变电站直流系统蓄电池容量选择探讨

变电站直流系统蓄电池容量选择探讨

王振星

国网山西省电力公司沁县供电公司，山西省长治市 046400

摘要：变电站的直流系统是一个独立、稳定、可靠、安全的电源系统，它独立于交流动力电源系统之外，不受交流电源的影响，具有高度的可靠性及安全性，是变电站各系统中的重要组成部分。变电站直流系统主要为变电站中各个继电器保护装置、断路器跳合闸回路、信号系统、UPS装置、通信系统、事故照明等重要设备提供稳定可靠的电源。本文对变电站直流系统的负荷分析与蓄电池容量的选择进行了阐述。

关键词：变电站；直流系统；蓄电池；容量选择

1直流系统概况

直流系统主要由交流配电单元、充电模块、蓄电池组、监控单元（包括充电监控、配电监控、绝缘监控和蓄电池巡检等）、降压装置和馈电单元等组成。正常状态下，站用电交流输入由交流配电单元经充电模块整流传输到直流母线上，直流母线分为合闸母线（动力母线）和控制母线。合闸母线为各类直流电动机、断路器合闸机构等供电，供电时电流大至上百安，母线电压会有一定波动；控制母线为各种经常性负荷如电气控制、信号、测量等，母线电压要求质量较高，因此合闸母线电压一般偏高以保证其负荷的电压要求，然后通过自动降压装置连接到控制母线，保证控制母线电压的稳定。同时蓄电池组接在合闸母线上，保持浮充电状态，当发生交流断电或充电模块故障时，直流系统通过蓄电池组经直流母线供电，从而保证变电站安全稳定运行。

交流配电单元由2路交流输入和自动转换开关ATS（automatic transfer switch）组成，一路作为常用电源，另一路作为备用电源，通过ATS进行切换，输入可采用单相交流输入（220 V/50 Hz）或三相交流输入（380 V/50 Hz），当系统功率较低时可采用单相输入，变电站直流系统常用的是三相输入。

充电模块采用高频开关电源装置，交流电经过EMI及滤波、整流、功率因数校正PFC（power factor correction）、DC-DC变换器与滤波得到高质量的直流电。整流电路一般采用三相桥式不控整流，PFC现多使用无源功率因数校正PPFC（passive power factor correction），DC-DC变换器目前主要使用移相控制PWM DC-DC全桥变换器和全桥LLC谐振变换器。高频开关电源装置相比于90年代前使用的晶闸管整流装置，稳压稳流精度高、交流侧谐波含量小、效率高、滤波器的体积和重量小，现已得到广泛应用。用于直流系统的蓄电池主要有开口式铅酸蓄电池、半封闭的防酸式铅酸蓄电池、隔镍碱性蓄电池以及阀控式铅酸VRLA（valve-regulated lead acid）蓄电池。前2种应用于80年代前，现在已基本淘汰。隔镍碱性蓄电池在80年代中期开始使用，放电倍率高，耐过充和过放，循环使用寿命长，但是单节电压低使电池数量多，而且存在记忆效应，局限了其在变电站直流系统的应用。90年代以后，VRLA电池开始发展与应用，并因其全密封、少维护、不污染环境、可靠性高以及安装方便等优点迅速得到广泛应用，目前基本采用VRLA电池。监控模块分为集中式监控和分布式监控2种方式，主要包括蓄电池巡检、绝缘监测、充电监测和配电监测等。集中式监控还包括集中监测，各监测模块把测量参数输送至集中监测主机。分布式监控方式中各模块相互独立同时利用系统总线进行数据交换，现在多采用集中式监控的方式。降压装置为多只大功率硅整流二极管串联而成的降压硅链，利用继电器控制投入的组数而达到多级调压功能，简单可靠，但这种调压属于有级调压；也可以使用DC-DC变换器实现平滑调压。

目前直流系统有220V、110 V和48 V 3种电压等级，其中48 V一般用于通信电源系统，但是为了直流系统的简化与经济性，通信电源系统现多直接从110V或220V的直流系统上通过DC-DC变换器得到48V电源。110V直流系统电流较大，导线的截面较大，为满足负荷电压的要求，供电距离较短；220V直流系统电流较小，导线截面小，供电距离可以更大，但是对绝缘的要求更高，相关直流设备价格更高。

2变电站直流负荷分析

变电站的直流负荷按功能作用可分为经常负荷、事故负荷和冲击负荷。经常负荷是指在变电站正常运行和发生交流停电事故时，由直流系统可靠供电的负荷。主要包括:信号装置、继电保护装置、微机测控装置和通讯装置等。事故负荷是指在变电站发生交流停电故障时，需要蓄电池组供电的负荷。主要包括:信号装置、继电保护装置、微机测控装置、通讯装置和UPS不间断电源等。冲击负荷是指发生在交流停电故障初期（事故初期1min）、末期或随机（事故过程中的瞬间5s）,在变电站中主要包括断路器的跳闸负荷。

