基于 IEEE Std 485 和 DL/T 5044的城軌變電所蓄電池容量計算研究

張海申，劉 莉

（1. 中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063；2. 武漢地鐵運營有限公司，湖北武漢 430061）

城市軌道交通（以下簡稱“城軌”）近年來發展迅猛[1-3]，城軌變電所操作電源[4-5]一般采用直流電源，并配備蓄電池作為應急電源。直流電源通常采用成套裝置，變電所正常運行時蓄電池處于浮充狀態，成套裝置內的充電單元負責為變電所內的經常性直流負荷供電，蓄電池負責為沖擊負荷供電。交流輸入故障時，充電單元停止工作，蓄電池負責為全部直流負荷供電。GB 50157-2013《地鐵設計規范》第15.2.18條規定：蓄電池容量應滿足交流停電情況下連續供電2 h的要求[6]。正確計算和選擇蓄電池容量對于確保城軌安全運營至關重要，本論文基于IEEE Standard 485-2010《IEEE Recommended Practice for Sizing of Lead-Acid Batteries for Stationary Applications》[7]和DL/T 5044-2014《電力工程直流電源系統設計技術規程》[8]探討典型城軌變電所蓄電池容量計算，并對常規變電所蓄電池容量選擇提出建議。

1 用電負荷解析

1.1 直流負荷分類

DL/T 5044-2014標準將直流負荷按功能分為控制負荷和動力負荷兩大類，按性質分為經常負荷、事故負荷和沖擊負荷三大類。經常負荷包括長明燈、不間斷運行的電動機、逆變器、控制及保護裝置等。事故負荷特指事故持續期限內運行的電動機及應急照明、交流不間斷電源裝置等。沖擊負荷主要是不可預測啟動時間的高壓斷路器跳閘及直流電動機的啟動電流等[8-11]。

IEEE Std 485-2010標準將直流負荷分為連續負荷、間斷性負荷和瞬時性負荷[7，12-13]。連續負荷一般包括斷路器、隔離開關信號指示回路、各種可編程邏輯控制器（PLC）工作及運行狀態信號、繼電保護及自動裝置運行負載，計算機監控系統持續供電逆變電源，照明負荷。間斷性負荷一般包括斷路器電機儲能負荷、火災報警系統聯動的風機及防火閥控制負荷、直流電磁閥的控制負荷。瞬時性負荷一般包括斷路器的跳閘及重合閘負荷、保護裝置及跳閘繼電器的瞬時動作負荷、勵磁系統啟勵負荷。

對比可知，二者的規定基本一致，經常負荷等同于連續負荷，事故負荷等同于間斷性負荷，沖擊負荷等同于瞬時性負荷，通常稱為隨機負荷。

1.2 直流負荷統計

城軌變電所內的設備主要有中壓開關柜、配電變壓器、0.4 kV開關柜、交直流屏、控制信號屏、鋼軌電位限制裝置、直流開關柜、負極柜、整流變壓器、整流器、排流柜、隔離開關或隔離開關柜、再生制動能量回饋裝置、可視化接地裝置等。變電所內的直流負荷主要包括各類微機保護裝置、控制信號裝置、PLC裝置、直流表計、直流照明燈、帶電顯示裝置、各類指示燈、斷路器跳閘及斷路器的自投、直流加熱器等負荷。

經對各設備的主流供貨商調研，典型混合所經常負荷功率如表1所示。城軌變電所中高壓交流斷路器均采用彈簧操作機構，直流斷路器合閘線圈功率一般在2 000 W以下，高壓斷路器自投功率約420 W，0.4 kV斷路器儲能機構馬達功率最大約500 W。

表1 典型混合所經常負荷功率統計

考慮到各供貨商提供的數據偏大及各負荷同時工作的概率，取同時系數0.8，可得典型混合所經常負荷功率約4.72 kW，降壓所約2.44 kW，跟隨所約1.39 kW。

