变配电所直流屏容量计算实例

1、蓄电池

1.1 蓄电池定义及选型

1.1.1 蓄电池（组）

能将化学能和直流电能相互转换， 而且放电后经过充电能恢复使用的装置叫蓄电池； 用导线两个或多个单体蓄电池用作能源的设备称作蓄电池组。

1.1.2 蓄电池的选型

常用的蓄电池包括镉镍蓄电池和铅酸蓄电池两类， 其中铅酸蓄电池又分为防酸式铅酸蓄电池和阀控式密封铅酸蓄电池两种。

a. 镉镍蓄电池：正极活性物质主要由镍制成， 负极活性物质主要由镉制成的一种碱性蓄电池。

b. 防酸式铅酸蓄电池：蓄电池槽与蓄电池盖之间密封， 使蓄电池内产生的气体只能从防酸栓排出，电极主要由铅制成，电解液是硫酸溶液的一种蓄电池。

c. 阀控式密封铅酸蓄电池：蓄电池正常使用时保持气密和液密状态， 当内部气压超过预订值时，安全阀自动开启，释放气体，当内部气压降低后安全阀自动闭合， 同时防止外部空气进入蓄电池内部，使其密封。蓄电池在使用寿命期限内无需补加电解液。目前市政工程35kV、10 kV 变配电所（站）中常用阀控式密封铅酸蓄电池和镉镍蓄电池。

1.2.蓄电池的运行及维护

在直流电源系统中， 保证用电设备不间断供电的核心部件是蓄电池， 因此对蓄电池组的监测和维护尤其重要。其中主要包括：监控电池的充电电压和充电电流， 实现各种充电状态之间的自动切换； 进行充电电压的温度补偿，确保电池工作状态最佳；电池定期维护保养，确保电池容量和寿命。

1.2.1 运行过程管理

监控系统根据设置的充电参数， 控制充电模块自动完成电池充电程序， 充电参数应根据阀控式密封铅酸蓄电池的容量以及厂家提供的资料设置。

★阀控式密封铅酸蓄电池运行示波图如1-2-1 所示，充电程序如下：

a. 阀控式密封铅酸蓄电池正常充电程序。用0.1C10A（可设置）恒流充电，电压达到整定值（2.30-2.40）V×n（n 为单体电池所含电池单元的数目）时，微机控制充电浮充电装置自动转为恒压充电，当充电电流逐渐减小，达到0.01C10A（可设置）时，微机开始计时，3 小时（可设置）后，微机控制充电浮充装置自动转为浮充电状态运行，电压为（2.23-2.28）V×n。

b.长期浮充充电程序。正常运行浮充状态下每隔1-3 个月, 微机控制充电浮充电装置自动转入恒流充电状态运行， 按阀控式密封铅酸蓄电池正常充电程序进行充电。

c.交流电中断程序。正常浮充电运行状态时，电网事故停电，这时充电浮充电装置停止工作，蓄电池通过降压硅链，无间断地向二次控制母线送电。当电池电压低于设置的告警限时系统监控模块发出声光告警。

d. 交流电源恢复程序。交流电源恢复送电运行时， 微机控制充电装置自动进入恒流充电状态运行， 按阀控式密封铅酸蓄电池正常充电程序进行充电。

★ 镉镍蓄电池的运行示波图如图1-2-2 所示，充电程序如下：

a. 镉镍蓄电池正常充电程序。用0.2C5A（可设置） 恒流充电， 电压达到均充整定值（1.47-1.55）V×n（n 为单体电池所含电池单元的数目）时，微机控制充电浮充电装置自动转为恒压充电， 当充电电流逐渐减小， 达到0.02C5A（可设置）时，微机开始计时，3 小时（可设置）后，充电浮充装置自动转为浮充电

