变电站直流系统蓄电池组容量的选择

来源：宝鄂实业 2019-03-14 14:42 点击量：次

变电站站内应设置向控制负荷和动力负荷等供电的直流电源。直流电源是变电站内非常重要的一种二次设备，它的主要任务就是给继电保护、开关合分及控制提供可靠的直流操作电源和控制电源，它要求配置蓄电池系统。蓄电池组是一种独立的电源，不受交流电源的影响，因而整流系统交流失电或发生故障时，蓄电池继续给控制、信号、继电保护和自动装置供电，同时还可以保证事故照明用电。由于蓄电池电压平稳、容量大，既适合于各种较复杂的继电保护和自动装置，也适合于对各类型断路器的传动。目前变电站主要采用免维护阀控式密封铅酸蓄电池作为直流电源。

阀控式铅酸蓄电池：带有阀的密封蓄电池，在电池内压超出预定值时，允许气体逸出。蓄电池在正常情况下无需补加电解液。按电解液的不同，阀控式铅酸蓄电池可分为贫液和胶体两种。贫电液结构蓄电池是采用紧装配密集极板,超细玻璃纤维作隔膜；胶体结构蓄电池是采用管式正极板,专用隔板胶体电解液的富电液结构,其基本原理都是使气体在极板间转移,促进再化合反应,同时利用减压阀保持电池内部有一定压力。这类蓄电池具有防酸式铅酸蓄电池的优点,而且基本上属于免维护,由于没有酸雾和氢体排出,可与成套直流电源柜一起安装在主控室。

一、直流系统的标称电压

电力工程中,直流系统电压等级分为220、110、48、24V等,常用的电压等级为220V和110V。一些用于弱电控制、信号的直流系统采用48V。220V和110V直流电源应采用蓄电池组。48V及以下的直流电源可采用由220V或110V蓄电池组供电的电力用DC/DC变换装置。

直流电压等级直接影响到蓄电池、充电装置、电缆截面和其他直流设备的选择。

1.1、变电站直流电源系统电压应根据用电设备类型、额定容量、供电距离和安装地点等确定合适的系统电压。直流电源系统标称电压应满足下列要求：

1）、专供控制负荷的直流电源系统电压宜采用110V，也可采用220V;

2）、专供动力负荷的直流电源系统电压宜采用220V;

3）、控制负荷和动力负荷合并供电的直流电源系统电压可采用220V或110V;

4）、全站直流控制电压应采用相同电压，扩建和改建工程宜与已有站直流电压一致。

1.2、在正常运行情况下，直流母线电压应为直流电源系统标称电压的105%。

1.3、在均衡充电运行情况下，直流母线电压应满足下列要求：

1）、专供控制负荷的直流电源系统，不应高于直流电源系统标称电压的110%;

2）、专供动力负荷的直流电源系统，不应高于直流电源系统标称电压的112.5%;