2 基于 IEEE Std 485-2010 標準的變電所蓄電池容量計算

2.1 計算流程

按照IEEE Std 485-2010標準，城軌變電所蓄電池的放電主要有2個階段。直流母線電壓為220 V時，典型混合所的直流負荷周期圖如圖1所示。其中，A1階段的放電電流為第一階段各類負荷考慮需要系數后的放電功率÷額定電壓=（4.72×0.6 + 0.42×1）÷0.22 = 14.78 A，A2階段的放電電流為第二階段的功率×需要系數÷額定電壓=4.72×0.6÷0.22 = 12.87 A，隨機負荷電流Ir= 隨機負荷功率÷額定電壓 = 2÷0.22 = 9.09 A。降壓所和跟隨所的直流負荷周期圖與此類似。

圖1 典型混合所直流負荷周期圖

蓄電池計算容量按下式確定：

式（1）中，F為未校準后的蓄電池容量；S為事故備用時間的各計算階段；N為事故備用時間的階段數；P為所進行分析的持續時間階段；AP為P階段所需電流；AP-1為P-1階段所需電流；t為P階段持續的時間；Ct為容量換算系數。

在利用上式計算出蓄電池容量后，乘以修正系數即得蓄電池容量計算值。

2.2 修正系數的選取

2.2.1 溫度修正系數

蓄電池額定容量以溫度25℃為基準，環境溫度高于或者低于此溫度，容量均需進行修正。IEEE Std 485-2010中提供的鉛酸膠體蓄電池的溫度修正系數如表2所示。

表2 鉛酸膠體蓄電池溫度修正系數

2.2.2 設計裕度系數

為防止不可預料的負荷增加或擴建，容量選擇時應留有一定的裕度，裕度系數一般取1.1～1.15。

2.2.3 老化系數

隨著使用年限的增加，蓄電池容量逐年遞減，IEEE Std 485-2010標準建議蓄電池容量下降至80%時應更換電池。為避免成套裝置頻繁更換，蓄電池容量選擇時應考慮一定的裕度，以抵消電池老化的影響。蓄電池的額定容量應至少按實際需求的125%考慮，即取老化系數1.25。

2.2.4 初始容量

新的蓄電池初始容量一般為額定容量的90%，在使用中經過幾次充放電循環后容量才能達到或者超過額定容量。計算過程中已考慮設計裕度，初始容量系數可取 1。

2.3 計算結果

城軌目前普遍采用免維護閥控式密封鉛酸膠體蓄電池，單只蓄電池電壓為12 V（單格2 V）。蓄電池容量以C10（10 h放電率標稱容量）為標準，單格電池的終止電壓為1.8 V。城軌常用鉛酸膠體蓄電池不同放電時間下的容量換算系數（Kc）如表3所示。

表3 不同放電時間下的Kc值

基于IEEE Std 485-2010標準的城軌典型混合所蓄電池容量計算流程及結果如表4所示。由表可知，蓄電池各階段計算容量最大值+隨機負荷容量= 44.8 - 5.7 + 7.4 = 46.5 Ah。

表4 蓄電池容量計算明細表

取溫度修正系數為1.1，設計裕度系數1.15，老化系數1.25，考慮以上修正系數后，基于IEEE Std 485-2010標準的不同類型變電所蓄電池計算容量如表5所示。

表5 基于不同標準的不同類型變電所蓄電池容量計算值 Ah

3 基于DL/T 5044-2014標準的蓄電池容量計算

3.1 計算流程

DL/T 5044-2014附錄C提供了蓄電池容量的簡化計算和階梯計算2種方法，實踐表明二者的計算結果相近，本文按階梯法計算。階梯法的本質是將直流負荷按發生時間的不同分為不同的階梯，不同放電階段對應的容量包括不同的階梯，各個階段分別計算所需容量。計算流程如下。

