基于IEEE標(biāo)準(zhǔn)的某國外項目牽引變電所鎳鎘電池容量計算研究

曹毅峰 文 菓

（中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，成都 610031）

近年來，高速鐵路作為最閃亮的國家名片取得了飛速發(fā)展［1］。國外電氣化鐵路工程中，牽引變電所作為鐵路供電系統(tǒng)中的核心設(shè)施，不僅擔(dān)負(fù)著向電氣化鐵路各種負(fù)荷供電的任務(wù)，往往也是當(dāng)?shù)刂匾碾娏υO(shè)施。

牽引變電所直流系統(tǒng)是牽引變電所的重要部分，它為一次設(shè)備控制、開關(guān)分合閘、保護、信號、自動裝置、通訊、事故照明等負(fù)荷提供工作電源。在所用交流電中斷供電的情況下，由后備電源裝置——蓄電池繼續(xù)提供直流電源，以保證對一次設(shè)備的可靠操作。因此，蓄電池的正確選型是直流系統(tǒng)設(shè)計的核心，對工程設(shè)計人員提出了較高的要求。

國外項目的牽引變電所功能、規(guī)模、設(shè)備配置等與國內(nèi)存在較大的差異，故所內(nèi)直流系統(tǒng)蓄電池的選型計算也有不同的要求，直接套用國內(nèi)的常規(guī)設(shè)計方法往往不能滿足要求。蓄電池選取需按照IEEE、EN、IEC 等國際規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求，結(jié)合牽引變電所的工況及當(dāng)?shù)剡\維習(xí)慣，確定最終的技術(shù)方案。

本文結(jié)合牽引變電所直流電源蓄電池設(shè)計的基本原則，對國內(nèi)、外的牽引變電所蓄電池設(shè)計要點及影響因素進行對照分析，敘述了基于IEEE-1115 規(guī)范的蓄電池容量計算方法、步驟及相關(guān)數(shù)據(jù)的確定原則，旨在為未來國外電氣化鐵路工程項目提供參考。

1 國內(nèi)外項目牽引變電所的差異

從功能而言，國內(nèi)的電氣化鐵路牽引變電所均從電網(wǎng)引入2 路獨立的電源，經(jīng)過降壓后向鐵路用戶提供電源［2］。其中，多數(shù)為將三相的110 kV、220 kV、330 kV降壓為單相27.5 kV 向牽引負(fù)荷（主要是牽引網(wǎng)，供電對象是電力機車）提供電源，如圖1所示。部分牽引變電所與電力配電所合建，將三相的110 kV、220 kV，330 kV 降壓為三相10 kV 或35 kV 向鐵路沿線非牽引負(fù)荷供電（主要包括沿線車站等設(shè)施的動力照明負(fù)荷，及通信、信號、信息等設(shè)備用電負(fù)荷）。

圖1 國內(nèi)牽引變電所功能示意圖

與國內(nèi)牽引變電所被視為電網(wǎng)的終端不同，國外項目中牽引變電所通常是電網(wǎng)的重要組成部分，一旦牽引變電所退出運行，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)將發(fā)生重大變化。故在國外項目中，牽引變電所在電網(wǎng)的地位和重要性明顯高于國內(nèi)，電力部門對其的建設(shè)、運行、管理、維護的關(guān)注度也相應(yīng)提高，其運維管理工作也由鐵路運營部門與電力系統(tǒng)運營部門共同完成。因此，國外項目中，設(shè)計牽引變電所時應(yīng)考慮鐵路或電力的設(shè)計規(guī)范和運維管理辦法［3］。

以某國外項目的220 kV 牽引變電所為例，該牽引變電所采用220 kV 電壓等級進線，同時為鐵路提供27.5 kV 電源（牽引負(fù)荷）和20 kV 電源（非牽引負(fù)荷）。牽引變電所采用4 路220 kV 進線接入電網(wǎng)，其中2 路接入地方電網(wǎng)變電站，另外2 路與相鄰的牽引變電所相連。所內(nèi)220 kV 采用雙母線分段接線，220 kV 母線存在穿越功率。所內(nèi)設(shè)置4 臺220 kV 變壓器，其中2 臺為220／27.5 kV 牽引變壓器，另外2 臺為220／20 kV 電力變壓器。主接線圖如圖2所示。

