變電站站內(nèi)應(yīng)設(shè)置向控制負(fù)荷和動力負(fù)荷等供電的直流電源。直流電源是變電站內(nèi)非常重要的一種二次設(shè)備，它的主要任務(wù)就是給繼電保護(hù)、開關(guān)合分及控制提供可靠的直流操作電源和控制電源，它要求配置蓄電池系統(tǒng)。蓄電池組是一種獨(dú)立的電源，不受交流電源的影響，因而整流系統(tǒng)交流失電或發(fā)生故障時，蓄電池繼續(xù)給控制、信號、繼電保護(hù)和自動裝置供電，同時還可以保證事故照明用電。由于蓄電池電壓平穩(wěn)、容量大，既適合于各種較復(fù)雜的繼電保護(hù)和自動裝置，也適合于對各類型斷路器的傳動。目前變電站主要采用免維護(hù)閥控式密封鉛酸蓄電池作為直流電源。

 

閥控式鉛酸蓄電池：帶有閥的密封蓄電池，在電池內(nèi)壓超出預(yù)定值時，允許氣體逸出。蓄電池在正常情況下無需補(bǔ)加電解液。按電解液的不同，閥控式鉛酸蓄電池可分為貧液和膠體兩種。貧電液結(jié)構(gòu)蓄電池是采用緊裝配密集極板,超細(xì)玻璃纖維作隔膜；膠體結(jié)構(gòu)蓄電池是采用管式正極板,專用隔板膠體電解液的富電液結(jié)構(gòu),其基本原理都是使氣體在極板間轉(zhuǎn)移,促進(jìn)再化合反應(yīng),同時利用減壓閥保持電池內(nèi)部有一定壓力。這類蓄電池具有防酸式鉛酸蓄電池的優(yōu)點(diǎn),而且基本上屬于免維護(hù),由于沒有酸霧和氫體排出,可與成套直流電源柜一起安裝在主控室。

 

一、直流系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓

 

電力工程中,直流系統(tǒng)電壓等級分為220、110、48、24V等,常用的電壓等級為220V和110V。一些用于弱電控制、信號的直流系統(tǒng)采用48V。220V和110V直流電源應(yīng)采用蓄電池組。48V及以下的直流電源可采用由220V或110V蓄電池組供電的電力用DC/DC變換裝置。

 

直流電壓等級直接影響到蓄電池、充電裝置、電纜截面和其他直流設(shè)備的選擇。

 

1.1、變電站直流電源系統(tǒng)電壓應(yīng)根據(jù)用電設(shè)備類型、額定容量、供電距離和安裝地點(diǎn)等確定合適的系統(tǒng)電壓。直流電源系統(tǒng)標(biāo)稱電壓應(yīng)滿足下列要求：

 

1）、專供控制負(fù)荷的直流電源系統(tǒng)電壓宜采用110V，也可采用220V;

 

2）、專供動力負(fù)荷的直流電源系統(tǒng)電壓宜采用220V;

 

3）、控制負(fù)荷和動力負(fù)荷合并供電的直流電源系統(tǒng)電壓可采用220V或110V;

 

4）、全站直流控制電壓應(yīng)采用相同電壓，擴(kuò)建和改建工程宜與已有站直流電壓一致。

 

1.2、在正常運(yùn)行情況下，直流母線電壓應(yīng)為直流電源系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的105%。

 

1.3、在均衡充電運(yùn)行情況下，直流母線電壓應(yīng)滿足下列要求：

 

1）、專供控制負(fù)荷的直流電源系統(tǒng)，不應(yīng)高于直流電源系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的110%;

 

2）、專供動力負(fù)荷的直流電源系統(tǒng)，不應(yīng)高于直流電源系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的112.5%;

 

3）、對控制負(fù)荷和動力負(fù)荷合并供電的直流電源系統(tǒng)，不應(yīng)高于直流電源系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的110%。

 

1.4、在事故放電末期，蓄電池組出口端電壓不應(yīng)低于直流電源系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的87.5%。

 

二、蓄電池組的電池個數(shù)選擇

 

