变配电所直流配电屏容量选择探讨

廖 昕

(深圳市建筑设计研究总院有限公司，深圳 518031)

0 引言

变配电所设置的直流操作电源为变配电所的控制、信号、保护和自动装置等二次回路设备提供工作电源。正常情况下，应满足断路器分、合闸操作及相关设备保护、控制和信号设备的供电要求；事故情况下，当电网电压降低甚至消失时，应能提供继电保护跳闸、信号和事故照明的电源，避免事故扩大。因此，直流操作电源容量的选择，关系到整个变配电所的安全可靠运行。

蓄电池是直流配电屏中最为关键的设备，其在正常使用过程中会不断地进行充放电，其容量会随着充放电的次数成比例衰减，由于不同类别的蓄电池使用寿命、允许放充电次数和衰减曲线不尽相同，当选择不同类别的蓄电池时，会导致直流配电屏容量的差异。

本文拟从蓄电池的放电时率、终止电压、倍率等基本概念分析开始，展开对变配电所直流配电屏容量选择的探讨，并结合实际工程案例计算阀控式密封铅酸蓄电池直流配电屏的容量。

1 蓄电池的容量

蓄电池容量用大写字母C表示(A·h)，是放电电流(A)和放电时间(h)的乘积。根据蓄电池的容量定义可知，同一蓄电池在不同放电电流的情况下，计算所得容量是不一致的，为了便于对不同蓄电池的容量进行定义、测量和对比，需要设定一个统一的标准。因此通常将蓄电池的额定容量定义为：用设定的放电电流将蓄电池放电到设定电压，所持续的时间和该放电电流的乘积即为蓄电池的容量。

设定的统一标准根据蓄电池构造特征和用途的不同，定义了若干放电时率，常见的有20h、10h、2h、1h时率，记为C20、C10、C2和C1。大写字母C后面跟随的数字表示该蓄电池用某种数值的电流放电到设定电压时持续的小时数。当知道蓄电池容量和放电小时数时，用容量除以小时数即得出额定放电电流。

根据以上统一的定义，可知容量相同而放电时率不同的蓄电池，其标称放电电流可能会存在很大的差异。

假设一个蓄电池容量20Ah、放电时率2h(记作20Ah2)，其额定放电电流为20Ah/2h=10A；另一个蓄电池容量20Ah、放电时率20h(记作20Ah20)，其额定放电电流为20Ah/20h=1A，即容量相同的蓄电池如果分别用10A和1A的放电电流放电，在分别持续2h和20h后，将下降到设定电压。

设定电压，即蓄电池的终止电压(V)，可理解为：蓄电池在放电终止时，电压下降到不至于造成其损坏的最低限度电压值。终止电压并不是一个固定值，其与放电电流成反比，即同一蓄电池放电电流越大，终止电压越低，反之则越高。

2 蓄电池倍率

蓄电池在工作时的电流强度也通常用倍率表示，记作M，表示为额定容量安时数的倍数。

I=M×Cn

式中，I为电流，A；Cn为以约定放电小时数n放电时，电池容量的额定值，用安时表示，Ah；M为Cn的倍数或其分数。

例如，当某额定容量C10=20Ah的蓄电池采用M=0.5的倍率放电时，放电电流为0.5×20=10A。类似地，某蓄电池容量C10=54Ah，测得放电电流为5.4A，则其倍率M为：M=I/Cn=5.4A/54Ah=0.1。图1所示是某蓄电池在不同倍率的终止电压和放电时间的关系图，该图对于常用的铅酸蓄电池具有代表性。

图1 某蓄电池不同倍率下的终止电压和放电时间关系图

由图1可知，同一个蓄电池在不同的放电电流下计算所得的安时容量(Ah)并不相同。假如蓄电池容量10Ah，以0.6C倍率即6A放电时，持续时间1h，在该倍率下蓄电池容量为6A×1h=6Ah；以0.05C倍率即0.5A放电时，持续时间20h，在该倍率下蓄电池容量为0.5A×20h=10Ah。虽然前者的终止电压比后者低，但前者容量却小于后者。

3 变配电所操作电源

变配电所的控制、信号、保护及自动装置等二次回路工作电源，统称为操作电源，当供电给特别重要负荷或者变压器总容量超过一定数值的变配电所，通常选用直流操作电源。

对于民用建筑的变配电系统，直流操作电源系统额定电压通常采用110V，基本接线方式多采用单母线接线，如图2所示。

图2 单母线直流系统接线图

直流负荷按负荷性质可分为经常性负荷和事故性负荷。经常性负荷要求直流电源在各类情况下均能可靠供电，包含信号装置、直流照明灯等；事故性负荷要求直流电源在电源故障时间内可靠供电，包含应急照明、通信备用电源、信号和继电保护装置、冲击负荷等。

4 工程案例

某民用建筑采用两路10kV独立电源互为备用的供电方案，正常情况下每路电源各负担一半负荷，当某路电源发生故障或需要检修时，通过母联开关的转换，另一路电源承担全部负荷，高压配电系统接线如图3所示。