圖2 國外典型牽引變電所主接線圖（220 kV 側(cè)）

所內(nèi)包括電力、鐵路2 個部門的運營維護人員，其中電力部門負(fù)責(zé)高壓側(cè)（即與電網(wǎng)相關(guān)的220 kV 部分設(shè)備設(shè)施）的運營維護；鐵路部門負(fù)責(zé)低壓側(cè)（即直接向鐵路負(fù)荷供電的27.5 kV 和20 kV 設(shè)備設(shè)施）的運營維護?？梢钥闯?，相對國內(nèi)同類工程，此工程中牽引變電所具有規(guī)模較大、設(shè)備數(shù)量較多、運行方式復(fù)雜、運營維護困難的特點。相比于國內(nèi)牽引變電所，國外工程中電力部門在牽引變電所的設(shè)計、運維等工作中的介入更多、更深入。國內(nèi)外牽引變電所特點對照如表1所示。

表1 國內(nèi)外牽引變電所特點對照表

2 牽引變電所蓄電池的選型

2.1 直流系統(tǒng)蓄電池的分類及特點

蓄電池是直流電源常用的電能來源，它是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，使用過程中需經(jīng)歷充放電的過程。按照國內(nèi)規(guī)范，變電站工程中常用蓄電池主要有鉛酸蓄電池及鎳鎘蓄電池兩類［4］。兩種電池的技術(shù)性能對照如表2所示。

表2 鎳鎘電池及閥控式鉛酸電池技術(shù)性能對照表

相較于鉛酸電池，鎳鎘電池具有以下優(yōu)勢：電池能量高；放電安全，無需超容量設(shè)計；力學(xué)性能好；低溫性能良好；內(nèi)阻低，允許大電流輸出；允許快速充電；放電過程中電壓穩(wěn)定且易于維護。鎳鎘電池主要缺點在于其價格比鉛酸電池高，電池效率低。此外，鎳鎘電池的運維要求相對較高，需要定期進行補液，且鎘有劇毒，使用后需回收；電池還需進行完全放電，否則會出現(xiàn)“記憶效應(yīng)”。

此外，近年來發(fā)展出的蓄電池還包括硅能電池、燃料電池、鋰電池、鈉離子電池等，但由于技術(shù)和經(jīng)濟等原因，它們尚未在牽引變電站工程中得到廣泛應(yīng)用。

2.2 牽引變電所蓄電池的選型原則和設(shè)計思路

國內(nèi)牽引變電所早期同時使用了鎳鎘電池和鉛酸蓄電池，但近年來經(jīng)過多方面的技術(shù)經(jīng)濟綜合對比，行業(yè)內(nèi)已普遍使用閥控式密封鉛酸蓄電池［5］。一個重要的原因是鉛酸蓄電池成本較低，運維簡單，然而其壽命相對較短。

國外項目中蓄電池的選型思路有很大不同。鎳鎘電池的使用壽命通常可以達(dá)到10年以上，且較為結(jié)實耐用，具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢。因此，國外變電站工程通常更傾向于選擇鎳鎘型蓄電池，并有完整的設(shè)計和運維規(guī)范參照執(zhí)行，因此設(shè)計人員掌握鎳鎘電池的容量計算方法具有十分重要的意義。

3 國外工程牽引變電所蓄電池計算實例

目前，鎳鎘電池容量的計算通常要求按照美標(biāo)IEEE-1115 Std-2015 執(zhí)行，即鎳鎘蓄電池的計算選擇，主要包括負(fù)荷統(tǒng)計、電池選擇及電池容量計算。該標(biāo)準(zhǔn)對鎳鉻電池的容量計算全過程進行了系統(tǒng)而詳細(xì)的論述，不僅做了定義和理論推導(dǎo)，還提供了實用算例以供參考，在國外工程中有較高的認(rèn)可度。

以此國外項目牽引變電所實際數(shù)據(jù)為例，進行直流系統(tǒng)鎳鎘蓄電池容量的計算。該牽引變電所采用DC220 V 直流系統(tǒng)，為220 kV、27.5 kV 及20 kV 設(shè)備提供直流電源，要求停電時間為10 h。

3.1 負(fù)荷統(tǒng)計

在直流電源容量計算時，通常需先進行直流負(fù)荷統(tǒng)計。直流負(fù)荷一般分為連續(xù)負(fù)荷、間歇負(fù)荷（間斷性負(fù)荷）及隨機負(fù)荷［6-8］。以此牽引變電所實際數(shù)據(jù)為例，分別統(tǒng)計各部分負(fù)荷。