直流系統(tǒng)的電壓水平是衡量直流供電質(zhì)量的重要指標(biāo)。直流系統(tǒng)的電壓水平取決于直流系統(tǒng)的接線方式、單體蓄電池的放電電壓和蓄電池組的電池個數(shù)。

 

2.1、蓄電池組

 

蓄電池組：用電氣方式連接起來的用作能源的兩個或多個單體蓄電池。

 

2.1.1、蓄電池型式選擇，直流電源一般采用閥控式密封鉛酸蓄電池，也可采用固定型排氣式鉛酸蓄電池；110kV及以下變電站可采用鎘鎳堿性蓄電池；

 

2.1.2、鉛酸蓄電池應(yīng)采用單體為2V的蓄電池，直流電源成套裝置組柜安裝的鉛酸蓄電池宜采用單體為2V的蓄電池，也可采用6V或12V組合電池。

 

2.1.3、蓄電池組數(shù)配置應(yīng)符合下列要求．

 

1）、110kV及以下變電站宜裝設(shè)1組蓄電池，對于重要的110kV變電站也可裝設(shè)2組蓄電池，

 

2）、220kV～750kV變電站應(yīng)裝設(shè)2組蓄電池，

 

3）、1000kV變電站宜按直流負(fù)荷相對集中配置2套直流電源系統(tǒng)，每套直流電源系統(tǒng)裝設(shè)2組蓄電池；

 

4）、當(dāng)串補(bǔ)站毗鄰相關(guān)變電站布置且技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理時，宜與毗鄰變電站共用蓄電池組。當(dāng)串補(bǔ)站獨(dú)立設(shè)置時，可裝設(shè)2組蓄電池。

 

2.2、蓄電池個數(shù)選擇

 

直流系統(tǒng)的接線方式,可以分為無端電池和有端電池兩種。這兩種接線所要求的蓄電池放電電壓和蓄電池組的電池個數(shù)均不相同。

 

2.2.1、無端電池的直流系統(tǒng)

 

1)、蓄電池個數(shù)的選擇。應(yīng)按浮充電運(yùn)行時單體電池正常浮充電電壓值和直流母線電壓為1.05Un來確定電池個數(shù),即：

 

2)、蓄電池均衡充電電壓應(yīng)根據(jù)蓄電池組的電池個數(shù)及直流母線允許的最高電壓值選擇。

 

專供動力負(fù)荷的蓄電池組,直流母線電壓不宜高于1.125Un。

 

專供控制負(fù)荷和供控制、動力負(fù)荷公用的蓄電池組, 直流母線電壓不宜高于1.10 Un，則均衡充電電壓應(yīng)滿足：

 

3)、蓄電池放電終止電壓的選擇

 

單體蓄電池放電終止電壓應(yīng)根據(jù)直流電源系統(tǒng)中直流負(fù)荷允許的最低電壓值和蓄電池的個數(shù)確定，但不得低于蓄電池規(guī)定的最低允許電壓值。

 

當(dāng)根據(jù)直流母線允許的最低電壓考慮時,需計及蓄電池組至直流母線間的電壓降, 而此段電纜或?qū)w長短不一, 因此電壓降大小不等, 為簡化計算, 改為蓄電池組出口端電壓允許的最低電壓, 以此來選擇蓄電池的放電終止電壓Ud 。

 

專供控制負(fù)荷和供控制、動力負(fù)荷公用的蓄電池組, 應(yīng)滿足

 

專供控制負(fù)荷的蓄電池組, 應(yīng)滿足

 

2. 2. 2 有端電池的直流系統(tǒng)

 

有端電池直流系統(tǒng)的接線方式,蓄電池組由 n個電池組成,其中包括 n。個基本電池和nd個端電池兩部分。蓄電池個數(shù)的確定方法如下:

 

1)、電池總個數(shù)。事故放電末期,全部電池均接入直流母線,故電池總個數(shù)為

 

 

2)、基本電池個數(shù)。充電末期,接入直流母線的電池稱為基本電池。其個數(shù)為

 

3)、端電池個數(shù)。充電末期不接入直流母線的蓄電池稱為端電池。其個數(shù)為

 

