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

(西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

0 引 言

阿里與藏中聯網工程某500 kV變電站位于西藏日喀則地區，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 ℃。根據相關規范，變電站直流電源系統設置了兩組220 V閥控式密封鉛酸蓄電池和3套高頻開關電源模塊型充電裝置，不間斷電源系統(uninterruptible power supply,UPS)按2套冗余配置。

高海拔地區溫度與氣壓低，變電站站用蓄電池組及UPS設備工作環境較低海拔地區有所不同，設備性能會受到一定影響。為滿足高海拔地區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，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換效率下降，有效放電容量降低[1]。因此，高海拔嚴寒地區蓄電池容量選擇時需要考慮溫度的影響，根據需要修正蓄電池容量。

根據DL/T 5044—2014《電力工程直流電源系統設計技術規程》[2](下面簡稱“直流技規”)第8.2.1條，蓄電池室內溫度宜為15～30 ℃，并在附錄C.2中提出當蓄電池的環境溫度低于此值時，應考慮調整蓄電池溫度修正系數。直流技規規定，蓄電池容量選擇計算中可靠系數由裕度系數、老化系數及溫度修正系數的乘積確定，一般情況可靠系數=裕度系數×老化系數×溫度修正系數=1.15×1.10×1.10≈1.4 ，即規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且取值1.10。根據GB/T 19638.1—2014《固定型閥控式鉛酸蓄電池 第1部分：技術條件》[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Kt表達式見式(1)。

(1)

式中:λ為溫度系數，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，根據直流技規推薦的溫度修正系數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，為提高直流電源系統的可靠性，宜根據蓄電池室可能出現的極端低溫情況，調整蓄電池容量選擇計算時的溫度修正系數。

該工程蓄電池室建筑節能設計按嚴寒(C)區標準執行，室內供暖采用對流式電暖器供暖，設計溫度值為20 ℃。在冬季如發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取暖的7層節能住宅斷電后的室內溫度變化進行了實測。實測結果表明，采用低溫電熱膜輻射供熱系統的房間在斷電后，夜晚室內溫度會較快下降，而到了白天由于太陽輻射的作用室內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，蓄電池室可能出現的極端最低溫度主要與運行人員處置時間緊密相關。為確保可靠，該站t按-10 ℃選取，此時對應的溫度修正系數為

(2)

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

該站直流負荷統計如表1所示。

表1 變電站直流負荷統計 單位：A

蓄電池組采用閥控式密封鉛酸蓄電池，依據直流技規蓄電池容量選擇計算如下：

蓄電池個數為

式中：Un為直流系統標稱電壓，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

事故持續期負荷計算容為

隨機負荷計算容為

式中：Kk為可靠系數，取1.61;I1～In為各階段放電電流；可靠系數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，按直流技規表C.3-3選取。

由于事故持續期計算容量最大，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，使得設備溫度升高，進而影響產品和設備的額定輸出[5]，因此高海拔地區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。

目前，國內電力行業常用的設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定，直流充電裝置主流設備廠家對于高海拔容量修正研究也較為有限，建議工程設計時可依據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]的相關要求執行。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或熱轉移媒質時，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果基礎上降低1%使用，強迫冷卻的變流器在電流能力檢驗結果基礎上降低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。

按直流技規要求，充電裝置額定電流應按以下3個狀態進行計算選擇。

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為經常負荷電流，根據表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，全站共設置3套額定電流為7×40 A高頻開關充電裝置，其中1套公用；由于設有公用充電裝置，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設計技術規程》[7]發布后，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。

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

根據表2可得出：

表2 變電站UPS負荷統計

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)

負荷綜合功率因數為

(10)

UPS最終計算容量為

(11)

式中：Kf為功率校正系數，根據負荷綜合功率因數0.92和參考文獻[7]附表C.2-1取0.87；Kk為可靠系數，取1.25；Kd為海拔降容系數，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UPS計算容量，該變電站單套UPS額定容量可選擇為20 kVA。

4 結 語

對于高海拔地區的變電站，在站用蓄電池組容量選擇計算時，宜結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的極端低溫，所述變電站極端低溫按-10 ℃選取，并據此提高了溫度修正系數和蓄電池計算容量；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來修正計算容量。