110kV東莊變電站直流系統選擇計算

劉 寧，李 博

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001）

0 引言

現今，電廠和變電站中的電力操作電源都采用的直流電源，它為直流負荷提供電源，是如今電力系統控制、保護的基礎。直流負荷在110 kV及以下變電所中又可分為經常性負荷、事故（應急）負荷及沖擊負荷三大類。

經常性負荷主要包括經常帶電的繼電器、信號燈、位置指示器及直流常明燈或其他常接入直流系統中的用電設備。事故（應急）負荷是變電所失去交流電源全所停電時，必須由直流電源供電的負荷，主要為應急照明負荷等。

由此可見，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、系統的合理設計是關鍵。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需求，也不能過于太大，造成浪費。不過在當前，電力工程的建設中，為了縮短工程建設周期，設計單位在變電站直流系統的設計過程中一般都直接套用典型設計或根據以往工程的設計經驗選擇。然后典型設計中的直流系統，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，大大縮減的了設計單位的設計時間，廠家也可以流水線生產。

然而，不同規模的變電站的設備數量，裝機容量各不相同，當變電站的規模超出典型設計的容量，典型設計中的直流系統的套用，有可能導致故障過程中的容量不足，直流電壓降低，一些設備將不能正常運行，當變電站的規模較小時，直流系統配置容量過高，造成了不必要的資源浪費。

因此，在設計中，需要根據工程實際情況對直流負荷進行統計及相應計算，選出經濟合理的蓄電池容量。本文將以東莊變電站的設備情況進行負荷統計計算分析。

1 工程簡介

東莊變電站為一座永臨結合的變電站，施工期作為施工電源給各個施工點供電，工程建設完畢作為樞紐區的供電電源點。變電站裝設2臺25 MVA雙繞組110/10 kV變壓器，110 kV進線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組無功補償裝置，2臺站用變。110 kV設備采用GIS戶內設備，10 kV設備采用KYN28-12型中置手車柜，柜內配置固封真空斷路器，所有真空斷路器均配彈簧操作機構。變電站采用微機自動化監控、保護系統等，另外還有低頻低壓減載裝置、公用測控裝置等一些裝置。

2 統計直流負荷

蓄電池容量的統計按照變電站最終建成的規模計算。本變電站為無人值班少人值守，根據《DLT 5044-2014電力工程直流電源系統設計技術規程》中第4.2.2條，本變電站的全站交流電源事故停電時間宜按2 h計算。本站設置有通信電源的，不考慮通信負荷。

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

為統計簡單方便計算，將110 kV變壓器、線路的保護測控裝置正常工作時直流負荷按50 W計算；10 kV各測控保護裝置正常工作時直流負荷按30 W考慮；其余自動安全裝置按正常工作時30 W計算，各統計如下：

（1）保護裝置：110 kV線路保護2個，110 kV母聯保護測控裝置1個；110 kV母線PT并列裝置1個；110 kV主變保護8個，10 kV線路保護26個，10 kV母聯保護1個，10 kV電容器進線保護2個，10 kV母線PT并列裝置1個。

（2）測控裝置：110 kV線路測控裝置2個；110 kV主變測控裝置2個；10 kV采用保護測控一體化裝置，不再重復考慮。

（3）操作機構箱：110 kV進線箱2面，主變每臺2面。

（4）公用裝置：公用測控屏2面，故障錄波屏1面，低周低壓減載屏1面，調度數據網接入屏1面，計量1面。

（5）斷路器跳合閘按550W計算。

經常負荷統計見表1。

表1 經常負荷統計 單位：W

根據直流設計規范，控制負荷和動力負荷合并供電的直流電源系統電壓可采用220 V或110 V。本文將對220 V電壓進行詳細計算，110 V電壓給出結果進行比較。直流負荷統計見表2。

表2 110 kV變電站（GIS）220 V直流負荷統計表

事故停電時間內，恢復供電的高壓斷路器合閘是指事故處理完畢，為恢復供電進行的操作，一般只考慮一臺，故負荷系數取1.0。而且應按斷路器合閘電流最大的一臺統計。

3 蓄電池參數選擇

直流系統的蓄電池按接線方式，可以分為無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數均不相同。端電池的設置取決于蓄電池的類型，鉛酸蓄電池一般不設端電池，而對鎘鎳堿性蓄電池組，一般設置端電池并附設降壓裝置。