4)、浮充電池個數(shù),仍按下式確定。

 

端電池的設(shè)置取決于蓄電池的類型, 鉛酸蓄電池一般不設(shè)端電池, 因?yàn)橹灰O(shè)計中選取適當(dāng)?shù)碾姵貍€數(shù), 均衡充電時設(shè)定合適的電壓值, 運(yùn)行電壓不超過規(guī)定限值, 直流母線電壓就不會超過最高限值,事故放電末期也不會低于最低限值。當(dāng)然,如果只有1組蓄電池,又要進(jìn)行核對性放電,則只能采用1組臨時(移動式)備用蓄電池代替。有端電池的鉛酸蓄電池直流系統(tǒng), 由于接線、安裝以及電壓調(diào)整存在諸多不便, 目前已很少采用。

 

單體蓄電池均衡充電電壓應(yīng)根據(jù)直流系統(tǒng)中直流負(fù)荷允許的最高電壓值和蓄電池的個數(shù)來確定, 但不得超出產(chǎn)品規(guī)定的電壓允許范圍。 直流負(fù)荷允許的最高電壓各不相同, 一般應(yīng)取其中較低數(shù)值。

 

2.2.3、蓄電池數(shù)量的確定舉例

 

某110kV變電站，直流系統(tǒng)選用某型閥控式鉛酸蓄電池，已知單個電池放電終止電壓值為1.94V，控制母線電壓波動的允許值為：220V±5％，則所需要電池的個數(shù)為：n=0.95×220／1.94=108(個)

 

三、蓄電池組容量的計算

 

3.1、蓄電池容量選擇應(yīng)符合下列規(guī)定．

 

1）滿足全站事故全停電時間內(nèi)的放電容量；

 

2）滿足事故初期(1min）直流電動機(jī)啟動電流和其他沖擊負(fù)荷電流的放電容量；

 

3）滿足蓄電池組持續(xù)放電時間內(nèi)隨機(jī)沖擊負(fù)荷電流的放電容量。

 

3.2、蓄電池容量選擇的計算應(yīng)符合下列規(guī)定：

 

1）按事故放電時間分別統(tǒng)計事故放電電流，確定負(fù)荷曲線；

 

2）根據(jù)蓄電池型式、放電終止電壓和放電時間，確定相應(yīng)的容量換算系數(shù) ;

 

3）根據(jù)事故放電電流，按事故放電階段逐段進(jìn)行容量計算，當(dāng)有隨機(jī)負(fù)荷時，應(yīng)疊加在初期沖擊負(fù)荷或第一階段以外的計算容量最大的放電階段；

 

4）選取與計算容量最大值接近的蓄電池標(biāo)稱容量C10或C5作為蓄電池的選擇容量。

 

3.3、蓄電池容量計算的可靠系數(shù)

 

蓄電池容量是蓄電池性能的重要性能指標(biāo)之一，它表示在一定條件下（放電率、溫度、終止電壓等）電池放出的電量，即電池的容量，通常以安培、小時為單位（簡稱，以A.h表示）

 

在蓄電池的容量計算中,無論采用何種計算方法,都應(yīng)考慮適量的容量儲備,即選取合理的可靠系數(shù)?？煽肯禂?shù)應(yīng)考慮以下三個因素。

 

3.3.1溫度系數(shù)Kt

 

我國幅員遼闊,地域氣溫相差很大。蓄電池的額定容量是在給定終止放電電壓和環(huán)境溫度下的放電容量。隨著環(huán)境溫度的變化,電解液溫度改變,蓄電池的放電容量也將偏離額定值。通常情況下,制造廠家給定的額定容量對應(yīng)的基準(zhǔn)溫度為20℃或25℃。考慮到全浮充電運(yùn)行的蓄電池,電解液溫度不會低于室內(nèi)溫度,蓄電池室內(nèi)允許溫度一般取5~35℃。當(dāng)環(huán)境溫度高于基準(zhǔn)溫度時,蓄電池放出容量將大于額定容量;相反,當(dāng)環(huán)境溫度低于基準(zhǔn)溫度時,蓄電池放出容量將小于額定容量。一般情況下,鉛酸蓄電池每上升或下降1℃,其容量將增加或減少0. 5%~1.0%的額定容量。為保證足夠的容量,考慮可能的較不利的環(huán)境溫度, 即進(jìn)行溫度修正取溫度系數(shù) Kt=1.10。

