110kV变电站直流系统蓄电池容量计算探讨

王 建

（泸天化股份有限公司  四川 646300）   

摘 要：变电站直流系统主要为信号、控制、自动装置、继电保护及事故照明、UPS等提供直流电源，变电站安全稳定运行离不开可靠的直流系统。蓄电池作为可靠的直流电源，其电压质量和容量直接关系到严重事故情况下的用电设备安全运行，必须对直流蓄电池容量进行严格核算。本文结合泸天化110kV变电站蓄电池更换需要，根据国家标准和现场负荷实际情况,运用HOXIE法对蓄电池容量重新进行了计算和设计。

关键词： 110kV变电站      蓄电池容量计算       探讨   

中图分类号：TM912   文献标识码：B           文章编号：

Discussion on Battery Capacity Calculation of DC System in 110kV Substation

WangJian

（Lutianhua Co., Ltd.,Sichuan,646300,China）

Abstract: Substation DC system mainly provides DC power for signal, control, automatic device, relay protection, emergency lighting, UPS, etc. Reliable DC system is indispensable for safe and stable operation of substation. As a reliable DC power supply, the voltage quality and capacity of the storage battery are directly related to the safe operation of electrical equipment in case of serious accidents, and the capacity of the DC storage battery must be strictly calculated. In this paper, according to the needs of the 110kV substation battery replacement in Lutianhua, according to the national standards and the actual situation of the site load, HOXIE method is used to recalculate and design the battery capacity.

key words: 110kV substation;calculation of battery capacity;discuss

1前言

泸天化110kV变电站于2004年8月建成投运，承担着泸天化园区全部生产、生活用电的供电任务，是园区电能供应与控制中心，变电站的安全稳定运行直接关系到化工装置的安稳长满优运行。站内220V直流电源系统是全站控制、信号、保护、综合自动化装置的操作电源，也是事故照明及UPS装置的直流供电电源。蓄电池作为可靠的直流电源，要求其必须具有高度的可靠性和稳定性，即使在最极端、最严重的事故情况下都要保证直流负荷的可靠工作。如果蓄电池出现问题，将会给110kV变电站的安全生产带来极大的隐患。因此，蓄电池容量计算在发输变电电气工程设计中十分关键。

目前变电站一般采用无端电池直流系统，蓄电池容量计算首先需要对变电站的负荷进行统计，并参照直流系统设计规程明确各类直流负荷的计算时间，使用蓄电池容量算法计算蓄电池的容量。

2蓄电池简介

2.1 蓄电池的配置

110kV变电站采用四川绵阳富邦电控设备有限公司生产的GZG10-600/220-M型直流系统，采用了双组充电机单组蓄电池系统，共两段母线。正常情况下，直流母线投入蓄电池和一套充电机，另一套充电机备用。原蓄电池组选用德国阳光蓄电池组，电池型号A602/600WE，额定容量600Ah，额定电压2V，共104只。直流母线同时向UPS逆变电源模块供电，和UPS装置共用一套蓄电池组。

2.2 蓄电池改造前存在问题

阳光蓄电池组投运至今已经运行14年，据统计已有33.7%以上的蓄电池存在破损、漏液、鼓肚变形等现象。在2018年7月定期充放电试验中发现：单只电池电压不合格数量达到79%；剩余容量仅剩17Ah；每只电池内阻均高于出厂值20%；蓄电池组中开路电压有90.4%未在合格范围内等缺陷。我们按照“变电站直流系统状态评价导则（Q/GDW 607-2011）”之要求，在对蓄电池专项状态评价中，将其评价结果确定为“严重状态”，一致认为此组蓄电池使用年限已到，已经不能满足变电站直流系统和UPS装置安全稳定运行要求，必须进行更换。

2.3 直流系统运行变化情况

2004年110kV变电站投运时，站内直流系统除供给变电站直流负荷外，同时向两台汽轮发电机组和两台天然气锅炉厂用变电所供给直流电源，根据当时直流负荷运行情况来进行设计计算，蓄电池组容量确定为600Ah。在蓄电池投运至今这14年里，110kV变电站内直流系统运行状况已经陆续发生了以下较大的改变：

