變配電所直流配電屏容量選擇探討

2019-06-07 06:35:14廖昕

智能建筑電氣技術(shù) 2019年6期

廖昕

(深圳市建筑設(shè)計研究總院有限公司，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、保護和自動裝置等二次回路設(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、控制和信號設(shè)備的供電要求；事故情況下，當電網(wǎng)電壓降低甚至消失時，應(yīng)能提供繼電保護跳閘、信號和事故照明的電源，避免事故擴大。因此，直流操作電源容量的選擇，關(guān)系到整個變配電所的安全可靠運行。

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不斷地進行充放電，其容量會隨著充放電的次數(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，當選擇不同類別的蓄電池時，會導(dǎo)致直流配電屏容量的差異。

本文擬從蓄電池的放電時率、終止電壓、倍率等基本概念分析開始，展開對變配電所直流配電屏容量選擇的探討，并結(jié)合實際工程案例計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，計算所得容量是不一致的，為了便于對不同蓄電池的容量進行定義、測量和對比，需要設(shè)定一個統(tǒng)一的標準。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)一標準根據(jù)蓄電池構(gòu)造特征和用途的不同，定義了若干放電時率，常見的有20h、10h、2h、1h時率，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)定電壓時持續(xù)的小時數(shù)。當知道蓄電池容量和放電小時數(shù)時，用容量除以小時數(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率不同的蓄電池，其標稱放電電流可能會存在很大的差異。

假設(shè)一個蓄電池容量20Ah、放電時率2h(記作20Ah2)，其額定放電電流為20Ah/2h=10A；另一個蓄電池容量20Ah、放電時率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，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

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

I=M×Cn

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

例如，當某額定容量C10=20Ah的蓄電池采用M=0.5的倍率放電時，放電電流為0.5×20=10A。類似地，某蓄電池容量C10=54Ah，測得放電電流為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間的關(guān)系圖，該圖對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間關(guān)系圖

由圖1可知，同一個蓄電池在不同的放電電流下計算所得的安時容量(Ah)并不相同。假如蓄電池容量10Ah，以0.6C倍率即6A放電時，持續(xù)時間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，持續(xù)時間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、保護及自動裝置等二次回路工作電源，統(tǒng)稱為操作電源，當供電給特別重要負荷或者變壓器總?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

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

4 工程案例

某民用建筑采用兩路10kV獨立電源互為備用的供電方案，正常情況下每路電源各負擔一半負荷，當某路電源發(fā)生故障或需要檢修時，通過母聯(lián)開關(guān)的轉(zhuǎn)換，另一路電源承擔全部負荷，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 蓄電池容量計算步驟

(1)計算全所事故停電時間內(nèi)的放電容量。(2)計算事故初期沖擊負荷電流。(3)計算持續(xù)放電時間內(nèi)隨機負荷的影響。(4)驗算。

4.2 估算指標

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

(2)事故性負荷及指標估算：站內(nèi)事故照明燈——不接入直流屏。10kV開關(guān)柜采用彈簧儲能電動機操作機構(gòu)，分閘或合閘時每臺功率約800W，電機儲能時間一般小于1min。

4.3 負荷計算

(1)全所事故停電時間內(nèi)的放電容量

柜內(nèi)保護、繼電器、儀表、指示燈等負荷每臺柜子約為100W，共計12臺，則：12×100W=1 200W，通訊屏等裝置約700W，計算時取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)常負荷：0.6×1 200W+0.8×700W=1 280W。

本工程變配電所屬于有人值班場所，根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊》(第四版·上冊)規(guī)定，其事故持續(xù)時間按1h計算，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)時間為1h時蓄電池的容量；Kk為可靠系數(shù)，取1.1；Ij為經(jīng)常負荷，如繼電器常閉節(jié)點、信號燈、保護裝置等經(jīng)常接入直流系統(tǒng)的用電設(shè)備；Is為事故負荷，主要為事故照明；t為事故持續(xù)時間，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)計技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，密封蓄電池的額定容量為25℃標準溫度下10h放電率的容量,故將計算所得的事故持續(xù)時間為1h的蓄電池容量，折算為標準蓄電池的容量，即10h時率的容量為：

Cs=KrelI1/K1

(2)

式中，Cs為蓄電池10h放電率的計算容量，Ah；I1為1h放電電流，A；Krel為可靠系數(shù)，取1.4；K1為1小時負荷的容量換算系數(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。