（1）連續(xù)負(fù)荷

牽引變電所的連續(xù)負(fù)荷包括所內(nèi)控制、信號、保護、監(jiān)控系統(tǒng)的負(fù)荷，如表3所示。

表3 牽引變電所連續(xù)負(fù)荷統(tǒng)計表

牽引變電所內(nèi)設(shè)置有兩套綜自系統(tǒng)，并分別配置了UPS 設(shè)備，負(fù)荷應(yīng)單獨統(tǒng)計。220 kV GIS 本地控制柜每個間隔1 面，單面負(fù)荷為100 W，共計15 個間隔；27.5 kV 開關(guān)柜單柜負(fù)荷為32 W，共計32 臺；20 kV開關(guān)柜單柜負(fù)荷為25 W，共計18 臺。

（2）間歇負(fù)荷

直流間歇負(fù)荷，主要是各部分?jǐn)嗦菲鞯姆珠l線圈、合閘線圈及充電電機負(fù)荷。所內(nèi)斷路器的各部分負(fù)荷統(tǒng)計如表4所示。

表4 牽引變電所間歇負(fù)荷統(tǒng)計表

上述負(fù)荷表根據(jù)供貨商提供的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計計算，其中220 kV GIS 斷路器采用雙分閘繞組，每個分閘繞組負(fù)荷為1 584 W。

有了以上直流連續(xù)負(fù)荷和間歇負(fù)荷的數(shù)據(jù)，就可以進行初步的直流電池容量需求匯總。

3.2 蓄電池各階段容量需求的計算匯總

在變電所直流系統(tǒng)失電后，整個蓄電池放電需經(jīng)歷所內(nèi)斷路器分閘-合閘-分閘的過程，分、合閘之間需有一次斷路器儲能線圈充電。結(jié)合本牽引變電所的運行情況，可以分為以下幾個階段，各階段單臺斷路器負(fù)荷電流如表5所示。

（1）階段1：根據(jù)前文提到的牽引變電所主接線及運行方式，考慮一次最嚴(yán)重的故障，即所內(nèi)220 kV 母線上發(fā)生故障，此時5 個220 kV GIS 間隔斷路器同時分閘，負(fù)荷電流為5 臺斷路器分閘電流的總和，動作時間取分閘完成的時間，可取0.1 s。此時負(fù)荷電流Ⅰ1=28.800×5=144.000 A，動作時間：0.1 s。

（2）階段2：斷路器分閘完成后，各儲能電機同時開始儲能，負(fù)荷電流取5 臺斷路器儲能電流的總和，動作時間為儲能過程完成的時間，按供貨商提供數(shù)據(jù)，取15 s。此時負(fù)荷電流Ⅰ 2=16.364×5=81.818 A，動作時間：15 s。

（3）階段3：分閘后的斷路器合閘，過程是依次合閘，負(fù)荷電流為單臺斷路器的合閘電流，動作時間為5 臺斷路器依次合閘的總和，斷路器合閘時間0.1 s。此時負(fù)荷電流Ⅰ3=13.200×1=13.200 A，動作時間：0.5 s。

（4）階段4：斷路器合閘完成后，各儲能電機同時開始儲能，負(fù)荷電流取5 臺斷路器儲能電流的總和，動作時間為儲能過程完成的時間，按供貨商提供數(shù)據(jù)，取15 s。此時負(fù)荷電流Ⅰ 4=16.364×5=81.818 A，動作時間：15 s。

（5）階段5：連續(xù)負(fù)荷；負(fù)荷時間考慮牽引變電所的停電時間，國內(nèi)規(guī)范一般取2 h，當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)規(guī)范要求取10 h。負(fù)荷電流Ⅰ5=89.464 A。

（6）階段6：再考慮一次牽引變壓器故障分閘，此時所內(nèi)1 臺220 kV GIS 斷路器分閘，2 臺27.5 kV GIS斷路器同時分閘，負(fù)荷電流為各斷路器分閘電流的總和，動作時間取分閘完成的時間，可取0.1 s。此時負(fù)荷電流Ⅰ6=28.800×1+2.682×2=34.164 A，動作時間：0.1 s。

