110kV東莊變電站直流系統(tǒng)選擇計(jì)算

劉 寧，李 博

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001）

0 引言

現(xiàn)今，電廠和變電站中的電力操作電源都采用的直流電源，它為直流負(fù)荷提供電源，是如今電力系統(tǒng)控制、保護(hù)的基礎(chǔ)。直流負(fù)荷在110 kV及以下變電所中又可分為經(jīng)常性負(fù)荷、事故（應(yīng)急）負(fù)荷及沖擊負(fù)荷三大類。

經(jīng)常性負(fù)荷主要包括經(jīng)常帶電的繼電器、信號(hào)燈、位置指示器及直流常明燈或其他常接入直流系統(tǒng)中的用電設(shè)備。事故（應(yīng)急）負(fù)荷是變電所失去交流電源全所停電時(shí)，必須由直流電源供電的負(fù)荷，主要為應(yīng)急照明負(fù)荷等。

由此可見(jiàn)，直流電源其工作的可靠性是十分重要的。要保證直流電源可靠安全、不間斷地供電，直流電源中蓄電池的正確選擇、系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。這其中，蓄電池的容量選擇是極為重要的，蓄電池容量既要滿足系統(tǒng)需求，也不能過(guò)于太大，造成浪費(fèi)。不過(guò)在當(dāng)前，電力工程的建設(shè)中，為了縮短工程建設(shè)周期，設(shè)計(jì)單位在變電站直流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中一般都直接套用典型設(shè)計(jì)或根據(jù)以往工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)選擇。然后典型設(shè)計(jì)中的直流系統(tǒng)，一般采用固定的接線模式、充電模式和容量。這樣的配置方法，大大縮減的了設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)時(shí)間，廠家也可以流水線生產(chǎn)。

然而，不同規(guī)模的變電站的設(shè)備數(shù)量，裝機(jī)容量各不相同，當(dāng)變電站的規(guī)模超出典型設(shè)計(jì)的容量，典型設(shè)計(jì)中的直流系統(tǒng)的套用，有可能導(dǎo)致故障過(guò)程中的容量不足，直流電壓降低，一些設(shè)備將不能正常運(yùn)行，當(dāng)變電站的規(guī)模較小時(shí)，直流系統(tǒng)配置容量過(guò)高，造成了不必要的資源浪費(fèi)。

因此，在設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)工程實(shí)際情況對(duì)直流負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)及相應(yīng)計(jì)算，選出經(jīng)濟(jì)合理的蓄電池容量。本文將以東莊變電站的設(shè)備情況進(jìn)行負(fù)荷統(tǒng)計(jì)計(jì)算分析。

1 工程簡(jiǎn)介

東莊變電站為一座永臨結(jié)合的變電站，施工期作為施工電源給各個(gè)施工點(diǎn)供電，工程建設(shè)完畢作為樞紐區(qū)的供電電源點(diǎn)。變電站裝設(shè)2臺(tái)25 MVA雙繞組110/10 kV變壓器，110 kV進(jìn)線2回，110 kV母線單母線分段接線；10 kV母線也為單母分段接線，26回出線，2組無(wú)功補(bǔ)償裝置，2臺(tái)站用變。110 kV設(shè)備采用GIS戶內(nèi)設(shè)備，10 kV設(shè)備采用KYN28-12型中置手車柜，柜內(nèi)配置固封真空斷路器，所有真空斷路器均配彈簧操作機(jī)構(gòu)。變電站采用微機(jī)自動(dòng)化監(jiān)控、保護(hù)系統(tǒng)等，另外還有低頻低壓減載裝置、公用測(cè)控裝置等一些裝置。

2 統(tǒng)計(jì)直流負(fù)荷

蓄電池容量的統(tǒng)計(jì)按照變電站最終建成的規(guī)模計(jì)算。本變電站為無(wú)人值班少人值守，根據(jù)《DLT 5044-2014電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中第4.2.2條，本變電站的全站交流電源事故停電時(shí)間宜按2 h計(jì)算。本站設(shè)置有通信電源的，不考慮通信負(fù)荷。

根據(jù)《輸電線路保護(hù)裝置通用技術(shù)條件》（GBT 15145-2017），第3.3功率損耗中，直流電源回路，當(dāng)裝置正常工作時(shí)，功耗不大于50 W，當(dāng)動(dòng)作時(shí)，功耗不大于80 W。查閱各廠家保護(hù)、測(cè)控裝置等直流功耗大小不一，但都符合滿足上述規(guī)范要求。本工程110kV線路光纖差動(dòng)保護(hù)裝置采用北京四方的產(chǎn)品，其余保護(hù)裝置采用南瑞繼保的產(chǎn)品。