1) 随着煤锅炉供热项目建成投产，两台气锅炉已转为长期备用，只有在煤锅炉全停、或煤锅炉出现紧急情况才短时间运行，且一般运行一台。

2) 原厂用6kV变电所Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ段已于2009年进行改造，淘汰了原有少油式开关柜，选用四川电气设备成套厂KYN1Z-12开关柜。原6^#、7^#炉引风机、送风机、老给水泵、6675、6676、6677、6607、6605等高压开关电磁操作机构等全部改造成弹簧储能，使得断路器自投操作机构合闸电流大幅度减少。

3) 站内原有两台自备汽轮发电机组，已于2014年正式关停，其附属的大量机泵，如1^#、2^#、3^#循环水泵等，及其直流控制的热工设备如：自动主汽门、一段、三段、四段抽汽逆止阀、起励电源等也随之退出运行。

4) 两台气锅炉已于2007年进行DCS改造，部分热工保护进行了改造。6^#、7^#炉1^#～8^#火嘴电磁阀从直流供电改为交流供电。6^#、7^#炉汽包、过热器安全门起跳、回座电磁阀也进行了改造。

5) 随着发电机组停运，站内低周减载和欠频解列保护装置和发电机保护装置退出运行，0～1min事故初期断路器跳闸所需电流大幅度减少。

考虑到上述这些变化情况，在本次蓄电池更换改造中，我们结合现场实际情况，重新进行了蓄电池容量计算，以求同时满足运行安全可靠和投入经济合理的目的。

3 现有直流负荷统计

泸天化110kV变电站为有人值守变电站，主要一次设备包括2台主变压器，5台户内GIS组合电器装置，站内还安装35kV开关柜4台，6kV开关柜48台，6kV无功补偿装置2套，站用变压器/消弧系统2套、站用电系统低压开关柜9台，直流系统配电屏6面，UPS系统屏4面，综合自动化监控系统屏7面，保护装置屏7面，故障录波屏1面，电度表屏1面。厂用变电所：包括6kV开关柜29台，厂用变压器2台。

按照“电力工程直流电源系统设计技术规程（DL/T5044-2014）”中第4.1条：直流负荷分类规定(以下简称直流设计技术规程)：直流负荷按功能可分为控制负荷和动力负荷。我站的直流控制负荷主要包括电气、热工控制、信号、测量负荷和继电保护、自动装置和监控系统负荷。动力负荷包括下列负荷：交流不间断电源装置；直流应急照明负荷；热工动力负荷等。直流负荷按性质种类划分又可分为三类：经常负荷、事故负荷和冲击负荷。本变电站经常负荷包括：微机保护装置、微机测控装置、安全自动化设备、热工控制负荷等。本变电站事故负荷主要包括：事故照明装置、继电保护装置、UPS不间断电源、热工动力负荷等。本系统冲击负荷主要为：随机（5s）负荷，即单台110kV断路器的合闸电流。热工冲击负荷（如气锅炉安全阀和电磁阀等）。详细负荷情况见表1和表2。

4 蓄电池组容量计算

4.1保护测量控制及监控和智能装置负荷统计

    表1 保护测量控制负荷分类及统计

    表2 监控及智能装置负荷分类及统计

4.2直流负荷计算

按照直流设计技术规程中4.2条之规定进行负荷计算，蓄电池放电容量按2小时事故放电负荷计算。具体各放电时间段负荷计算见表3，开关跳闸电流见表4。

表3 直流负荷计算表

注1：保护测量控制，0～1min增加天然气锅炉汽包和过热器安全门动作电流2A。

注2：断路器跳闸：是指事故初期高、低压备用电源自投失败后，紧接着发生低电压保护动作，使大量断路器跳闸。按100、610、630、660、690、410、460备自投失败后，全站断路器跳闸范围为151、152随机跳1个（10A）；601～604随机跳两个（4A）；671、672、673、674随机跳2个（4A）；401、402、451、461随机跳2个（4A），1^#、2^#电容器随机跳1个（2A）；P103A、B、C、D随机跳两台（4A），6^#炉、7^#炉送风机随机跳1台(2A)，3^#、4^#给水泵随机跳1台(2A)计算，总跳闸电流为32A。

注3：断路器自投是指变电站备用电源自动投入。合闸电流按100、610、630、660、690、410、460备自投同时动作考虑。

注4：恢复供电断路器合闸，是指事故处理完毕，为恢复供电进行的操作，一般是较大的冲击负荷，但是只考虑1台，按全站断路器合闸电流最大的一台来考虑，故负荷系数取1.0，我站按110kV断路器合闸电流2A考虑。