运行状态，电压为（1.36-1.45）V×n（可设置）。

b. 长期浮充充电程序。正常运行浮充状态下每隔1-3 个月， 微机控制充电浮充电装置自动转入恒流充电状态运行， 按镉镍蓄电池正常充电程序进行充电。

c. 交流电中断程序。正常浮充电运行状态时，电网事故停电，这时充电浮充电装置停止工作，蓄电池通过降压硅链，无间断地向控制母线送电。当电池电压低于设置的告警限时系统监控模块发出声光告警。

d. 交流电源恢复程序。交流电源恢复送电运行时， 微机控制充电装置自动进入恒流充电状态运行， 按镉镍蓄电池正常充电程序进行充电。

1.2.2 充电电压温度补偿

阀控式密封铅酸蓄电池在不同的温度下需对蓄电池充电电压做相应的调整才能保障电池处于最佳状态， 通常通过电池管理系统监测环境温度， 自动调整电池充电电压。

1.2.3电池定期维护保养

电池长期不用或长期处于浮充状态， 电池极板的活性物质很易硫化， 当活性物质越来越少时，电池的放电能力也越来越差，直至放不出电。此外，由于电池之间的离散性，单体电池之间的实际电压不尽相同， 电池标称的浮充电压只是一种均值， 所选定的浮充电压并不能满足每一节电池的要求， 如果电池长期

处于浮充状态，其结果必定是，部分电池的电量能保证充满， 而有一部分电池是无法充满的。没充满的电池表现出来的电压是虚的，需要放电时，其放电能力很差。因此，直流电源充电系统需具备定期对电池作维护性的均充活化功能，以免电池硫化、虚充，确保电池的放电能力和使用寿命。

1.3.铅酸蓄电池与镉镍蓄电池的比较

镉镍蓄电池具有放电倍率高， 放电容量随放电电流的增加下降较缓，使用寿命较长，低温特性好等优点， 但也存在自放电容量损失较大，价格较高，维护工作量较大等缺点。阀控式铅酸蓄电池具有自放电容量损失较小，维护工作量较少，价格相对较低、无污染等优点， 但也存在放电容量随放电电流的增加下降较陡，低温特性较差等缺点。综上所述， 并考虑到目前变配电所中一般均采用弹簧操作机构， 容量较以前采用电磁操作机构小很多， 可有效的避免阀控式铅酸蓄电池放电容量随放电电流的增加下降较陡的缺点，故目前大多数的变配电所采用阀控式铅酸蓄电池。

2 、直流负荷分类

2.1 按功能分类

2.1.1 控制负荷： 电气和热工的控制、信号、测量和继电保护、自动装置等负荷。

2.1.2 动力负荷：各类直流电动机、断路器电磁操动的合闸机构、交流不停电电源装置、远动、通信装置的电源和事故照明等负荷。

2.2 按性质分类

2.2.1 经常负荷：要求直流系统在正常和事故工况下均应可靠供电的负荷。

2.2.2 事故负荷：要求直流系统在交流电源系统事故停电时间内可靠供电的负荷。

2.2.3 冲击负荷：在短时间内施加的较大负荷电流。冲击负荷出现在事故初期（1min）称初期冲击负荷， 出现在事故末期或事故过程中称随机负荷（5s）。

3、直流负荷统计

下面以某40万吨规模水厂为例分析统计。

该工程总变配电所为35kV /10 kV 变配电所，均采用3AH5 断路器，主要设备如下：

35kV 变配电系统配电柜共13 台， 其中断路器柜6 台；10kV 变配电系统配电柜共25台，其中断路器柜22 台（包括10 台电动机柜和12 台其它断路器柜，电动机柜停电后均要求跳闸， 再来电时单台起动）；35kV /10 kV配电系统的综合保护器分散在各开关柜上安装，未设单独保护屏，各开关柜内的柜内加热器、柜内照明灯均采用交流小母线供电，交流不停电电源装置由自控专业单独供电， 应急照明由相关灯具自带蓄电池。直流负荷仅为弹簧操作机构、分合闸线圈、综合保护器、继电器、温湿度控制器、信号灯及线路损耗等。该变配电所为有人值班变电所， 交流停电时间按1h 计算。