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：

隨機負荷計算容量：

式（2）～式（6）中[8，14-15]，Kk為可靠系數，取1.4；Cc1～Ccn為蓄電池各放電階段的計算容量，Ah；I1～In為各階段負荷電流，A；Kc1為計算階段全部放電時間的容量換算系數；Kc2為計算階段中除第1階梯的容量換算系數；Kc3為計算階段中除第1與第2階梯的容量換算系數；Kc4為各計算階段最后1個階梯的容量換算系數；Cr、Ir為隨機負荷計算容量、隨機負荷電流；Kc、Kcr為初期負荷及隨機負荷的容量換算系數。

將Cr疊 加 在Cc2～Ccn中最大的階段上，然后與Cc1比較，較大值即為計算結果。

3.2 計算結果

依據DL/T 5044-2014中表4.2.6，變電所內的經常負荷、高壓斷路器跳閘的負荷系數取0.6，斷路器備自投及恢復供電時合斷路器的負荷系數取1。可靠系數由裕度系數、老化系數、溫度修正系數三者乘積得到，即可靠系數=裕度系數×老化系數×溫度修正系數 = 1.15×1.10×1.10≈1.4。DL/T 5044-2014中條文8.2.1要求蓄電池室內溫度為15～30℃。城軌變電所蓄電池設置在控制室內，地下變電所內的溫度較為恒定，故溫度系數取為1.1。

直流系統電壓為220 V時，對典型混合所，經常負荷電流Ijc= 4.72×0.6÷0.22 = 12.87 A，放電初期電流I1=（4.72×0.6 + 0.42×1）÷0.22 = 14.78 A，第二個放電階段電流I2= 4.72×0.6÷0.22=12.87 A，第三階段電流與第二階段相同。隨機負荷電流Ir= 2÷0.22 = 9.09 A。依據表3中的容量換算系數及式（2）～式（6），取可靠系數為1.4，計算可得Cc1= 17.7 Ah，Cc2= 22.3 Ah，Cc3= 34.8 Ah，Cc4= 54.7 Ah，Cr= 7.4 Ah，將Cr疊加在Cc1～Cc4中最大的階段上，然后與Cc1比較后取較大值，得蓄電池容量為62.1 Ah。其他類型變電所的計算與此相同，計算可得基于DL/T 5044-2014標準的不同類型變電所蓄電池的計算容量如表5所示。

4 蓄電池容量計算值對比分析和選擇

4.1 蓄電池容量計算值對比分析

依據IEEE Std 485-2010和DL/T 5044-2014標準計算蓄電池容量的基礎數據相同，都是依據不同階段的負荷量，計算方法相似，均考慮了設計裕度系數、老化系數和溫度修正系數等。對設計裕度系數和溫度系數的選取，兩標準要求一致。對于老化系數，兩標準取值存在差異，DL/T 5044-2014中取值為1.1，IEEE Std 485-2010標準中取值為1.25，經分析比較，這是2個標準計算的蓄電池容量差距較大的主要原因。

4.2 蓄電池容量選擇

根據前述計算，城軌直流電源系統額定電壓為220 V時，典型混合所蓄電池容量配置80 Ah，降壓所配置40 Ah，跟隨所配置30 Ah即可滿足實際需要。

在實際工程中，為便于全線蓄電池容量的統一，綜合降低工程投資，混合所的蓄電池容量可統一為100 Ah，降壓所統一為60 Ah，跟隨所統一為30 Ah。

5 結論

本文首先分析了IEEE Std 485-2010和DL/T 5044-2014標準中的直流負荷分類情況，并根據城軌供電系統的運行特點，詳細統計、分析供電系統中的直流負荷，并基于IEEE Std 485-2010和DL/T 5044-2014標準對蓄電池容量進行計算、對比、分析，提出了常規變電所蓄電池容量的配置建議，對推動國內城軌的精細化設計及國際化設計具有重要意義。