高海拔變電站蓄電池及UPS容量選擇及修正

龍 軍, 周婉亞, 唐 俊

(西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

0 引 言

阿里與藏中聯(lián)網(wǎng)工程某500 kV變電站位于西藏日喀則地區(qū)，海拔4100 m，多年平均氣溫2 ℃，年最低氣溫的多年平均值為-26.3 ℃。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，變電站直流電源系統(tǒng)設(shè)置了兩組220 V閥控式密封鉛酸蓄電池和3套高頻開(kāi)關(guān)電源模塊型充電裝置，不間斷電源系統(tǒng)(uninterruptible power supply,UPS)按2套冗余配置。

高海拔地區(qū)溫度與氣壓低，變電站站用蓄電池組及UPS設(shè)備工作環(huán)境較低海拔地區(qū)有所不同，設(shè)備性能會(huì)受到一定影響。為滿足高海拔地區(qū)變電站站用直流電源的用電要求，有必要對(duì)蓄電池組及UPS容量選擇進(jìn)行修正計(jì)算。

1 蓄電池容量選擇修正

閥控式密封鉛酸蓄電池有效放電容量與溫度相關(guān)，在低溫條件下，蓄電池中電解液的物理及化學(xué)活性降低，導(dǎo)致放電時(shí)化學(xué)能與電能間的轉(zhuǎn)換效率下降，有效放電容量降低[1]。因此，高海拔嚴(yán)寒地區(qū)蓄電池容量選擇時(shí)需要考慮溫度的影響，根據(jù)需要修正蓄電池容量。

根據(jù)DL/T 5044—2014《電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》[2](下面簡(jiǎn)稱“直流技規(guī)”)第8.2.1條，蓄電池室內(nèi)溫度宜為15～30 ℃，并在附錄C.2中提出當(dāng)蓄電池的環(huán)境溫度低于此值時(shí)，應(yīng)考慮調(diào)整蓄電池溫度修正系數(shù)。直流技規(guī)規(guī)定，蓄電池容量選擇計(jì)算中可靠系數(shù)由裕度系數(shù)、老化系數(shù)及溫度修正系數(shù)的乘積確定，一般情況可靠系數(shù)=裕度系數(shù)×老化系數(shù)×溫度修正系數(shù)=1.15×1.10×1.10≈1.4 ，即規(guī)程在蓄電池容量選擇計(jì)算公式中已考慮了一定的溫度修正系數(shù)且取值1.10。根據(jù)GB/T 19638.1—2014《固定型閥控式鉛酸蓄電池 第1部分：技術(shù)條件》[3]第6.17.5條，當(dāng)放電期間蓄電池平均表面溫度不是基準(zhǔn)25 ℃時(shí)，蓄電池溫度修正系數(shù)Kt表達(dá)式見(jiàn)式(1)。

(1)

式中:λ為溫度系數(shù)，變電站蓄電池容量按10 h放電率標(biāo)稱容量C10計(jì)算時(shí)，λ取0.006；t為放電過(guò)程蓄電池平均表面溫度，根據(jù)直流技規(guī)推薦的溫度修正系數(shù)Kt=1.10，可反推出t取值約為10 ℃，即選取10 ℃作為蓄電池室可能出現(xiàn)的最低溫度來(lái)考慮，適用于絕大部分工程的實(shí)際情況。

由于該500 kV變電站在海拔4100 m左右，處于高海拔嚴(yán)寒地區(qū)，為提高直流電源系統(tǒng)的可靠性，宜根據(jù)蓄電池室可能出現(xiàn)的極端低溫情況，調(diào)整蓄電池容量選擇計(jì)算時(shí)的溫度修正系數(shù)。