3）、对控制负荷和动力负荷合并供电的直流电源系统，不应高于直流电源系统标称电压的110%。

1.4、在事故放电末期，蓄电池组出口端电压不应低于直流电源系统标称电压的87.5%。

二、蓄电池组的电池个数选择

直流系统的电压水平是衡量直流供电质量的重要指标。直流系统的电压水平取决于直流系统的接线方式、单体蓄电池的放电电压和蓄电池组的电池个数。

2.1、蓄电池组

蓄电池组：用电气方式连接起来的用作能源的两个或多个单体蓄电池。

2.1.1、蓄电池型式选择，直流电源一般采用阀控式密封铅酸蓄电池，也可采用固定型排气式铅酸蓄电池；110kV及以下变电站可采用镉镍碱性蓄电池；

2.1.2、铅酸蓄电池应采用单体为2V的蓄电池，直流电源成套装置组柜安装的铅酸蓄电池宜采用单体为2V的蓄电池，也可采用6V或12V组合电池。

2.1.3、蓄电池组数配置应符合下列要求．

1）、110kV及以下变电站宜装设1组蓄电池，对于重要的110kV变电站也可装设2组蓄电池，

2）、220kV～750kV变电站应装设2组蓄电池，

3）、1000kV变电站宜按直流负荷相对集中配置2套直流电源系统，每套直流电源系统装设2组蓄电池；

4）、当串补站毗邻相关变电站布置且技术经济合理时，宜与毗邻变电站共用蓄电池组。当串补站独立设置时，可装设2组蓄电池。

2.2、蓄电池个数选择

直流系统的接线方式,可以分为无端电池和有端电池两种。这两种接线所要求的蓄电池放电电压和蓄电池组的电池个数均不相同。

2.2.1、无端电池的直流系统

1)、蓄电池个数的选择。应按浮充电运行时单体电池正常浮充电电压值和直流母线电压为1.05Un来确定电池个数,即：

2)、蓄电池均衡充电电压应根据蓄电池组的电池个数及直流母线允许的最高电压值选择。

专供动力负荷的蓄电池组,直流母线电压不宜高于1.125Un。

专供控制负荷和供控制、动力负荷公用的蓄电池组, 直流母线电压不宜高于1.10 Un，则均衡充电电压应满足：

3)、蓄电池放电终止电压的选择

单体蓄电池放电终止电压应根据直流电源系统中直流负荷允许的最低电压值和蓄电池的个数确定，但不得低于蓄电池规定的最低允许电压值。

当根据直流母线允许的最低电压考虑时,需计及蓄电池组至直流母线间的电压降, 而此段电缆或导体长短不一, 因此电压降大小不等, 为简化计算, 改为蓄电池组出口端电压允许的最低电压, 以此来选择蓄电池的放电终止电压Ud 。

专供控制负荷和供控制、动力负荷公用的蓄电池组, 应满足

专供控制负荷的蓄电池组, 应满足

2. 2. 2 有端电池的直流系统

有端电池直流系统的接线方式,蓄电池组由 n个电池组成,其中包括 n。个基本电池和nd个端电池两部分。蓄电池个数的确定方法如下:

1)、电池总个数。事故放电末期,全部电池均接入直流母线,故电池总个数为

2)、基本电池个数。充电末期,接入直流母线的电池称为基本电池。其个数为

3)、端电池个数。充电末期不接入直流母线的蓄电池称为端电池。其个数为

4)、浮充电池个数,仍按下式确定。

端电池的设置取决于蓄电池的类型, 铅酸蓄电池一般不设端电池, 因为只要设计中选取适当的电池个数, 均衡充电时设定合适的电压值, 运行电压不超过规定限值, 直流母线电压就不会超过最高限值,事故放电末期也不会低于最低限值。当然,如果只有1组蓄电池,又要进行核对性放电,则只能采用1组临时(移动式)备用蓄电池代替。有端电池的铅酸蓄电池直流系统, 由于接线、安装以及电压调整存在诸多不便, 目前已很少采用。

单体蓄电池均衡充电电压应根据直流系统中直流负荷允许的最高电压值和蓄电池的个数来确定, 但不得超出产品规定的电压允许范围。直流负荷允许的最高电压各不相同, 一般应取其中较低数值。

2.2.3、蓄电池数量的确定举例

某110kV变电站，直流系统选用某型阀控式铅酸蓄电池，已知单个电池放电终止电压值为1.94V，控制母线电压波动的允许值为：220V±5％，则所需要电池的个数为：n=0.95×220／1.94=108(个)

三、蓄电池组容量的计算

3.1、蓄电池容量选择应符合下列规定．

1）满足全站事故全停电时间内的放电容量；

2）满足事故初期(1min）直流电动机启动电流和其他冲击负荷电流的放电容量；

3）满足蓄电池组持续放电时间内随机冲击负荷电流的放电容量。

3.2、蓄电池容量选择的计算应符合下列规定：

1）按事故放电时间分别统计事故放电电流，确定负荷曲线；

2）根据蓄电池型式、放电终止电压和放电时间，确定相应的容量换算系数 ;