為統(tǒng)計(jì)簡(jiǎn)單方便計(jì)算，將110 kV變壓器、線路的保護(hù)測(cè)控裝置正常工作時(shí)直流負(fù)荷按50 W計(jì)算；10 kV各測(cè)控保護(hù)裝置正常工作時(shí)直流負(fù)荷按30 W考慮；其余自動(dòng)安全裝置按正常工作時(shí)30 W計(jì)算，各統(tǒng)計(jì)如下：

（1）保護(hù)裝置：110 kV線路保護(hù)2個(gè)，110 kV母聯(lián)保護(hù)測(cè)控裝置1個(gè)；110 kV母線PT并列裝置1個(gè)；110 kV主變保護(hù)8個(gè)，10 kV線路保護(hù)26個(gè)，10 kV母聯(lián)保護(hù)1個(gè)，10 kV電容器進(jìn)線保護(hù)2個(gè)，10 kV母線PT并列裝置1個(gè)。

（2）測(cè)控裝置：110 kV線路測(cè)控裝置2個(gè)；110 kV主變測(cè)控裝置2個(gè)；10 kV采用保護(hù)測(cè)控一體化裝置，不再重復(fù)考慮。

（3）操作機(jī)構(gòu)箱：110 kV進(jìn)線箱2面，主變每臺(tái)2面。

（4）公用裝置：公用測(cè)控屏2面，故障錄波屏1面，低周低壓減載屏1面，調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)接入屏1面，計(jì)量1面。

（5）斷路器跳合閘按550W計(jì)算。

經(jīng)常負(fù)荷統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 經(jīng)常負(fù)荷統(tǒng)計(jì) 單位：W

根據(jù)直流設(shè)計(jì)規(guī)范，控制負(fù)荷和動(dòng)力負(fù)荷合并供電的直流電源系統(tǒng)電壓可采用220 V或110 V。本文將對(duì)220 V電壓進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，110 V電壓給出結(jié)果進(jìn)行比較。直流負(fù)荷統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 110 kV變電站（GIS）220 V直流負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表

事故停電時(shí)間內(nèi)，恢復(fù)供電的高壓斷路器合閘是指事故處理完畢，為恢復(fù)供電進(jìn)行的操作，一般只考慮一臺(tái)，故負(fù)荷系數(shù)取1.0。而且應(yīng)按斷路器合閘電流最大的一臺(tái)統(tǒng)計(jì)。

3 蓄電池參數(shù)選擇

直流系統(tǒng)的蓄電池按接線方式，可以分為無(wú)端電池和有端電池兩種，這兩種接線所要求的蓄電池放電電壓和蓄電池的電池個(gè)數(shù)均不相同。端電池的設(shè)置取決于蓄電池的類型，鉛酸蓄電池一般不設(shè)端電池，而對(duì)鎘鎳堿性蓄電池組，一般設(shè)置端電池并附設(shè)降壓裝置。

但鎳堿性蓄電池為堿性蓄電池，有以下缺點(diǎn)：

（1）電壓為1.2 V，構(gòu)成直流系統(tǒng)時(shí)需要電池?cái)?shù)量較多，維護(hù)相對(duì)復(fù)雜；

（2）由于直流系統(tǒng)所需要電池?cái)?shù)量較多。放電特性陡、終止電壓低，為了合理解決正常運(yùn)行和事故放電運(yùn)行的電壓偏差，保證直流母線在規(guī)定允許范圍之內(nèi)，必須裝設(shè)端電池或降壓裝置，因而造成系統(tǒng)接線復(fù)雜，安裝維護(hù)和調(diào)試麻煩。

所以，堿性蓄電池已很少使用。目前，直流系統(tǒng)大量采用鉛酸蓄電池，它具有可靠性高、容量大和能承受一定沖擊負(fù)荷的特點(diǎn)，故現(xiàn)在變電站被廣泛采用。鉛酸蓄電池分為防酸式和閥控式兩類。

防酸式使用歷史較長(zhǎng)，這種電池運(yùn)行中可以加液，壽命較長(zhǎng)，價(jià)格較低，但體積大，運(yùn)行中產(chǎn)生氫氣，產(chǎn)生酸霧，對(duì)環(huán)境、運(yùn)維人員的身體健康都有影響，且污染較大。而閥控式密封鉛酸電池具有放電性能好、技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)、安裝方便、安全可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單和占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。

本文采用無(wú)端閥控式密封鉛酸電池，單體蓄電池的浮充電電壓為2.23 V。

3.1 蓄電池個(gè)數(shù)

根據(jù)《電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（DLT 5044-2014）附錄C1.1計(jì)算出蓄電池個(gè)數(shù)如下：

當(dāng)浮充電壓為2.23 V時(shí)，電池個(gè)數(shù)可取103或104。當(dāng)取低值時(shí)，在正常浮充電運(yùn)行情況下，直流母線電壓較低，不會(huì)超過(guò)230 V，對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行有好處，當(dāng)取高值時(shí)，能更好的滿足遠(yuǎn)端負(fù)荷的要求，現(xiàn)行規(guī)范推薦使用104個(gè)。

