高海拔變電站蓄電池及UPS容量選擇及修正

龍 軍, 周婉亞, 唐 俊

(西南電力設(shè)計院有限公司，四川 成都 610021)

0 引 言

阿里與藏中聯(lián)網(wǎng)工程某500 kV變電站位于西藏日喀則地區(qū)，海拔4100 m，多年平均氣溫2 ℃，年最低氣溫的多年平均值為-26.3 ℃。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，變電站直流電源系統(tǒng)設(shè)置了兩組220 V閥控式密封鉛酸蓄電池和3套高頻開關(guān)電源模塊型充電裝置，不間斷電源系統(tǒng)(uninterruptible power supply,UPS)按2套冗余配置。

高海拔地區(qū)溫度與氣壓低，變電站站用蓄電池組及UPS設(shè)備工作環(huán)境較低海拔地區(qū)有所不同，設(shè)備性能會受到一定影響。為滿足高海拔地區(qū)變電站站用直流電源的用電要求，有必要對蓄電池組及UPS容量選擇進行修正計算。

1 蓄電池容量選擇修正

閥控式密封鉛酸蓄電池有效放電容量與溫度相關(guān)，在低溫條件下，蓄電池中電解液的物理及化學活性降低，導致放電時化學能與電能間的轉(zhuǎn)換效率下降，有效放電容量降低[1]。因此，高海拔嚴寒地區(qū)蓄電池容量選擇時需要考慮溫度的影響，根據(jù)需要修正蓄電池容量。

根據(jù)DL/T 5044—2014《電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》[2](下面簡稱“直流技規(guī)”)第8.2.1條，蓄電池室內(nèi)溫度宜為15～30 ℃，并在附錄C.2中提出當蓄電池的環(huán)境溫度低于此值時，應考慮調(diào)整蓄電池溫度修正系數(shù)。直流技規(guī)規(guī)定，蓄電池容量選擇計算中可靠系數(shù)由裕度系數(shù)、老化系數(shù)及溫度修正系數(shù)的乘積確定，一般情況可靠系數(shù)=裕度系數(shù)×老化系數(shù)×溫度修正系數(shù)=1.15×1.10×1.10≈1.4 ，即規(guī)程在蓄電池容量選擇計算公式中已考慮了一定的溫度修正系數(shù)且取值1.10。根據(jù)GB/T 19638.1—2014《固定型閥控式鉛酸蓄電池 第1部分：技術(shù)條件》[3]第6.17.5條，當放電期間蓄電池平均表面溫度不是基準25 ℃時，蓄電池溫度修正系數(shù)Kt表達式見式(1)。

(1)

式中:λ為溫度系數(shù)，變電站蓄電池容量按10 h放電率標稱容量C10計算時，λ取0.006；t為放電過程蓄電池平均表面溫度，根據(jù)直流技規(guī)推薦的溫度修正系數(shù)Kt=1.10，可反推出t取值約為10 ℃，即選取10 ℃作為蓄電池室可能出現(xiàn)的最低溫度來考慮，適用于絕大部分工程的實際情況。

由于該500 kV變電站在海拔4100 m左右，處于高海拔嚴寒地區(qū)，為提高直流電源系統(tǒng)的可靠性，宜根據(jù)蓄電池室可能出現(xiàn)的極端低溫情況，調(diào)整蓄電池容量選擇計算時的溫度修正系數(shù)。

該工程蓄電池室建筑節(jié)能設(shè)計按嚴寒(C)區(qū)標準執(zhí)行，室內(nèi)供暖采用對流式電暖器供暖，設(shè)計溫度值為20 ℃。在冬季如發(fā)生蓄電池室電暖器故障，由于站址偏遠且遠期無人值班，如處理不及時可能出現(xiàn)蓄電池室較長時間無法采暖的極端情況。文獻[4]中，在嚴寒冬季對長春市某采用低溫電熱膜輻射供熱系統(tǒng)取暖的7層節(jié)能住宅斷電后的室內(nèi)溫度變化進行了實測。實測結(jié)果表明，采用低溫電熱膜輻射供熱系統(tǒng)的房間在斷電后，夜晚室內(nèi)溫度會較快下降，而到了白天由于太陽輻射的作用室內(nèi)房間溫度又會緩慢上升，但整體溫度會逐步降低。斷電3天后，各房間室內(nèi)溫度均從斷電前的20 ℃左右下降至12 ℃左右。所述工程蓄電池室為單層單體建筑且采用對流式電暖器供暖，建筑物蓄熱能力相對較差，在無供暖期間蓄電池室溫度降低速度勢必較快，蓄電池室可能出現(xiàn)的極端最低溫度主要與運行人員處置時間緊密相關(guān)。為確?？煽浚撜総按-10 ℃選取，此時對應的溫度修正系數(shù)為

(2)

因此，可靠系數(shù)=裕度系數(shù)×老化系數(shù)×溫度修正系數(shù)=1.15×1.10×1.27 ≈1.61。

該站直流負荷統(tǒng)計如表1所示。

表1 變電站直流負荷統(tǒng)計 單位：A

蓄電池組采用閥控式密封鉛酸蓄電池，依據(jù)直流技規(guī)蓄電池容量選擇計算如下：

蓄電池個數(shù)為

式中：Un為直流系統(tǒng)標稱電壓，取220 V；Uf為單體蓄電池浮充電壓，取2.23 V。

單體蓄電池事故放電末期終止電壓為

根據(jù)蓄電池容量階梯計算法，蓄電池各階段的計算容量公式為

(In-In-1)]