3）根据事故放电电流，按事故放电阶段逐段进行容量计算，当有随机负荷时，应叠加在初期冲击负荷或第一阶段以外的计算容量最大的放电阶段；

4）选取与计算容量最大值接近的蓄电池标称容量C10或C5作为蓄电池的选择容量。

3.3、蓄电池容量计算的可靠系数

蓄电池容量是蓄电池性能的重要性能指标之一，它表示在一定条件下（放电率、温度、终止电压等）电池放出的电量，即电池的容量，通常以安培、小时为单位（简称，以A.h表示）

在蓄电池的容量计算中,无论采用何种计算方法,都应考虑适量的容量储备,即选取合理的可靠系数。可靠系数应考虑以下三个因素。

3.3.1温度系数Kt

我国幅员辽阔,地域气温相差很大。蓄电池的额定容量是在给定终止放电电压和环境温度下的放电容量。随着环境温度的变化,电解液温度改变,蓄电池的放电容量也将偏离额定值。通常情况下,制造厂家给定的额定容量对应的基准温度为20℃或25℃。考虑到全浮充电运行的蓄电池,电解液温度不会低于室内温度,蓄电池室内允许温度一般取5~35℃。当环境温度高于基准温度时,蓄电池放出容量将大于额定容量;相反,当环境温度低于基准温度时,蓄电池放出容量将小于额定容量。一般情况下,铅酸蓄电池每上升或下降1℃,其容量将增加或减少0. 5%~1.0%的额定容量。为保证足够的容量,考虑可能的较不利的环境温度, 即进行温度修正取温度系数 Kt=1.10。

3. 3. 2老化系数 Ka

任何蓄电池, 在使用过程中, 初期容量略有上升, 之后要不断下降, 直至下降到其额定容量的80%时, 认为蓄电池寿命终止。为延长蓄电池的运行期限, 通常用老化系数来计及蓄电池的老化, 一般取老化系数 Ka=1.10。

3.3.3裕度系数Ke

蓄电池充电-放电过程受多种因素影响, 计算时所依据的特性曲线和数据, 也都存在一定误差,同时也可能有一些不可预计的负荷。在容量计算中,以裕度系数 Ke来计及这些因素,并取裕度系数 Ke=1.15。

3. 3. 4可靠系数 Krel

综合上述三个因素,蓄电池容量计算的可靠系数为

Krel=Kt×Ka×Ke=1.10×1.10×1.15=1.39

取 Krel=1.40。

3.4、蓄电池容量计算方法

目前国内常用的蓄电池容量计算方法有两种: ①容量换算法 (也称为电压控制法) , 按事故状态下直流负荷消耗的安时值计算容量,并按事故放电末期或其他不利条件下校验直流母线电压水平;②电流换算法(也称为阶梯负荷法),按事故状态下直流负荷电流和放电时间来计算容量。本文只介绍常用的容量换算法如下。

3.4. 1容量换算法

1）、按事故状态下持续放电负荷计算蓄电池容量

蓄电池容量取决于事故放电容量、事故放电持续时间和限定的放电终止电压, 而事故放电持续时间和限定的放电终止电压决定了蓄电池的容量系数。所以蓄电池的计算容量:

在上式中, Kcc为容量系数，对照蓄电池特性曲线可查得；当事故负荷在放电期间恒定不变时,事故放电容量Cs由事故放电电流 Is(A)和事故放电时间 ts(h)的乘积决定,即下式（3-1）