3.2 單體蓄電池均衡充電電壓

根據(jù)附錄C1.2，單體蓄電池均衡充電電壓值符合第3小條，為控制負(fù)荷與動(dòng)力負(fù)荷合并供電，單體蓄電池均衡充電電壓值不大于：

3.3 事故放電電壓

根據(jù)附錄C1.3，應(yīng)根據(jù)蓄電池個(gè)數(shù)及直流母線電壓允許的最低值去選擇單體蓄電池事故放電末期終止電壓。

4 蓄電池容量計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)有的規(guī)范及設(shè)計(jì)手冊(cè)，蓄電池容量計(jì)算方式為：階梯負(fù)荷計(jì)算法和簡(jiǎn)易計(jì)算法兩種。階梯負(fù)荷計(jì)算法也稱電流換算法，按事故狀態(tài)下直流負(fù)荷電流和放電時(shí)間來(lái)計(jì)算容量。簡(jiǎn)易計(jì)算法又稱電壓控制法、容量換算法?，F(xiàn)對(duì)兩種方法分別進(jìn)行計(jì)算。

4.1 階梯負(fù)荷計(jì)算法（電流換算法）

第一階段計(jì)算容量：

第二階段計(jì)算容量：

第三階段計(jì)算容量：

第四階段計(jì)算容量：

隨機(jī)負(fù)荷容量：

蓄電池容量為：115.85+5.64=121.49Ah

選擇蓄電池的標(biāo)稱容量為C10=150Ah

4.2 簡(jiǎn)易計(jì)算法（電壓控制法）

4.2.1 蓄電池容量選擇計(jì)算

持續(xù)放電容量應(yīng)滿足事故全停電狀態(tài)：

Cc為蓄電池10 h放電率計(jì)算容量，選擇蓄電池的標(biāo)稱容量為C10=150Ah。

Kcc查表B.8得0.688。

4.2.2 電壓水平計(jì)算

a)事故放電初期（1 min）承受沖擊放電電流時(shí)，蓄電池所能保持的電壓水平為：

根據(jù)Kcho值，由沖擊曲線中的“0”曲線，查表B.3得出單體電池電壓值Ud=1.94 V，則：

UD=nUd=104×1.94=201.76 V,則為標(biāo)稱電壓的91.7%。

b)任意事故放電階段末期，承受沖擊放電電流時(shí)，蓄電池所能保持的電壓在所選蓄電池相應(yīng)的沖擊曲線中，根據(jù)Km.x值找出相應(yīng)的曲線，對(duì)應(yīng)的Kchm.x值，查出單體電池電壓值Ud（當(dāng)事故放電階段為0.5 h或2 h時(shí)，可將上述計(jì)算值分別乘以0.85或1.25后，仍從后面的1 h沖擊放電曲線查出單體電池電壓Ud）。

（任意事故放電階段的10 h放電率電流倍數(shù)）

（Xh事故放電末期沖擊系數(shù)）

查表得出單體電池電壓值Ud=1.88，則：

UD=nUd=104×1.88=195.52 V,則為標(biāo)稱電壓的88.9%。

4.3 蓄電池容量計(jì)算

蓄電池容量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 蓄電池容量計(jì)算表 單位：Ah

5 結(jié)語(yǔ)

由計(jì)算結(jié)果可知，兩種算法的計(jì)算結(jié)果有一定的差距，其計(jì)算容量差額不大于一級(jí)，簡(jiǎn)易計(jì)算法計(jì)算結(jié)果小于階梯負(fù)荷法，這主要是由于放電負(fù)荷變化較大或有大的沖擊負(fù)荷。當(dāng)蓄電池放電過(guò)程中負(fù)荷較為平衡，沒(méi)有大的沖擊負(fù)荷時(shí)，兩種算法的計(jì)算結(jié)果大致一致。并且從上面的蓄電池容量計(jì)算表可以對(duì)比得出，同樣的直流負(fù)荷，110 V蓄電池比220 V約增加1倍。在現(xiàn)在的電氣設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員一般都套用典設(shè)或者以往的經(jīng)驗(yàn)，大多設(shè)計(jì)采用220 V電壓的直流系統(tǒng)，這樣的好處是電纜截面積可以選擇相對(duì)小的，節(jié)約投資方便了施工。但也存在如：絕緣電阻要求水平高；蓄電池個(gè)數(shù)多、占地面積大；系統(tǒng)中大量采用中間繼電器由于其線圈導(dǎo)線線徑小，易發(fā)生斷線事故等問(wèn)題。110 V系統(tǒng)則相對(duì)好些，但是當(dāng)控制信號(hào)等直流負(fù)荷供電距離較長(zhǎng)或負(fù)荷較大時(shí)，其電纜截面積又增大很多。所以對(duì)直流系統(tǒng)而言，應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，以確定合理的電壓等級(jí)。