其中：

事故初期負荷計算容量為

事故持續(xù)期負荷計算容為

隨機負荷計算容為

式中：Kk為可靠系數(shù)，取1.61;I1～In為各階段放電電流；可靠系數(shù)Kc1～Kcn為蓄電池放電終止電壓1.87 V對應的各階段容量換算系數(shù)，按直流技規(guī)表C.3-3選取。

由于事故持續(xù)期計算容量最大，蓄電池計算容量為C=Cc2+Cr=758.1+5.1=763.2 Ah,可選擇容量為800 Ah的閥控式密封鉛酸蓄電池。

2 直流充電裝置額定電流選擇修正

隨著海拔升高空氣密度及壓力降低，以空氣對流傳導散熱的直流充電裝置散熱效率將下降，使得設(shè)備溫度升高，進而影響產(chǎn)品和設(shè)備的額定輸出[5]，因此高海拔地區(qū)的直流充電裝置額定電流選擇計算時應考慮一定的修正系數(shù)。

目前，國內(nèi)電力行業(yè)常用的設(shè)計類標準中對于高海拔對直流充電裝置容量的影響未做規(guī)定，直流充電裝置主流設(shè)備廠家對于高海拔容量修正研究也較為有限，建議工程設(shè)計時可依據(jù)GB/T 32593—2016《軌道交通 地面裝置 變電所用電力電子變流器》(等同于IEC 62590—2010)[6]的相關(guān)要求執(zhí)行。該標準第5.2.2.4條提出“電力電子變流器僅用空氣作為冷卻媒質(zhì)或熱轉(zhuǎn)移媒質(zhì)時，正常海拔不超過1000 m。對于工作海拔超出1000 m但檢驗海拔為正常海拔的變流器，工作海拔每超出正常海拔100 m，自然冷卻的變流器在電流能力檢驗結(jié)果基礎(chǔ)上降低1%使用，強迫冷卻的變流器在電流能力檢驗結(jié)果基礎(chǔ)上降低1.5%使用”，所述變電站直流充電裝置采用智能風扇冷卻，屬于強迫冷卻方式，按上述要求充電裝置額定電流修正系數(shù)KI可按式(3)計算。

KI=(1-1.5%)(H-1000)/100=0.626

(3)

式中,H為充電裝置工作海拔，為4100 m。

按直流技規(guī)要求，充電裝置額定電流應按以下3個狀態(tài)進行計算選擇。

1)浮充電：Ir=(0.01I10+Ijc)/KI≈128.9 A

(4)

2)初充電:Ir=(1.0I10～1.25I10)/KI

≈127.8～159.7 A

(5)

3)均衡充電：Ir=(1.0I10～1.25I10+Ijc)/KI

≈255.4～287.4 A

(6)

式中：Ir為充電裝置輸出電流，A；I10為蓄電池10小時放電率電流，800 Ah蓄電池I10=0.1C10=80 A；Ijc為經(jīng)常負荷電流，根據(jù)表1取79.9 A；

綜上，充電裝置額定電流按滿足均衡充電的要求可取值280 A。因此該站單只充電模塊額定電流選用40 A，全站共設(shè)置3套額定電流為7×40 A高頻開關(guān)充電裝置，其中1套公用；由于設(shè)有公用充電裝置，充電模塊不再冗余配置。

3 UPS容量計算及修正

以往工程中UPS電源容量計算一般采取簡單的負荷容量累加，并考慮一定的裕度后進行容量選擇。DL/T 5491—2014《電力工程交流不間斷電源系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》[7]發(fā)布后，對UPS負荷計算和容量選擇給出了計算公式，并明確了UPS容量選擇的高海拔降容系數(shù)。

根據(jù)DL/T 5491—2014附錄C.1和C.2的計算公式，該站UPS負荷統(tǒng)計見表2。

根據(jù)表2可得出：

表2 變電站UPS負荷統(tǒng)計

UPS計算負荷總有功功率為

Pc=∑KSicosφi=8.0 kW

(7)

UPS計算負荷總無功功率為

(8)

UPS總計算負荷為

(9)

負荷綜合功率因數(shù)為

(10)

UPS最終計算容量為

(11)

式中：Kf為功率校正系數(shù)，根據(jù)負荷綜合功率因數(shù)0.92和參考文獻[7]附表C.2-1取0.87；Kk為可靠系數(shù)，取1.25；Kd為海拔降容系數(shù)，按站址海拔高度4100 m和參考文獻[7]附表C.2-2可取0.73。

根據(jù)UPS計算容量，該變電站單套UPS額定容量可選擇為20 kVA。

4 結(jié) 語

對于高海拔地區(qū)的變電站，在站用蓄電池組容量選擇計算時，宜結(jié)合變電站站址情況考慮蓄電池放電過程中蓄電池室可能出現(xiàn)的極端低溫，所述變電站極端低溫按-10 ℃選取，并據(jù)此提高了溫度修正系數(shù)和蓄電池計算容量；在直流充電裝置額定電流計算時，宜按GB/T 32593—2016相關(guān)要求進行高海拔降容修正，即工作海拔超出1000 m，每超出100 m充電裝置額定電流應按降低1.5%使用；在UPS容量選擇計算時，應按DL/T 5491—2014附表C.2-2選擇對應的海拔降容系數(shù)來修正計算容量。