10 kV煉油工藝裝置變電所直流蓄電池容量的選擇

武 潔，張 建，喬靖杰，接 瑜，陶 駿

(1.中國石油工程建設公司華東設計分公司，山東青島266071;2.中國石化洛陽石油化工工程公司，河南洛陽471002;3.中國石油工程建設公司，北京100011)

0 引言

煉油工藝裝置的生產過程連續性強，生產裝置處于爆炸火災危險環境，一旦中斷供電需較長時間恢復生產，并可能引起爆炸、火災、人身傷亡和設備損壞等重大事故，所以中、高壓系統的操作電源多采用直流操作電源。而在以往的直流系統的設計中，主要根據經驗來選擇蓄電池容量，但隨著變電所自動化技術的發展，變電所的直流負荷也在變化，其蓄電池容量的大小直接影響著整個工藝裝置用電的可靠性。因此很有必要根據變電所的實際情況對直流負荷進行分析，選擇合適容量的蓄電池，以保證系統的正常運行。

1 分段統計直流負荷

以10 kV變電所典型設計為例進行直流負荷統計。該變電所10 kV引入方式為單母線分段接線，所內共50臺10 kV高壓柜:2臺進線柜、1臺分段柜、1臺隔離柜、2臺PT柜、44臺電動機變壓器饋出柜。10 kV線路采用真空斷路器保護，所有斷路器均配彈簧操作機構。二次設備采用變電所自動化系統，所有元件配置微機保護、測控裝置等，10 kV分段斷路器設置無擾動自動切換裝置，另外還配置了小電流接地選線裝置、消諧裝置等一些安全自動裝置及公用裝置。

1.1 直流設備消耗量統計

隨著電氣科技日新月異的發展，二次保護中配置了越來越多先進的保護設備，這些直流負荷的增加對直流系統的影響已經不容忽視。并且，不同的項目采用的電氣設備也不盡相同，直流消耗量也不同，比如，筆者通過比較ABB、西門子和施耐德三家的真空斷路器發現，為了保證每臺ABB真空斷路器VD4正常工作，還需要額外給真空斷路器欠電壓脫扣器和真空斷路器合閘閉鎖電磁鐵持續供電，這些都是其他真空斷路器里沒有的直流負荷。所以對于不同的項目有必要按照不同的直流設備核算蓄電池的容量，各主要直流設備容量見表1。

1.2 各種高壓柜直流負荷統計

根據IEEEStd485-1997將事故1小時分為三個階段:事故放電初期、事故過程中和事故放電末期。事故放電初期是指事故發生的第1分鐘內，事故放電末期是指事故發生的第60分鐘內，而事故過程中指的是事故初期和事故末期之間的58分鐘。

下面針對這三個階段分別統計進線柜、分段柜、PT柜、隔離柜、電動機饋出柜、變壓器饋出柜的連續負荷和沖擊負荷，采用這種統計方法更便于計算各種規模的10 kV變電所的直流負荷。

表1 直流設備容量

1.2.1 各種高壓柜直流連續負荷統計

根據各類柜的配置統計出貫穿整個事故周期的直流連續負荷。這類負荷通常包括直流負荷:真空斷路器欠電壓脫扣器、真空斷路器合閘閉鎖電磁鐵、綜合保護裝置電源、智能操控裝置、智能型萬能表電源、6 kV接地開關電磁鎖、中間繼電器、指示燈、消弧線圈自動調諧裝置、PT并列裝置等。經過計算，事故初期、事故持續期和事故末期的連續負荷均為4 038 W。值得注意的是，在煉油工藝裝置正常工況下，不是所有的電動機和變壓器都投入運行，所以此處直流連續負荷按照60%的饋出回路運行考慮。

1.2.2 各種高壓柜直流沖擊負荷統計

針對事故初期、事故末期每臺高壓柜可能出現的沖擊負荷分別進行統計。

事故初期:2臺進線柜真空斷路器欠電壓脫扣器動作和60%的饋出柜真空斷路器欠電壓脫扣器動作，合計:5 680 W;

