電廠蓄電池安裝的設計優化分析

劉 愉，付勝明

（中南電力設計院發電工程公司電氣室，湖北 武漢 430071）

0 引 言

發電廠中，為供給控制、信號、保護、自動裝置、事故照明、直流油泵以及交流不停電電源裝置等的用電，要求有可靠的直流電源[1]。為此，發電廠通常采用蓄電池做直流備用電源。

國內傳統的發電廠直流電壓大多數為220 V，近年由于國外技術及設備的引進，較多工程也同時采用110 V和220 V兩種電壓的直流系統。工業用蓄電池有鉛酸蓄電池、鎘鎳堿性蓄電池等種類，而考慮到運行維護、放電特性、環境影響等方面因素的比較，近期的發電廠蓄電池常采用閥控式密封鉛酸蓄電池。

在電廠設計中，通常在集控樓或主廠房等建筑0 m層設置專用蓄電池室，有網控單元的發電廠還需在網控樓0 m層設置蓄電池室。為便于安裝、維護，電廠蓄電池多采用疊放的方式進行安裝。

蓄電池的安裝方式通常較為簡單、明了，然而，蓄電池的布設、連接方式直接影響工程施工、系統性能，關乎線纜壓降、材料選型等諸多方面。因此，針對不同的工程，有必要尋求更優化的設計方案。

1 對常規蓄電池布置方案的分析與改進

1.1 常規蓄電池布置方案及分析

電廠設計中，設計者通常綜合考慮直流屏柜所在方位以及蓄電池房間面積，以此決定蓄電池的布設位置。圖1和圖2是兩種常規的蓄電池布置方式。

為滿足蓄電池系統壓降的要求，蓄電池室通常設置在直流配電室附近。若直流配電室在0 m層（與蓄電池室同層），蓄電池出線電纜則需通過埋管敷設至直流配電室連接屏柜；若直流配電室設置在蓄電池室上層，出線電纜則需向上垂直敷設。工程中通常以降低線路壓降為前提，結合兩個設備房間的相對位置來確定蓄電池的布置方位。同時，考慮到布設方式的美觀以及足夠的維護空間，設計者習慣將蓄電池盡可能地居中布置在蓄電池室中。圖3與圖4是兩種常見的蓄電池安裝方式。

由圖可看出，蓄電池出線穿過地下埋管，沿墻向上或水平穿入電纜溝，與另一端的直流屏柜相連。事實上，這種安裝方式存在一定弊端，分析如下。

（1）蓄電池出線電纜通常選用銅導體，為控制直流系統的壓降，電纜必須具備足夠的截面積。對于該類電纜，其材料、截面等因素決定了它們具有較強的硬度。以圖3中的安裝方式為例，電纜在連接至直流配電室過程中需要經過多個PVC保護管彎道，截面較大的電纜要穿過多個彎道，在施工上存在一定的難度。

圖1 蓄電池典型布置1

圖2 蓄電池典型布置2

圖3 蓄電池安裝示意圖1

圖4 蓄電池安裝示意圖2

（2）蓄電池出線端離房間墻面存在一定的距離，這就造成了連接電纜長度的增加，為了滿足電纜壓降的要求，某些情況下不得不選用更大截面的電纜。同時，工程上要求PVC管轉彎半徑r（見圖3）不小于電纜截面直徑的10倍，對于圖3安裝方式，這就必須要求蓄電池出線端到墻面具有足夠的間距（圖3中“間距A”），才能提供充足的PVC管布設空間，這就同時增長了電纜長度。

（3）地下埋管敷設需要一定的土建工程量，而在蓄電池室中設置埋管，則要求做好防腐防酸措施，這對土建施工提出了更高的要求。

1.2 對常規布置方案的優化

針對上述提出的蓄電池常規布置方案的弊端，現提出改進方案，并進行比較分析。

在圖3的情況中，在維持足夠的設備旁走道寬度條件下，可將蓄電池出線端靠墻布置，出線電纜直接沿墻穿至上層設備間，如圖5所示。

圖5中的安裝方式，有效避免了電纜過多的轉彎走線，且減少了0 m層的埋管施工；同時，電纜長度的縮短有助于降低電纜壓降，甚至可以選擇更小截面的電纜。下面結合工程實例進行計算與驗證。

圖5 蓄電池優化安裝示意圖1

依據DL/T 5044—2014《電力工程直流電源系統設計技術規程》（以下簡稱“直流規程”）[2]，附錄E電纜截面選擇的計算方法，可知電纜截面應按電纜長期允許載流量和回路允許電壓降兩個條件選擇，并按照如下公式計算：

其中，Ipc為電纜允許載流量（A）；Ica1為回路長期工作計算電流（A）；Scac為電纜計算截面（mm2）；ρ為電阻系數，銅導體ρ=0.018 4 Ω·mm2/m，鋁導體ρ=0.031 Ω·mm2/m；L為電纜長度（m）；Ica為允許電壓降計算電流（A）；ΔUp為回路允許電壓降（V）。

以具體工程為例，分別按照傳統安裝方式和改進的安裝方式進行電纜截面計算，其中Ica分別由各工程負荷計算及廠家資料求得，方法見直流規程第E.1.3條；電纜選擇銅芯導體材料；ΔUp的選取依據直流規程第E.2條，取ΔUp=1%Un（Un為直流電源系統標稱電壓）。計算得到的結果見表1，其中下標“1”的量為傳統安裝方式得到的結果，下標“2”的量為改進安裝方式得到的結果。