注5：交流不停电电源装置，0～1min增加气锅炉天然气电磁阀跳闸电流2A。

表4 断路器跳合闸电流统计表

4.3 蓄电池容量计算

4.3.1 初始参数

系统额定电压：=220V

浮充电压：=2.26～2.28V，均充电压：=2.3～2.35V，终止电压=1.87V。（本文以赛特GEL系列阀控式密封胶体铅酸2V蓄电池数据为例进行核算）

系统接线方式：按无端电池方式进行设计。

4.3.2 蓄电池个数选择

根据直流设计技术规程C.1.1，蓄电池个数应满足浮充电运行时直流母线电压为1.05的要求，蓄电池个数：= 

根据直流设计技术规程C.1.2，对于控制负荷和控制动力负荷合并供电系统，单体蓄电池均衡充电电压值不应大于。

2.3＜242V

根据直流设计技术规程C.1.3规定，蓄电池放电终止时母线电压，对于控制负荷系统，直流母线电压≥87.5%

=1.87*104=88.4%≥87.5%

综合上述三个条件，蓄电池个数选择104个可行。

4.3.3 蓄电池容量选择

目前国际上广泛采用的是HOXIE计算方法，国内称为阶梯电流法（也称电流换算法或阶梯负荷法），由美国IEEE会员E.A.HOXIE在上世纪50年代提出，此方法概念清楚，计算精度高。它的原理是保证蓄电池终止电压不低于最低允许电压的前提下来计算蓄电池的容量，不必进行电压校验，只需选择大于或接近计算值的蓄电池容量即可。本文也采用HOXIE公式计算蓄电池容量，计算中的容量换算系数来自直流设计技术规程中的C.3-5表，具体计算过程如下：

a) 第一阶段计算容量

（T=1min）

其中，=1.4，=43.4A，放电终止电压选1.87V，对应 =0.94（1min）

b) 第二阶段计算容量

 （T=30min）

其中，=1.4，=43.4A，=23.4A，放电终止电压选1.87V，对应 =0.66（30min），=0.67（29min）

c) 第三阶段计算容量

（T=60min）

其中，=1.4，=43.4A，=23.4A，=23.4A，放电终止电压选1.87V，对应 =0.45（60min），=0.46（59min），=0.66（30min）

d) 第四阶段计算容量

（T=120min）

其中，=1.4，=43.4A，=23.4A，=23.4A，=23.4A，放电终止电压选1.87V，对应 =0.29（120min），=0.292（119min），=0.37（90min）=0.66（30min）

e) 随机负荷计算容量

，=2A，=1.12，=1.8Ah（T=5S）

将叠加在～上，得

+=50.9+1.8=52.7Ah

+=75.4+1.8=77.2Ah

+=114.6+1.8=116.4Ah

Max(52.7，77.2，116.4)=116.4＞，故蓄电池计算容量为116.4Ah。

考虑到不同型号蓄电池的差异及各阶段负荷统计的误差，同时蓄电池的容量应保留一定的裕度，因此本次蓄电池更换选用额定容量为300 Ah。

综上所述，本次蓄电池的更换，选用赛特GEL系列2V，300Ah，104个阀控式密封胶体铅酸蓄电池是能够满足现有110kV变电站直流系统安全可靠运行的。

5 结束语

    本次蓄电池的更换，只是根据现有负荷情况对蓄电池容量进行重新计算和选择，没有对直流系统其它配套设施进行更换。下一步还应同步考虑与其配套的断路器、电缆、直流充电模块、监控装置等部件的更换，才能真正保证各种恶劣情况下直流设备的正常工作。只有坚持设备的合理选择与科学的运行管理，才能最终保证变电站的安全、可靠、稳定运行。

参考文献：

[1] 田羽、何仲、范春菊.变电站蓄电池容量计算和算法改进.电力系统保护与控制.2010. 38（22），210-213

[2] 孙茗、刘百震等.DL/T5044-2014电力工程直流电源系统设计技术规程.2014.中国计划出版社

[3] 魏丽萍等.HOXIE算法在变电站蓄电池容量选择中的应用.企业技术开发.2014.33（32），66-67