直流负荷统计表：

注：表中电动机开关柜断路器仅10 台。

4、蓄电池个数及容量选择计算

4.1 蓄电池个数

本工程也按2V 电池设计，直流系统中控制负荷和动力负荷采用合并方式供电。

a.蓄电池个数的选择

按浮充电运行时， 直流母线电压为.05Un 选择蓄电池个数：

n =1.05Un/ Uf =1.05x220V/2.25V =102.7

（取103 只）采用阀控式铅酸蓄电池。

b.蓄电池均衡充电电压选择。根据蓄电池个数及直流母线电压允许的最高值选择单体蓄电池均衡充电电压值。

Uc ≤1.10Un/ n =1.10x220V/103 =2.35V（取2.3V）。

c.蓄电池放电终止电压选择。根据蓄电池个数及直流母线电压允许的最低值选择单体蓄电池事故放电末期终止电压。

Um≥0.875Un/n=0.875x220V/103=1.87V（取1.9V）。

公式中：Un―直流系统标称电压，V;

Uf―单体蓄电池浮冲电压，V;

Uc―单体蓄电池均衡充电电压，V;

Um― 单体蓄电池放电末期终止电压，V;

n―蓄电池个数。

4.2 蓄电池容量选择计算

采用电压控制法：容量选择计算，应满足事故全停电状态下的持续放电容量：CC = Kk*Cs.x/ Kcc，Cs.x ＝IS* tS ＝2280/220*1=10.4Ah，Kcc 对应池事故

放电末期终止电压1.9V，查相关阀控式铅酸蓄电池的容量选择选择系数表得：0.571。

公式中：

CC― 蓄电池10h 放电率计算容量，Ah;

Cs.x―事故全停电状态下相对应的持续放电时间的放电容量;

Kk―可靠系数，取1.40;

Kcc―容量系数，在指定的放电终止电压下，对应事故放电时间xh。

故：CC = Kk * Cs.x/ Kcc ＝1.40*10.4/0.571＝25.5 Ah， 选择接近的蓄电池标称容量C10 取值为30 Ah。

4.3 电压水平计算

a、事故放电初期（1min）承受冲击放电电流时，蓄电池所能保持的电压：

Kcho = Kk * Icho / I10

Icho=（1200w+900w+2280w）/220V=19.9A

Kcho =1.1*19.9A/3A=7.3

根据Kcho 值，由图4.3 曲线查出单体电池电压值Ud 为1.87V。则UD =n*Ud =

103*1.87V=192.6V。即为标称电压的87.55％，满足要求。

b、1h 事故放电阶段末期，承受随机（5S）冲击放电电流时，蓄电池所能保持的电压：

Km.x =（ Kk * Cs.x） /（ t*I10） =（1.1*10.4Ah）/（1h*3）=3.81

Kchm.x = Kk * Ichm / I10=1.1*0.68A/3=0.25

由持续放电1.0h 后冲击放电曲线（见图4.3）， 根据Km.x 值找出对应的曲线， 对应Kchm.x 值查出单体电池电压值Ud=1.94V，

则：

UD=nUd=103*1.94V=199.82V。即为标称电压的90.8％，满足要求。

c、1h 事故放电阶段末期， 蓄电池所能保持的电压：

Km.x =（ Kk * Cs.x） /（ t*I10）=（1.1*10.4Ah）/（1h*3）=3.81。

由持续放电1.0h 后冲击放电曲线（见图4.3）， 根据Km.x 值找出对应的曲线， 对应Kchm.x=0 值查出单体电池电压值Ud=1.95V，

则：

UD=nUd=103*1.95V=200.85V。即为标称电压的91％，满足要求。公式中：

C10―蓄电池10h 放电率标称容量，Ah；

Cs.x―xh 事故放电容量，Ah；

Icho―事故放电初期（1min）冲击放电电流值，A；

Ichm―事故放电阶段末期随机（5S）冲击放电电流值，A；

I10―10h 放电率电流，A；

Kcho―事故放电初期（1min）冲击系数；

Kchm.x―xh 事故放电末期冲击系数；

Km.x―任意事故放电阶段的10h 放电率电流倍数；

Kk―可靠系数，取1.10；

Ud―单体电池电压值，V；

UD―蓄电池组出口端电压值，V；

n―蓄电池组的单体电池个数；

t―事故放电时间，h。

4.4 结论

通过计算表明， 根据本工程直流负荷情况，选择30Ah 蓄电池组，无论在事故放电初期承受冲击放电电流，还是在1h 事故放电阶段末期承受随机（5S）冲击放电电流，以及在1h 事故放电阶段末期蓄电池所能保持的电压等方面进线效验，均能满足系统的要求。