当事故负荷在放电期间变化时, 一般多为阶梯形负荷曲线,当不是阶梯形时,也可近似地用阶梯形代替。对于阶梯形负荷, 可采用分段计算法计算。

对上图所示的阶梯负荷图,有 n个时段m1、m2、…、 mi、…、 mn,划分为n个计算分段t1、t2、…、ta、…、 tn。

任意一个时段 mi的放电容量为下式（3-2）

从放电开始,到包含时段 mi的任意分段ta结束, 总的负荷容量为下式（3-3）

在计算分段 ta内,所需要的蓄电池容量计算值为下式（3-4）

其中容量系数 Kcca按计算分段的时间ta决定。

分别计算 n个分段的蓄电池计算容量, 然后按其中最大者选择蓄电池, 则蓄电池容量为下式（3-5）

2）、放电电压水平的校验

(1)持续放电电压水平的校验。事故放电末期,电压将降到最低,校验是否符合要求的方法如下。

事故放电期间蓄电池的放电系数为下式（3-6）

根据Kf值, 由蓄电池放电时间和电压关系曲线或从蓄电池持续放电1h和0. 5h冲击放电曲线中,对应 Kch=0值査出事故放电末期单体电池的电压(Udf), 然后求得蓄电池组的端电压下式（3-7）：

(2)冲击放电电压水平的校验。冲击放电过程中,放电时间极短,放电电流较大。尽管消耗电量很少, 但对电压影响很大。所以,在按持续放电算出蓄电池容量后,还应校验事故放电初期、末期以及其他放电阶段中, 在可能的大冲击放电电流作用下蓄电池组的电压水平。

a、事故放电初期,电压水平的校验。事故放电初期的冲击系数为下式（3-8）

根据 Kch0的值, 由蓄电池冲击放电曲线族中的“0”曲线査得单体电池的电压值 Uch0, 即求得蓄电池组的端电压下式（3-9）

b、事故放电过程中,包括事故放电末期随机(5s)出现大冲击电流时电压水平的校验。计算事故放电过程中出现大冲击电流时放电系数和冲击系数下式（3-10）

根据冲击系数Kchf,査蓄电池冲击放电曲线族中对应于 Kf的曲线, 求得单体电池电压 Uchf, 并由此求得蓄电池组的端电压下式（3-11）

由式(3-7)、式(3-9)和式(3-11)求得的端电压值应不小于要求值。

一般情况下,事故放电初期(1min)和末期或末期随机大电流放电阶段(5s)的电压水平,往往是整个事故放电过程的电压控制点。并且分别由事故放电初期冲击系数Kch0和最严重放电阶段末期的冲击系数Kchf决定。对给定的蓄电池,在限定的放电终止电压下,蓄电池允许的冲击电流是一定的,因而允许的Kch0或Kchf也是确定的。

（3）按电压水平计算蓄电地容量

按电压水平计算蓄电池容量,实际上是校验电压水平的反算。

a、按持续放电末期电压水平计算蓄电池容量。事故放电末期,蓄电池的终止电压应为下式（3-12）

设事故计算时间为ts,按Ud和ts值用容量系数曲线确定Kcc值。

蓄电池的计算容量Ce仍按式式(3-2)~式(3-4)计算。

在按持续放电确定蓄电池容量时,如果确定Kcc的放电终止电压已满足电压水平要求,则在事故放电末期,蓄电池的电压水平一定能満足要求,就不需要再进行上述电压水平的计算。

b、按冲击放电电压水平计算蓄电池容量。在冲击放电电流lch作用下,蓄电池的端电压应为下式（3-13）

冲击放电电流Ich所要求的蓄电池容量计算值为下式（3-14）

如果冲击放电电流出现在放电初期,则Ich=Ich0,此时根据Uch、ts和Kf=0用曲线图中的“0”曲线确定Kch=Kch0,进而即可由式(3-14)算出满足电压水平要求的蓄电池容量。

3.4. 2、蓄电池容量选择也可参考按《DL/T5044-2014 电力工程直流电源系统设计技术规程》中附录 C“C. 2 蓄电池容量选择”的方法计算。

3.4.3、应用举例

110kV变电站全站蓄电池容量考虑通信负荷。每组蓄电池组容量