 

3. 3. 2老化系數(shù) Ka

 

任何蓄電池, 在使用過程中, 初期容量略有上升, 之后要不斷下降, 直至下降到其額定容量的80%時, 認(rèn)為蓄電池壽命終止。 為延長蓄電池的運(yùn)行期限, 通常用老化系數(shù)來計及蓄電池的老化, 一般取老化系數(shù) Ka=1.10。

 

3.3.3裕度系數(shù)Ke

 

蓄電池充電-放電過程受多種因素影響, 計算時所依據(jù)的特性曲線和數(shù)據(jù), 也都存在一定誤差,同時也可能有一些不可預(yù)計的負(fù)荷。在容量計算中,以裕度系數(shù) Ke來計及這些因素,并取裕度系數(shù) Ke=1.15。

 

3. 3. 4可靠系數(shù) Krel

 

綜合上述三個因素,蓄電池容量計算的可靠系數(shù)為

 

Krel=Kt×Ka×Ke=1.10×1.10×1.15=1.39

 

取 Krel=1.40。

 

3.4、蓄電池容量計算方法

 

目前國內(nèi)常用的蓄電池容量計算方法有兩種: ①容量換算法 (也稱為電壓控制法) , 按事故狀態(tài)下直流負(fù)荷消耗的安時值計算容量,并按事故放電末期或其他不利條件下校驗(yàn)直流母線電壓水平;②電流換算法(也稱為階梯負(fù)荷法),按事故狀態(tài)下直流負(fù)荷電流和放電時間來計算容量。本文只介紹常用的容量換算法如下。

 

3.4. 1容量換算法

 

1）、按事故狀態(tài)下持續(xù)放電負(fù)荷計算蓄電池容量

 

蓄電池容量取決于事故放電容量、事故放電持續(xù)時間和限定的放電終止電壓, 而事故放電持續(xù)時間和限定的放電終止電壓決定了蓄電池的容量系數(shù)。 所以蓄電池的計算容量:

 

 

在上式中, Kcc為容量系數(shù)，對照蓄電池特性曲線可查得；當(dāng)事故負(fù)荷在放電期間恒定不變時,事故放電容量Cs由事故放電電流 Is(A)和事故放電時間 ts(h)的乘積決定,即下式（3-1）

 

當(dāng)事故負(fù)荷在放電期間變化時, 一般多為階梯形負(fù)荷曲線,當(dāng)不是階梯形時,也可近似地用階梯形代替。對于階梯形負(fù)荷, 可采用分段計算法計算。

 

 

 

對上圖所示的階梯負(fù)荷圖,有 n個時段m1、m2、…、 mi、…、 mn,劃分為n個計算分段t1、t2、…、ta、…、 tn。

 

任意一個時段 mi的放電容量為下式（3-2）

 

從放電開始,到包含時段 mi的任意分段ta結(jié)束, 總的負(fù)荷容量為下式（3-3）

 

在計算分段 ta內(nèi),所需要的蓄電池容量計算值為下式（3-4）

 

其中容量系數(shù) Kcca按計算分段的時間ta決定。

 

分別計算 n個分段的蓄電池計算容量, 然后按其中最大者選擇蓄電池, 則蓄電池容量為下式（3-5）

 

2）、放電電壓水平的校驗(yàn)

 

(1)持續(xù)放電電壓水平的校驗(yàn)。事故放電末期,電壓將降到最低,校驗(yàn)是否符合要求的方法如下。

 

事故放電期間蓄電池的放電系數(shù)為下式（3-6）

 

根據(jù)Kf值, 由蓄電池放電時間和電壓關(guān)系曲線或從蓄電池持續(xù)放電1h和0. 5h沖擊放電曲線中,對應(yīng) Kch=0值査出事故放電末期單體電池的電壓(Udf), 然后求得蓄電池組的端電壓下式（3-7）：

