8×700W=1 280W。

本工程變配電所屬于有人值班場(chǎng)所，根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第四版·上冊(cè))規(guī)定，其事故持續(xù)時(shí)間按1h計(jì)算，額定電壓110V，選擇電壓為2V的單體蓄電池，確定蓄電池容量為：

Cs≥Kk(Ij+Is)t

(1)

式中，Cs為事故持續(xù)時(shí)間為1h時(shí)蓄電池的容量；Kk為可靠系數(shù)，取1.1；Ij為經(jīng)常負(fù)荷，如繼電器常閉節(jié)點(diǎn)、信號(hào)燈、保護(hù)裝置等經(jīng)常接入直流系統(tǒng)的用電設(shè)備；Is為事故負(fù)荷，主要為事故照明；t為事故持續(xù)時(shí)間，取1h。則Cs≥1.1×1 280×1/100=12.8Ah。

根據(jù)DL/T 5044-2014《電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，密封蓄電池的額定容量為25℃標(biāo)準(zhǔn)溫度下10h放電率的容量,故將計(jì)算所得的事故持續(xù)時(shí)間為1h的蓄電池容量，折算為標(biāo)準(zhǔn)蓄電池的容量，即10h時(shí)率的容量為：

Cs=KrelI1/K1

(2)

式中，Cs為蓄電池10h放電率的計(jì)算容量，Ah；I1為1h放電電流，A；Krel為可靠系數(shù)，取1.4；K1為1小時(shí)負(fù)荷的容量換算系數(shù)，1/h，取值可通過表1查找。

查表1可知，要獲得K1值，必須先確定蓄電池的放電終止電壓。

閥控式密封鉛酸蓄電池(貧液)(單體2V)的容量換算系數(shù)表 表1

根據(jù)DL/T 5044-2014，在蓄電池放電末期，斷路器合閘線圈的最低電壓要求大于或等于額定電壓的85%，故蓄電池放電終止電壓按下式計(jì)算：

Um≥0.875Un/n

(3)

式中，Um為單體蓄電池放電末期終止電壓，V；Un為直流系統(tǒng)額定電壓，V；n為蓄電池組個(gè)數(shù)。

通過查表2，可知系統(tǒng)標(biāo)稱電壓為110V時(shí)，蓄電池的放電終止電壓均為1.85V。

閥控式鉛酸蓄電池組的單體2V電池參數(shù)選擇數(shù)值表 表2

注：(*)為推薦值。

已知蓄電池的放電終止電壓為1.85V，通過表1查找，如果需要將1h蓄電池持續(xù)放電容量折算成標(biāo)準(zhǔn)蓄電池容量，即10h放電率的容量時(shí)，K1=0.54則Cs=KrelI1/K1=1.4×12.8/0.54=33.2Ah。

(2)事故初期沖擊負(fù)荷電流

事故初期的瞬時(shí)沖擊電流，按滿足下列情況之一進(jìn)行計(jì)算。

1)兩路進(jìn)線，全部失壓時(shí)，2路進(jìn)線跳閘。

2)某進(jìn)線失壓，1進(jìn)線跳閘一母聯(lián)備自投。

3)按最多2路斷路器同時(shí)跳閘計(jì)算瞬時(shí)沖擊電流。

已知彈簧儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)操作機(jī)構(gòu)每臺(tái)功率約800W，電機(jī)儲(chǔ)能時(shí)間一般小于1min，則最大沖擊電流Ic=800×2/110≈14.5A。

直流系統(tǒng)瞬時(shí)最大電流為最大沖擊電流和事故持續(xù)電流之和Imax=Icho=Ij+Is+Ic=12.8+14.5=27.3A。

根據(jù)DL/T 5044-2014規(guī)定，將事故放電初期(1min)的沖擊放電電流容量，折算為標(biāo)準(zhǔn)蓄電池的容量，即10h時(shí)率的容量為：

Ccho=KrelIcho/Kcho

(4)

式中，Ccho為初期沖擊蓄電池10h放電率的計(jì)算容量，Ah；Icho為初期沖擊放電電流，A；Krel為可靠系數(shù)，取1.4；Kcho為初期沖擊負(fù)荷的容量換算系數(shù)，1/h。

已知蓄電池的放電終止電壓為1.85V，通過表1查找，如果需要將事故放電初期(1min)的沖擊放電電流容量折算成標(biāo)準(zhǔn)蓄電池容量，即10h放電率的容量，K1=1.24，則Ccho=KkIcho/Kcho=1.4×27.3/1.24=30.8Ah。

通過比較1h蓄電池持續(xù)放電容量和事故放電初期(1min)的沖擊放電容量為Cs=33.2Ah≥Ccho=30.8Ah。

(3)溫度補(bǔ)償

蓄電池的容量會(huì)隨著不同的環(huán)境溫度而發(fā)生變化，因此需要對(duì)蓄電池容量進(jìn)行修正，不同溫度下的容量修正系數(shù)見表3。

不同溫度下的容量修正系數(shù)(基準(zhǔn)溫度25℃) 表3

高低壓配電室工作溫度一般為40℃，則將蓄電池的C10容量修正為：C40=33.2Ah×105%=34.86Ah。

故最終選擇標(biāo)準(zhǔn)蓄電池容量為40Ah的蓄電池可滿足要求。

5 結(jié)束語