事故末期:2臺進線柜真空斷路器合閘線圈動作，2臺進線柜真空斷路器儲能電機充電，合計:1 400 W。

1.3 事故停電期間該變電所所有直流負荷統計

表2為蓄電池放電期間的直流負荷統計。

表2 蓄電池放電期間直流容量及電流

1.4 隨機負荷的統計

在計算蓄電池容量時，為了模擬更加苛刻的情況，通常會假設在事故期間出現隨機負荷，這可能是不連續或者瞬時的負荷，并將隨機負荷疊加到事故過程中需要消耗蓄電池容量最大的階段。此處，隨機負荷按照一個真空斷路器先合閘隨后又立刻跳閘考慮，IR=4.09(A)。直流負荷統計結果見表3。

表3 直流負荷統計結果

2 蓄電池容量的計算

本文采用IEEEstd485-1997中的階梯負荷法來計算閥控式密封鉛酸蓄電池的容量。該算法是在保證蓄電池終止電壓不低于最低允許電壓的前提下來計算蓄電池容量的。首先按事故放電時間分別統計事故放電電流，計算其中容量最大者。當有隨機負荷時，疊加在第一階段以外的計算容量最大的放電階段，然后與第一階段選擇計算容量比較后取其大者。根據統計出的各階段事故放電電流，填入IEEEstd485提供的標準電池容量計算表格，可快捷地計算出需要的電池容量。

2.1 蓄電池數量的確定

2.1.1 基礎參數

以陽光牌鉛酸蓄電池A400系列為例:單個電池額定電壓U=2.0 V，額定容量Cn=C10，額定放電電流In=I10，浮充電壓 Uf=2.27 ±1%V/cell，均衡充電電壓 UC=2.40 V/cell，額定溫度 TN=20℃。

2.1.2 蓄電池數量的計算

根據IEEEStd485-1997的方法計算蓄電池的數量，按均衡充電時的直流母線電壓來校驗蓄電池組的電池個數，直流母線電壓不宜高于1.10 Un。

電池數量n=系統最高電壓/均衡充電電壓=1.1×220/2.40=100.8

則蓄電池組電池個數為101個。

2.1.3 單個電池終止電壓的計算

單個電池的終止電壓US=蓄電池組母線最低電壓/蓄電池的數量

蓄電池組母線的最低電壓為當直流系統電壓最低時，計及線路壓降，蓄電池組母線上的電壓

則蓄電池組單個電池的終止電壓根據陽光牌蓄電池A400的標準電壓取1.85 V。

2.2 蓄電池容量的計算

根據IEEEStd485-1997應用階梯負荷法進行蓄電池容量計算。

將各階段直流負荷填入IEEEstd485提供的標準電池容量計算表格，如圖1。

其中，容量系數、溫度系數是按照陽光蓄電池A400系列在額定溫度為20℃，環境溫度為25℃下的參數選取的，設計裕量系數和老化系數均是采用IEEEStd485推薦值。

階梯負荷法是以事故放電電流為基礎計算的，因此在確定容量換算系數時，已給出符合要求的放電終止電壓，所以不必進行電壓水平校驗。

經計算表明，蓄電池在事故全停電狀態下持續放電容量為55.41 Ah，該容量不但能滿足事故放電初期承受沖擊放電電流的需求，還能滿足在1 h事故放電階段末期承受隨機沖擊放電電流以及在1 h事故放電階段末期蓄電池能保持電壓的要求。同時，參照陽光牌蓄電池A400系列的規格，閥控式鉛酸蓄電池標稱容量選65 Ah。

3 結束語

本文在詳盡地分析、統計直流負荷的基礎上，采用階梯負荷法對典型的10 kV煉油裝置變配電所的蓄電池組個數和容量進行了計算，經過實踐的考核，與傳統的電壓控制法相比較，采用階梯負荷法計算蓄電池容量更加簡單、快捷，非常適合目前煉油裝置變配電所，對直流系統設備的選擇也具有重要的指導意義。

圖1 IEEEStd485提供的標準電壓電池容量計算