該工程蓄電池室建筑節(jié)能設(shè)計(jì)按嚴(yán)寒(C)區(qū)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，室內(nèi)供暖采用對(duì)流式電暖器供暖，設(shè)計(jì)溫度值為20 ℃。在冬季如發(fā)生蓄電池室電暖器故障，由于站址偏遠(yuǎn)且遠(yuǎn)期無(wú)人值班，如處理不及時(shí)可能出現(xiàn)蓄電池室較長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法采暖的極端情況。文獻(xiàn)[4]中，在嚴(yán)寒冬季對(duì)長(zhǎng)春市某采用低溫電熱膜輻射供熱系統(tǒng)取暖的7層節(jié)能住宅斷電后的室內(nèi)溫度變化進(jìn)行了實(shí)測(cè)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，采用低溫電熱膜輻射供熱系統(tǒng)的房間在斷電后，夜晚室內(nèi)溫度會(huì)較快下降，而到了白天由于太陽(yáng)輻射的作用室內(nèi)房間溫度又會(huì)緩慢上升，但整體溫度會(huì)逐步降低。斷電3天后，各房間室內(nèi)溫度均從斷電前的20 ℃左右下降至12 ℃左右。所述工程蓄電池室為單層單體建筑且采用對(duì)流式電暖器供暖，建筑物蓄熱能力相對(duì)較差，在無(wú)供暖期間蓄電池室溫度降低速度勢(shì)必較快，蓄電池室可能出現(xiàn)的極端最低溫度主要與運(yùn)行人員處置時(shí)間緊密相關(guān)。為確保可靠，該站t按-10 ℃選取，此時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度修正系數(shù)為

(2)

因此，可靠系數(shù)=裕度系數(shù)×老化系數(shù)×溫度修正系數(shù)=1.15×1.10×1.27 ≈1.61。

該站直流負(fù)荷統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 變電站直流負(fù)荷統(tǒng)計(jì) 單位：A

蓄電池組采用閥控式密封鉛酸蓄電池，依據(jù)直流技規(guī)蓄電池容量選擇計(jì)算如下：

蓄電池個(gè)數(shù)為

式中：Un為直流系統(tǒng)標(biāo)稱電壓，取220 V；Uf為單體蓄電池浮充電壓，取2.23 V。

單體蓄電池事故放電末期終止電壓為

根據(jù)蓄電池容量階梯計(jì)算法，蓄電池各階段的計(jì)算容量公式為

(In-In-1)]

其中：

事故初期負(fù)荷計(jì)算容量為

事故持續(xù)期負(fù)荷計(jì)算容為

隨機(jī)負(fù)荷計(jì)算容為

式中：Kk為可靠系數(shù)，取1.61;I1～I(xiàn)n為各階段放電電流；可靠系數(shù)Kc1～Kcn為蓄電池放電終止電壓1.87 V對(duì)應(yīng)的各階段容量換算系數(shù)，按直流技規(guī)表C.3-3選取。

由于事故持續(xù)期計(jì)算容量最大，蓄電池計(jì)算容量為C=Cc2+Cr=758.1+5.1=763.2 Ah,可選擇容量為800 Ah的閥控式密封鉛酸蓄電池。

2 直流充電裝置額定電流選擇修正

隨著海拔升高空氣密度及壓力降低，以空氣對(duì)流傳導(dǎo)散熱的直流充電裝置散熱效率將下降，使得設(shè)備溫度升高，進(jìn)而影響產(chǎn)品和設(shè)備的額定輸出[5]，因此高海拔地區(qū)的直流充電裝置額定電流選擇計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮一定的修正系數(shù)。

目前，國(guó)內(nèi)電力行業(yè)常用的設(shè)計(jì)類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于高海拔對(duì)直流充電裝置容量的影響未做規(guī)定，直流充電裝置主流設(shè)備廠家對(duì)于高海拔容量修正研究也較為有限，建議工程設(shè)計(jì)時(shí)可依據(jù)GB/T 32593—2016《軌道交通 地面裝置 變電所用電力電子變流器》(等同于IEC 62590—2010)[6]的相關(guān)要求執(zhí)行。該標(biāo)準(zhǔn)第5.2.2.4條提出“電力電子變流器僅用空氣作為冷卻媒質(zhì)或熱轉(zhuǎn)移媒質(zhì)時(shí)，正常海拔不超過(guò)1000 m。對(duì)于工作海拔超出1000 m但檢驗(yàn)海拔為正常海拔的變流器，工作海拔每超出正常海拔100 m，自然冷卻的變流器在電流能力檢驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上降低1%使用，強(qiáng)迫冷卻的變流器在電流能力檢驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上降低1.5%使用”，所述變電站直流充電裝置采用智能風(fēng)扇冷卻，屬于強(qiáng)迫冷卻方式，按上述要求充電裝置額定電流修正系數(shù)KI可按式(3)計(jì)算。