表1 直流計算對比表

由式（2）知，對于某一個蓄電池電源系統，縮短電纜長度L能相應地減小計算電纜截面，上述直流計算表中的S1、S2也驗證了這個規律。進一步地，在保持相同水平的電纜壓降條件下，蓄電池出線電纜可選更小截面積的型號（見表1中A1、A2），節省了工程成本。

綜合上述分析，在工程中將蓄電池出線端靠墻安裝，相比常規安裝方式，降低了工程施工難度，并在保證蓄電池供電質量的條件下，縮短了電纜長度，減小了電纜可選截面積，節省了工程成本。同時，這種靠墻安裝的緊湊式布置方式，使蓄電池室面積分配更有彈性，在建筑層面有助于設備房間的靈活設置。

2 對廠家蓄電池方案的分析與改進

在火力發電廠工程中，各電壓等級蓄電池普遍采用臥式安裝的方式進行連接，為節省占用面積，其電池架也多采用雙層結構（雙層雙列架或雙層單列架）。而對于220 V蓄電池，由于其電池數量多，對于蓄電池室長度不足的情況，為縮短單組蓄電池的長度，廠家常提供兩組相同的110 V蓄電池組進行并列串聯安裝。在具體工程中，這些墨守成規的蓄電池連接方式往往存在其缺點，這里將結合具體案例進行分析。

2.1 單組蓄電池雙電池架安裝方式的改進

對于220 V的蓄電池組，蓄電池廠家常采用兩組110 V蓄電池串聯的方式進行安裝。而廠家在設計蓄電池連接方案時往往存在一個共同點：正負極的出線通常出自一個電池架，工程設計方通常默認采取了廠家的連接方式，圖6、圖7是常見的220 V雙層雙列電池架安裝方式。

經過分析可知，這類連接方式存在一定的弊端，分析結果羅列如下。

（1）在電氣上對蓄電池放電性能存在負面影響。由圖6中可以看出，兩電池架間需要來回兩組電纜進行電池串聯；并且由規程DL/T 5044—2014第7.1.7條可知，為預留一定的設備維護空間，電池架間的距離需保持在1 m以上（見圖7）。因此，這種蓄電池的連接方式就在電池組內部增加了兩組電纜，電纜連接跨度在1 m以上，這在電氣上就增大了蓄電池組的“內阻”，對蓄電池的放電特性有負面影響。

（2）埋管數量較多，施工難度大。上述連接方式中，由于電池架間需要兩組電纜串聯，而一組電纜通常又由多根電纜組成，這就造成了多根埋管需要預埋的局面，圖8表示這種連接情況的側視圖，該圖的情況中每組電纜由3根φ50的電纜組成，架間埋管達到7根。由此可見，該連接方式需要較多的埋管，且埋管深度較大。

表1 （續） 直流計算對比表

圖6 220 V蓄電池典型連接電路

圖7 220 V蓄電池典型連接方式

圖8 220 V蓄電池典型連接方式埋管側視圖

為克服上述工程弊端，可對蓄電池連接方式進行優化，盡量減少電池架間的連接電纜數量。圖9是另外一種兩架串聯組成220 V蓄電池的連接方式。

圖9中的蓄電池連接方式中，正、負極出線分別從兩臺電池架引出，這種連接方式帶來的好處是電池架間的串聯電纜由原來的兩組減少到一組。這樣一來，蓄電池的內部連接電纜較原方案縮短一半，這在電氣上大大降低了電池組內部壓降，相對優化了蓄電池放電性能；也在土建施工上降低了施工難度，且節省了一定的材料。圖10為改進的220V蓄電池連接方式埋管側視圖。

圖9 改進的220V蓄電池連接電路

圖10 改進的220V蓄電池連接方式埋管側視圖

2.2 靈活對待廠家電池架尺寸

在項目初步設計階段，設計者會在所選設備的規格與設備房間布局之間進行協調，配合建筑專業設計恰當的設備房間布局以方便設備的布置。但由于初步設計所能達到的深度有限，無法做到事無巨細，在具體施工圖設計中，或多或少會遇到一些問題。

對于蓄電池的布置，在既定的設備房間中，有時難以做到既有均勻的設備布置格局，又有較優的設備出線方式。這里以一具體案例分析遇到該情況的解決思路。

圖11 蓄電池布置案例圖1

圖12 調整后蓄電池布置案例圖1

圖11表示一種蓄電池布置方案，參照廠家蓄電池架尺寸以及房間建筑面積，這種布置方式顯得較為合理，但該布置方式的缺點在于左側110 V蓄電池的出線設置。由于直流配電室在蓄電池室右側，因此左側110 V蓄電池出線需往對側迂回布設，大大增大了電纜長度，不利于電纜選型與材料節省。

此時，若靈活對待廠家方案，調整220 V蓄電池架的組合形式，便可得到圖12的布置方式。該布設方式在有限的建筑空間下，通過調整廠家蓄電池架尺寸，既做到了空間布設的合理性，也使電纜出線得到了優化。

3 結 論

本文提出了電廠蓄電池安裝布置的幾種優化方案。通過分析與比較，從蓄電池布置方式、廠家電池架設計等角度尋求方案的優化。這些案例，說明了工程設計在遵循一般規律與方案時，更應抓住問題的本質，敢于突破常規，以靈活、開放的思路解讀各方面因素，讓設計作品趨于最優。