最后得到初步的直流電池容量需求，591.217 Ah。按照當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)設(shè)計經(jīng)驗，設(shè)備均考慮了10%的裕量，連續(xù)負(fù)荷的同時系數(shù)取0.6（此系數(shù)與DL／T 5044 中要求相同）。

另外，可考慮一次牽引變壓器分閘后的恢復(fù)供電作為隨機負(fù)荷，負(fù)荷電流取1 臺220 kV GIS 斷路器和2 臺27.5 kV GIS 斷路器的合閘負(fù)荷之和，即17.51 A，負(fù)荷持續(xù)時間取10 s。

3.3 重要系數(shù)的取值

按照IEEE-1115 標(biāo)準(zhǔn)要求，在最終計算電池容量前，需確定一些重要的參數(shù)，包括溫度下降系數(shù)、設(shè)計裕度系數(shù)、老化系數(shù)及容量額定系數(shù)。

（1）溫度下降系數(shù)

電池的可用容量受其工作溫度的影響。電池容量的標(biāo)準(zhǔn)溫度為25 ℃。然而，在本項目中，最低預(yù)期電解液溫度為0 ℃（32 F）。電池容量溫度曲線如圖3所示。

（2）設(shè)計裕度系數(shù)和老化系數(shù)

設(shè)計裕度的計算方法是在單元尺寸上乘以一個百分比因子。在本項目中，預(yù)計負(fù)荷增長20%，設(shè)計裕度系數(shù)可取1.2。

電池容量的損失率取決于工作溫度、電解液比重、放電深度和頻率等因素，因此應(yīng)根據(jù)所需的使用壽命選擇老化系數(shù)。在本項目中，電池的尺寸能夠承載負(fù)載，直到其容量降低到額定容量的80%，因此老化系數(shù)可取1.25。

（3）容量額定系數(shù)

容量額定系數(shù)是計算過程中的一個關(guān)鍵參數(shù)。因此，在進行最終的電池容量計算前，需先進行一項重要系數(shù)的計算。直流電源電池容量系數(shù)根據(jù)式（1）進行計算：

式中：Kt——容量額定系數(shù)；

t——各階段放電時間（min）。

根據(jù)表3，把充放電過程的各個階段劃分成4 個時間段即可完成計算。其中不滿1 s 按1 s 計，每個時間段的負(fù)荷取各階段的最大安培+直流連續(xù)負(fù)荷，統(tǒng)計結(jié)果為：

第一時間段：階段1 +階段2

M1=0.1 s+15 s=16 s=0.27 min；

A1=158.040 A+59.046 A=217.446 A。

第二時間段：階段3 +階段4，

M2=0.5 s+15 s=16 s=0.27 min；

A2=90.000 A+59.046 A=149.046 A。

第三時間段：階段5

M3=36 000 s-16 s-16 s-1 s=35 967 s=599.45 min；

A3=59.046 A。

第四時間段：階段6

M4=0.1 s ≈1 s=0.02 min；

A4=37.580 A+59.046 A=96.626 A。

根據(jù)初步計算結(jié)果，直流容量需求為591.217 Ah，因此初步選擇600 Ah 電池的參數(shù)進行計算。電池參照圖和各階段計算值如圖4、表6所示。

表6 各階段Kt 計算表

圖4 電池參數(shù)圖

由表6 可知，無論是Kt系數(shù)計算公式的表現(xiàn)形式，還是其計算結(jié)果，Kt系數(shù)都表示了實際放電時間與額定整數(shù)時間對應(yīng)的容量折算關(guān)系，是最終精確計算電池容量所必備的換算系數(shù)。

3.4 IEEE-1115標(biāo)準(zhǔn)計算表格編制及結(jié)果

IEEE-1115 標(biāo)準(zhǔn)計算表格（表A.3）所要求的計算數(shù)據(jù)已全部得到，接著代入本變電所數(shù)據(jù)，結(jié)果如表7所示。

表7 蓄電池容量計算結(jié)果表

根據(jù)表7 的數(shù)據(jù)，蓄電池最終計算容量= 設(shè)計裕度系數(shù)×老化系數(shù)×（最大時間段計算負(fù)荷+隨機負(fù)荷），即：Se=1.2×1.25×（649.6+12.8）=993.7 Ah。按照蓄電池產(chǎn)品額定容量的標(biāo)準(zhǔn)值，最終選擇1 100 Ah 的蓄電池。