表1变电站二次设备直流负荷

以某110kV升压站建设规模为例：

1)主变压器：1台70MVA主变压器；

2)110千伏出线：出线1回；

3)35千伏出线：开关柜出线3回；

4)110千伏接线：采用单母线接线：

5)335千伏接线：采用单母线接线；

根据各综自设备厂家资料，微机保护装置、测控装置在正常工作和动作时的直流功耗在50W以下，该变电站每台保护装置直流功耗取50W，直流负荷统计如表1所示。

其它直流负荷为：DC/DC变换装置（通讯48V电源），按照通讯专业要求配置2000W负荷，根据综合楼和二次设备室的面积估算，事故照明直流负荷为2000W；根据UPS负荷统计配置2台3kVA逆变电源装置；110kV高压断路器2个，每个断路器跳闸电流按2.5A计算；35kV高压断路器4个，每个断路器跳闸电流按1.5A计算；恢复供电高压断路器合闸按5A计算。变电站全站直流负荷统计如表2所示。

3蓄电池组容量分析计算

以上述变电站为例，直流系统装设1组蓄电池，采用控制负荷、动力负荷和直流事故照明共用蓄电池组，不设端电池的方式，额定电压Ue取220V。蓄电池选用GFM型阀控式密封铅酸蓄电池，采用阶梯计数法计算直流蓄电池组的容量。3.1蓄电池个数计算

蓄电池组在正常浮充电方式下，直流母线电压应为直流系统额定电压的105%，其他运行方式下直流母线电压不应超出直流用电设备所允许的电压波动范围为87.5%-112.5%额定电压。

（1）按浮充电运行时选择电池个数：

n=1.05*Ue/Uf=1.05*220/2.23=103.5874

Uf为每个蓄电池浮充电压，取2.23V蓄电池数取整，n=104。

（2）按均衡充电运行，校验母线电压：

n<=112.5%Un/Uc=112.5%220/2.33=106.223

式中Uc为每个蓄电池均充电压，取2.33V蓄电池数按均衡充电运行校验满足要求。

（3）母线电压校验：

按事故放电情况下运行n>=87.5%Un/Um=102.94，满足要求Um为每个蓄电池均充电压，取1.87V根据以上计算和校验，确定蓄电池104节。

3.2蓄电池容量的分析确定

（1）按第一阶段计算容量：

Cc1=Kk*I1/Kc=1.4*42.18/1.18=50.04Ah

式中Kk=1.4（可靠系数），Kc=1.18（容量换算系数），根据放电终止电压为1.87V，查表获得。

（2）按第二阶段计算容量：

Cc2≥Kk〔I1/Kc1+(I2-I1)/Kc2〕=1.4〔42.18/0.52+(35.58-42.18)/0.548〕=96.7Ah

其中Kk=1.4（可靠系数），Kc1=0.52（容量换算系数），Kc2=0.548（容量换算系数），根据放电终止电压为1.87V，查表获得。

（3）按第三阶段计算容量

Cc3≥Kk〔I1/Kc1+(I2-I1)/Kc2＋（I3-I2)/Kc3〕=1.4〔42.18/0.334+(35.58-42.18)/0.352＋（26.49-35.58)/0.52〕=126.079Ah

其中Kk=1.4（可靠系数），Kc1=0.334（容量换算系数），Kc2=0.352（容量换算系数），Kc3=0.52（容量换算系数），根据放电终止电压为1.87V，查表获得。

最大值为：MAX(Cc1,Cc2,Cc3)=126.079Ah

⑷随机(5S)负荷计算容量为：CR=IR/Kcr=5/1.27=3.937Ah

表2变电站直流负荷统计

其中，Kcr=1.27（容量换算系数），根据放电终止电压为1.87V，查表获得。

计算结果：

MAX(Cc1,Cc2,Cc3)+CR=126.079+3.937=130.034Ah

根据相关规范及物资采购要求，选择200Ah。根据以上计算结果，本变电站最终确定选择GFM型阀控式密封铅酸蓄电池（单体电压2V，容量200Ah）104节。

3.3高频开关电源模块数量确定

高频开关电源模块额定电流的选择应满足均衡充电要求，即蓄电池充电时仍然对经常负荷供电。

Ir=1.25*I10+Ijc=1.25*200/10+10.13=35.13

n1=Ir/Ime=35.13/10=3.513≈4

其中Ime=10，为单个模块的额定电流。

n=n1+n2=4+1=5

n2=1

为附加模块，防止一个模块故障时影响整个充电装置。

根据以上计算结果，本变电站直流充电装置配置额定电流为10A的高频开关电源模块5个，满足蓄电池的充电要求。

4结语

根据上述简化计算法和阶梯计算法对变电站直流系统蓄电池容量计算，最终计算结果非常接近，所选蓄电池容量相同。正确合理选择变电站直流系统蓄电池容量对于保证变电站的运行非常重要。

参考文献:

［1］电力工程直流电源系统设计技术规程［S］．2015．

［2］工业与民用供配电设计手册［M］．北京:中国电力出版社，2016．