 

(2)沖擊放電電壓水平的校驗(yàn)。沖擊放電過程中,放電時間極短,放電電流較大。盡管消耗電量很少, 但對電壓影響很大。所以,在按持續(xù)放電算出蓄電池容量后,還應(yīng)校驗(yàn)事故放電初期、末期以及其他放電階段中, 在可能的大沖擊放電電流作用下蓄電池組的電壓水平。

 

a、事故放電初期,電壓水平的校驗(yàn)。事故放電初期的沖擊系數(shù)為下式（3-8）

 

根據(jù) Kch0的值, 由蓄電池沖擊放電曲線族中的“0”曲線査得單體電池的電壓值 Uch0, 即求得蓄電池組的端電壓下式（3-9）

 

 

b、事故放電過程中,包括事故放電末期隨機(jī)(5s)出現(xiàn)大沖擊電流時電壓水平的校驗(yàn)。 計算事故放電過程中出現(xiàn)大沖擊電流時放電系數(shù)和沖擊系數(shù)下式（3-10）

 

根據(jù)沖擊系數(shù)Kchf,査蓄電池沖擊放電曲線族中對應(yīng)于 Kf的曲線, 求得單體電池電壓 Uchf, 并由此求得蓄電池組的端電壓下式（3-11）

 

由式(3-7)、式(3-9)和式(3-11)求得的端電壓值應(yīng)不小于要求值。

 

一般情況下,事故放電初期(1min)和末期或末期隨機(jī)大電流放電階段(5s)的電壓水平,往往是整個事故放電過程的電壓控制點(diǎn)。并且分別由事故放電初期沖擊系數(shù)Kch0和最嚴(yán)重放電階段末期的沖擊系數(shù)Kchf決定。對給定的蓄電池,在限定的放電終止電壓下,蓄電池允許的沖擊電流是一定的,因而允許的Kch0或Kchf也是確定的。

 

（3）按電壓水平計算蓄電地容量

 

按電壓水平計算蓄電池容量,實(shí)際上是校驗(yàn)電壓水平的反算。

 

a、按持續(xù)放電末期電壓水平計算蓄電池容量。事故放電末期,蓄電池的終止電壓應(yīng)為下式（3-12）

 

 

設(shè)事故計算時間為ts,按Ud和ts值用容量系數(shù)曲線確定Kcc值。

 

蓄電池的計算容量Ce仍按式式(3-2)~式(3-4)計算。

 

在按持續(xù)放電確定蓄電池容量時,如果確定Kcc的放電終止電壓已滿足電壓水平要求,則在事故放電末期,蓄電池的電壓水平一定能満足要求,就不需要再進(jìn)行上述電壓水平的計算。

 

b、按沖擊放電電壓水平計算蓄電池容量。在沖擊放電電流lch作用下,蓄電池的端電壓應(yīng)為下式（3-13）

 

沖擊放電電流Ich所要求的蓄電池容量計算值為下式（3-14）

 

如果沖擊放電電流出現(xiàn)在放電初期,則Ich=Ich0,此時根據(jù)Uch、ts和Kf=0用曲線圖中的“0”曲線確定Kch=Kch0,進(jìn)而即可由式(3-14)算出滿足電壓水平要求的蓄電池容量。

 

3.4. 2、蓄電池容量選擇也可參考按《DL/T5044-2014 電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》中附錄 C“C. 2 蓄電池容量選擇”的方法計算。

 

3.4.3、應(yīng)用舉例

 

110kV變電站全站蓄電池容量考慮通信負(fù)荷。每組蓄電池組容量

 

選擇按2小時放電（對于地理位置偏遠(yuǎn)的變電站，也可按4小時放電）考慮，

 

具體工程應(yīng)根據(jù)變電站規(guī)模、直流負(fù)荷和直流系統(tǒng)運(yùn)行方式，對蓄電池個數(shù)、

 

容量以及充電裝置容量進(jìn)行計算確定。

 

若蓄電池容量及通信負(fù)荷按2小時事故放電時間計算。裝設(shè)1組閥控式密封鉛酸蓄電池,容量為200Ah。