4 總結(jié)及與國內(nèi)規(guī)范的對比分析

國外工程的牽引變電所由于本身規(guī)模較大、所內(nèi)設(shè)備較多，故統(tǒng)計出來的直流負(fù)荷較大，加之停電時間要求長達(dá)10 h（國內(nèi)規(guī)范要求2 h），因此計算出的蓄電池容量遠(yuǎn)超國內(nèi)的牽引變電所（國內(nèi)牽引變電所一般不會超過200 Ah）。

由前文的計算過程可知，IEEE-1115 中要求的電池容量計算方法的本質(zhì)是容量換算，這是一種基于現(xiàn)有電池額定參數(shù)精確換算到實際使用情況的計算方式。特別明顯的是引入的溫度下降系數(shù)和容量額定系數(shù)，是蓄電池容量在不同使用環(huán)境和不同放電時間要求下的具體體現(xiàn)，因此此種計算方式較為嚴(yán)謹(jǐn)。

國內(nèi)采用的蓄電池容量計算方法一般是DL／T 5044-2014，計算方法是簡化計算法和階梯計算法。這兩種方法是根據(jù)不同的蓄電池型式、終止電壓和放電時間，在此標(biāo)準(zhǔn)附錄中查找容量換算系數(shù)，然后分階段計算容量，再將計算確定后的容量考慮裕度系數(shù)、老化系數(shù)和溫度修正系數(shù)后得到最終結(jié)果。從基本原理而言，IEEE 標(biāo)準(zhǔn)和DL 標(biāo)準(zhǔn)的計算思路是一致的，而2 個標(biāo)準(zhǔn)給出的容量換算系數(shù)存在一定差異［8］。將本文提到的典型牽引變電所的數(shù)據(jù)代入計算后發(fā)現(xiàn)，計算結(jié)果差別在10%左右。

很多工程項目及設(shè)計人員在計算蓄電池容量時，習(xí)慣于僅把所有的直流用電量簡單相加匯總。這種方法是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模讓?dǎo)致所選擇的電池容量偏小，主要是因為沒有考慮電池在實際工作情況下的放電過程。由于蓄電池容量將直接決定直流系統(tǒng)的很多關(guān)鍵參數(shù)（如充電電流、開關(guān)容量等），如電池容量選擇不當(dāng)將嚴(yán)重影響直流系統(tǒng)的整體設(shè)計質(zhì)量。

5 結(jié)論

本文針對國外項目電氣化鐵路牽引變電所直流系統(tǒng)蓄電池容量計算的問題，研究了基于IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的鎳鎘電池容量計算的具體設(shè)計方法，得到主要結(jié)論如下：

（1）國外項目的牽引變電所是地方電網(wǎng)的重要組成部分，其建設(shè)規(guī)模、設(shè)備配置、運行方式都與國內(nèi)的牽引變電所有很大的不同，不能直接將國內(nèi)項目的蓄電池選型經(jīng)驗套用到國外項目上去。

（2）國外項目變電所工程中經(jīng)常選用鎳鎘電池，因為它比鉛酸電池更為耐用，壽命更長，其全周期壽命內(nèi)的經(jīng)濟性指標(biāo)更優(yōu)。當(dāng)選用鎳鎘電池時，應(yīng)使用國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范IEEE-1115 的要求開展設(shè)計工作。

（3）負(fù)荷計算中應(yīng)結(jié)合牽引變電所的主接線及運行工況要求，確定各階段需要進行分合閘的斷路器等開關(guān)設(shè)備、分合閘負(fù)荷、分合閘時間等參數(shù)計算確定，并考慮一定的裕量和同時系數(shù)。

（4）使用IEEE-1115 進行蓄電池容量計算時，應(yīng)根據(jù)供貨商提供的蓄電池溫度曲線和放電數(shù)據(jù)來確定溫度下降系數(shù)和容量額定系數(shù)，再使用標(biāo)準(zhǔn)計算表格得到最終計算結(jié)果。其中各時間段的計算值是解決問題的關(guān)鍵。在確定各時間段參數(shù)時，可將多個分合閘階段進行合并簡化。

（5）參與國外電氣化鐵路牽引變電所工程的設(shè)計人員在進行蓄電池容量計算時，不能簡單地將各設(shè)備的用電量相加匯總，否則可能導(dǎo)致計算出的電池容量偏小，進而影響直流系統(tǒng)的整體設(shè)計質(zhì)量。