图3 某工程高压配电系统接线图

4.1 蓄电池容量计算步骤

(1)计算全所事故停电时间内的放电容量。(2)计算事故初期冲击负荷电流。(3)计算持续放电时间内随机负荷的影响。(4)验算。

4.2 估算指标

(1)经常性负荷及指标估算：柜内保护、继电器、仪表、指示灯等，每柜约100W。通讯屏、小型中央信号装置等，约为700W。

(2)事故性负荷及指标估算：站内事故照明灯——不接入直流屏。10kV开关柜采用弹簧储能电动机操作机构，分闸或合闸时每台功率约800W，电机储能时间一般小于1min。

4.3 负荷计算

(1)全所事故停电时间内的放电容量

柜内保护、继电器、仪表、指示灯等负荷每台柜子约为100W，共计12台，则：12×100W=1 200W，通讯屏等装置约700W，计算时取0.8的需要系数；站内事故照明灯不接入直流屏，功率为0W；最大经常负荷：0.6×1 200W+0.8×700W=1 280W。

本工程变配电所属于有人值班场所，根据《工业与民用供配电设计手册》(第四版·上册)规定，其事故持续时间按1h计算，额定电压110V，选择电压为2V的单体蓄电池，确定蓄电池容量为：

Cs≥Kk(Ij+Is)t

(1)

式中，Cs为事故持续时间为1h时蓄电池的容量；Kk为可靠系数，取1.1；Ij为经常负荷，如继电器常闭节点、信号灯、保护装置等经常接入直流系统的用电设备；Is为事故负荷，主要为事故照明；t为事故持续时间，取1h。则Cs≥1.1×1 280×1/100=12.8Ah。

根据DL/T 5044-2014《电力工程直流电源系统设计技术规程》规定，密封蓄电池的额定容量为25℃标准温度下10h放电率的容量,故将计算所得的事故持续时间为1h的蓄电池容量，折算为标准蓄电池的容量，即10h时率的容量为：

Cs=KrelI1/K1

(2)

式中，Cs为蓄电池10h放电率的计算容量，Ah；I1为1h放电电流，A；Krel为可靠系数，取1.4；K1为1小时负荷的容量换算系数，1/h，取值可通过表1查找。

查表1可知，要获得K1值，必须先确定蓄电池的放电终止电压。

阀控式密封铅酸蓄电池(贫液)(单体2V)的容量换算系数表 表1

根据DL/T 5044-2014，在蓄电池放电末期，断路器合闸线圈的最低电压要求大于或等于额定电压的85%，故蓄电池放电终止电压按下式计算：

Um≥0.875Un/n

(3)

式中，Um为单体蓄电池放电末期终止电压，V；Un为直流系统额定电压，V；n为蓄电池组个数。

通过查表2，可知系统标称电压为110V时，蓄电池的放电终止电压均为1.85V。

阀控式铅酸蓄电池组的单体2V电池参数选择数值表 表2

注：(*)为推荐值。

已知蓄电池的放电终止电压为1.85V，通过表1查找，如果需要将1h蓄电池持续放电容量折算成标准蓄电池容量，即10h放电率的容量时，K1=0.54则Cs=KrelI1/K1=1.4×12.8/0.54=33.2Ah。

(2)事故初期冲击负荷电流

事故初期的瞬时冲击电流，按满足下列情况之一进行计算。

1)两路进线，全部失压时，2路进线跳闸。

2)某进线失压，1进线跳闸一母联备自投。

3)按最多2路断路器同时跳闸计算瞬时冲击电流。

已知弹簧储能电动机操作机构每台功率约800W，电机储能时间一般小于1min，则最大冲击电流Ic=800×2/110≈14.5A。

直流系统瞬时最大电流为最大冲击电流和事故持续电流之和Imax=Icho=Ij+Is+Ic=12.8+14.5=27.3A。

根据DL/T 5044-2014规定，将事故放电初期(1min)的冲击放电电流容量，折算为标准蓄电池的容量，即10h时率的容量为：

Ccho=KrelIcho/Kcho

(4)

式中，Ccho为初期冲击蓄电池10h放电率的计算容量，Ah；Icho为初期冲击放电电流，A；Krel为可靠系数，取1.4；Kcho为初期冲击负荷的容量换算系数，1/h。

已知蓄电池的放电终止电压为1.85V，通过表1查找，如果需要将事故放电初期(1min)的冲击放电电流容量折算成标准蓄电池容量，即10h放电率的容量，K1=1.24，则Ccho=KkIcho/Kcho=1.4×27.3/1.24=30.8Ah。

通过比较1h蓄电池持续放电容量和事故放电初期(1min)的冲击放电容量为Cs=33.2Ah≥Ccho=30.8Ah。

(3)温度补偿

蓄电池的容量会随着不同的环境温度而发生变化，因此需要对蓄电池容量进行修正，不同温度下的容量修正系数见表3。

不同温度下的容量修正系数(基准温度25℃) 表3

高低压配电室工作温度一般为40℃，则将蓄电池的C10容量修正为：C40=33.2Ah×105%=34.86Ah。

故最终选择标准蓄电池容量为40Ah的蓄电池可满足要求。

5 结束语