10 kV炼油工艺装置变电所直流蓄电池容量的选择

2014-05-11乔靖杰

通信电源技术 2014年3期

武洁，张建，乔靖杰，接瑜，陶骏

(1.中国石油工程建设公司华东设计分公司，山东青岛266071;2.中国石化洛阳石油化工工程公司，河南洛阳471002;3.中国石油工程建设公司，北京100011)

0 引言

炼油工艺装置的生产过程连续性强，生产装置处于爆炸火灾危险环境，一旦中断供电需较长时间恢复生产，并可能引起爆炸、火灾、人身伤亡和设备损坏等重大事故，所以中、高压系统的操作电源多采用直流操作电源。而在以往的直流系统的设计中，主要根据经验来选择蓄电池容量，但随着变电所自动化技术的发展，变电所的直流负荷也在变化，其蓄电池容量的大小直接影响着整个工艺装置用电的可靠性。因此很有必要根据变电所的实际情况对直流负荷进行分析，选择合适容量的蓄电池，以保证系统的正常运行。

1 分段统计直流负荷

以10 kV变电所典型设计为例进行直流负荷统计。该变电所10 kV引入方式为单母线分段接线，所内共50台10 kV高压柜:2台进线柜、1台分段柜、1台隔离柜、2台PT柜、44台电动机变压器馈出柜。10 kV线路采用真空断路器保护，所有断路器均配弹簧操作机构。二次设备采用变电所自动化系统，所有元件配置微机保护、测控装置等，10 kV分段断路器设置无扰动自动切换装置，另外还配置了小电流接地选线装置、消谐装置等一些安全自动装置及公用装置。

1.1 直流设备消耗量统计

随着电气科技日新月异的发展，二次保护中配置了越来越多先进的保护设备，这些直流负荷的增加对直流系统的影响已经不容忽视。并且，不同的项目采用的电气设备也不尽相同，直流消耗量也不同，比如，笔者通过比较ABB、西门子和施耐德三家的真空断路器发现，为了保证每台ABB真空断路器VD4正常工作，还需要额外给真空断路器欠电压脱扣器和真空断路器合闸闭锁电磁铁持续供电，这些都是其他真空断路器里没有的直流负荷。所以对于不同的项目有必要按照不同的直流设备核算蓄电池的容量，各主要直流设备容量见表1。

1.2 各种高压柜直流负荷统计

根据IEEEStd485-1997将事故1小时分为三个阶段:事故放电初期、事故过程中和事故放电末期。事故放电初期是指事故发生的第1分钟内，事故放电末期是指事故发生的第60分钟内，而事故过程中指的是事故初期和事故末期之间的58分钟。

下面针对这三个阶段分别统计进线柜、分段柜、PT柜、隔离柜、电动机馈出柜、变压器馈出柜的连续负荷和冲击负荷，采用这种统计方法更便于计算各种规模的10 kV变电所的直流负荷。

表1 直流设备容量

1.2.1 各种高压柜直流连续负荷统计

根据各类柜的配置统计出贯穿整个事故周期的直流连续负荷。这类负荷通常包括直流负荷:真空断路器欠电压脱扣器、真空断路器合闸闭锁电磁铁、综合保护装置电源、智能操控装置、智能型万能表电源、6 kV接地开关电磁锁、中间继电器、指示灯、消弧线圈自动调谐装置、PT并列装置等。经过计算，事故初期、事故持续期和事故末期的连续负荷均为4 038 W。值得注意的是，在炼油工艺装置正常工况下，不是所有的电动机和变压器都投入运行，所以此处直流连续负荷按照60%的馈出回路运行考虑。

1.2.2 各种高压柜直流冲击负荷统计

针对事故初期、事故末期每台高压柜可能出现的冲击负荷分别进行统计。

事故初期:2台进线柜真空断路器欠电压脱扣器动作和60%的馈出柜真空断路器欠电压脱扣器动作，合计:5 680 W;

事故末期:2台进线柜真空断路器合闸线圈动作，2台进线柜真空断路器储能电机充电，合计:1 400 W。

1.3 事故停电期间该变电所所有直流负荷统计

表2为蓄电池放电期间的直流负荷统计。

表2 蓄电池放电期间直流容量及电流

1.4 随机负荷的统计

在计算蓄电池容量时，为了模拟更加苛刻的情况，通常会假设在事故期间出现随机负荷，这可能是不连续或者瞬时的负荷，并将随机负荷叠加到事故过程中需要消耗蓄电池容量最大的阶段。此处，随机负荷按照一个真空断路器先合闸随后又立刻跳闸考虑，IR=4.09(A)。直流负荷统计结果见表3。

表3 直流负荷统计结果

2 蓄电池容量的计算

本文采用IEEEstd485-1997中的阶梯负荷法来计算阀控式密封铅酸蓄电池的容量。该算法是在保证蓄电池终止电压不低于最低允许电压的前提下来计算蓄电池容量的。首先按事故放电时间分别统计事故放电电流，计算其中容量最大者。当有随机负荷时，叠加在第一阶段以外的计算容量最大的放电阶段，然后与第一阶段选择计算容量比较后取其大者。根据统计出的各阶段事故放电电流，填入IEEEstd485提供的标准电池容量计算表格，可快捷地计算出需要的电池容量。

2.1 蓄电池数量的确定

2.1.1 基础参数

以阳光牌铅酸蓄电池A400系列为例:单个电池额定电压U=2.0 V，额定容量Cn=C10，额定放电电流In=I10，浮充电压 Uf=2.27 ±1%V/cell，均衡充电电压 UC=2.40 V/cell，额定温度 TN=20℃。

2.1.2 蓄电池数量的计算

根据IEEEStd485-1997的方法计算蓄电池的数量，按均衡充电时的直流母线电压来校验蓄电池组的电池个数，直流母线电压不宜高于1.10 Un。

电池数量n=系统最高电压/均衡充电电压=1.1×220/2.40=100.8

则蓄电池组电池个数为101个。

2.1.3 单个电池终止电压的计算

单个电池的终止电压US=蓄电池组母线最低电压/蓄电池的数量

蓄电池组母线的最低电压为当直流系统电压最低时，计及线路压降，蓄电池组母线上的电压

则蓄电池组单个电池的终止电压根据阳光牌蓄电池A400的标准电压取1.85 V。

2.2 蓄电池容量的计算

根据IEEEStd485-1997应用阶梯负荷法进行蓄电池容量计算。

将各阶段直流负荷填入IEEEstd485提供的标准电池容量计算表格，如图1。

其中，容量系数、温度系数是按照阳光蓄电池A400系列在额定温度为20℃，环境温度为25℃下的参数选取的，设计裕量系数和老化系数均是采用IEEEStd485推荐值。

阶梯负荷法是以事故放电电流为基础计算的，因此在确定容量换算系数时，已给出符合要求的放电终止电压，所以不必进行电压水平校验。

经计算表明，蓄电池在事故全停电状态下持续放电容量为55.41 Ah，该容量不但能满足事故放电初期承受冲击放电电流的需求，还能满足在1 h事故放电阶段末期承受随机冲击放电电流以及在1 h事故放电阶段末期蓄电池能保持电压的要求。同时，参照阳光牌蓄电池A400系列的规格，阀控式铅酸蓄电池标称容量选65 Ah。