但鎳堿性蓄電池為堿性蓄電池，有以下缺點：

（1）電壓為1.2 V，構成直流系統時需要電池數量較多，維護相對復雜；

（2）由于直流系統所需要電池數量較多。放電特性陡、終止電壓低，為了合理解決正常運行和事故放電運行的電壓偏差，保證直流母線在規定允許范圍之內，必須裝設端電池或降壓裝置，因而造成系統接線復雜，安裝維護和調試麻煩。

所以，堿性蓄電池已很少使用。目前，直流系統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荷的特點，故現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，這種電池運行中可以加液，壽命較長，價格較低，但體積大，運行中產生氫氣，產生酸霧，對環境、運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、技術指標先進、安裝方便、安全可靠、維護簡單和占地面積小等優點，現在在電力系統中廣泛應用。

本文采用無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 蓄電池個數

根據《電力工程直流電源系統設計技術規程》（DLT 5044-2014）附錄C1.1計算出蓄電池個數如下：

當浮充電壓為2.23 V時，電池個數可取103或104。當取低值時，在正常浮充電運行情況下，直流母線電壓較低，不會超過230 V，對設備的安全運行有好處，當取高值時，能更好的滿足遠端負荷的要求，現行規范推薦使用104個。

3.2 單體蓄電池均衡充電電壓

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

3.3 事故放電電壓

根據附錄C1.3，應根據蓄電池個數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 蓄電池容量計算

根據現有的規范及設計手冊，蓄電池容量計算方式為：階梯負荷計算法和簡易計算法兩種。階梯負荷計算法也稱電流換算法，按事故狀態下直流負荷電流和放電時間來計算容量。簡易計算法又稱電壓控制法、容量換算法。現對兩種方法分別進行計算。

4.1 階梯負荷計算法（電流換算法）

第一階段計算容量：

第二階段計算容量：

第三階段計算容量：

第四階段計算容量：

隨機負荷容量：

蓄電池容量為：115.85+5.64=121.49Ah

選擇蓄電池的標稱容量為C10=150Ah

4.2 簡易計算法（電壓控制法）

4.2.1 蓄電池容量選擇計算

持續放電容量應滿足事故全停電狀態：

Cc為蓄電池10 h放電率計算容量，選擇蓄電池的標稱容量為C10=150Ah。

Kcc查表B.8得0.688。

4.2.2 電壓水平計算

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

根據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，蓄電池所能保持的電壓在所選蓄電池相應的沖擊曲線中，根據Km.x值找出相應的曲線，對應的Kchm.x值，查出單體電池電壓值Ud（當事故放電階段為0.5 h或2 h時，可將上述計算值分別乘以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）

（Xh事故放電末期沖擊系數）

查表得出單體電池電壓值Ud=1.88，則：

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

4.3 蓄電池容量計算

蓄電池容量計算結果見表3。

表3 蓄電池容量計算表 單位：Ah

5 結語

由計算結果可知，兩種算法的計算結果有一定的差距，其計算容量差額不大于一級，簡易計算法計算結果小于階梯負荷法，這主要是由于放電負荷變化較大或有大的沖擊負荷。當蓄電池放電過程中負荷較為平衡，沒有大的沖擊負荷時，兩種算法的計算結果大致一致。并且從上面的蓄電池容量計算表可以對比得出，同樣的直流負荷，110 V蓄電池比220 V約增加1倍。在現在的電氣設計中，設計人員一般都套用典設或者以往的經驗，大多設計采用220 V電壓的直流系統，這樣的好處是電纜截面積可以選擇相對小的，節約投資方便了施工。但也存在如：絕緣電阻要求水平高；蓄電池個數多、占地面積大；系統中大量采用中間繼電器由于其線圈導線線徑小，易發生斷線事故等問題。110 V系統則相對好些，但是當控制信號等直流負荷供電距離較長或負荷較大時，其電纜截面積又增大很多。所以對直流系統而言，應進行技術經濟比較，以確定合理的電壓等級。