KI=(1-1.5%)(H-1000)/100=0.626

(3)

式中,H為充電裝置工作海拔，為4100 m。

按直流技規(guī)要求，充電裝置額定電流應(yīng)按以下3個(gè)狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算選擇。

1)浮充電：Ir=(0.01I10+Ijc)/KI≈128.9 A

(4)

2)初充電:Ir=(1.0I10～1.25I10)/KI

≈127.8～159.7 A

(5)

3)均衡充電：Ir=(1.0I10～1.25I10+Ijc)/KI

≈255.4～287.4 A

(6)

式中：Ir為充電裝置輸出電流，A；I10為蓄電池10小時(shí)放電率電流，800 Ah蓄電池I10=0.1C10=80 A；Ijc為經(jīng)常負(fù)荷電流，根據(jù)表1取79.9 A；

綜上，充電裝置額定電流按滿足均衡充電的要求可取值280 A。因此該站單只充電模塊額定電流選用40 A，全站共設(shè)置3套額定電流為7×40 A高頻開(kāi)關(guān)充電裝置，其中1套公用；由于設(shè)有公用充電裝置，充電模塊不再冗余配置。

3 UPS容量計(jì)算及修正

以往工程中UPS電源容量計(jì)算一般采取簡(jiǎn)單的負(fù)荷容量累加，并考慮一定的裕度后進(jìn)行容量選擇。DL/T 5491—2014《電力工程交流不間斷電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》[7]發(fā)布后，對(duì)UPS負(fù)荷計(jì)算和容量選擇給出了計(jì)算公式，并明確了UPS容量選擇的高海拔降容系數(shù)。

根據(jù)DL/T 5491—2014附錄C.1和C.2的計(jì)算公式，該站UPS負(fù)荷統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

根據(jù)表2可得出：

表2 變電站UPS負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

UPS計(jì)算負(fù)荷總有功功率為

Pc=∑KSicosφi=8.0 kW

(7)

UPS計(jì)算負(fù)荷總無(wú)功功率為

(8)

UPS總計(jì)算負(fù)荷為

(9)

負(fù)荷綜合功率因數(shù)為

(10)

UPS最終計(jì)算容量為

(11)

式中：Kf為功率校正系數(shù)，根據(jù)負(fù)荷綜合功率因數(shù)0.92和參考文獻(xiàn)[7]附表C.2-1取0.87；Kk為可靠系數(shù)，取1.25；Kd為海拔降容系數(shù)，按站址海拔高度4100 m和參考文獻(xiàn)[7]附表C.2-2可取0.73。

根據(jù)UPS計(jì)算容量，該變電站單套UPS額定容量可選擇為20 kVA。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于高海拔地區(qū)的變電站，在站用蓄電池組容量選擇計(jì)算時(shí)，宜結(jié)合變電站站址情況考慮蓄電池放電過(guò)程中蓄電池室可能出現(xiàn)的極端低溫，所述變電站極端低溫按-10 ℃選取，并據(jù)此提高了溫度修正系數(shù)和蓄電池計(jì)算容量；在直流充電裝置額定電流計(jì)算時(shí)，宜按GB/T 32593—2016相關(guān)要求進(jìn)行高海拔降容修正，即工作海拔超出1000 m，每超出100 m充電裝置額定電流應(yīng)按降低1.5%使用；在UPS容量選擇計(jì)算時(shí)，應(yīng)按DL/T 5491—2014附表C.2-2選擇對(duì)應(yīng)的海拔降容系數(shù)來(lái)修正計(jì)算容量。