110kV东庄变电站直流系统选择计算

刘 宁，李 博

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001）

0 引言

现今，电厂和变电站中的电力操作电源都采用的直流电源，它为直流负荷提供电源，是如今电力系统控制、保护的基础。直流负荷在110 kV及以下变电所中又可分为经常性负荷、事故（应急）负荷及冲击负荷三大类。

经常性负荷主要包括经常带电的继电器、信号灯、位置指示器及直流常明灯或其他常接入直流系统中的用电设备。事故（应急）负荷是变电所失去交流电源全所停电时，必须由直流电源供电的负荷，主要为应急照明负荷等。

由此可见，直流电源其工作的可靠性是十分重要的。要保证直流电源可靠安全、不间断地供电，直流电源中蓄电池的正确选择、系统的合理设计是关键。这其中，蓄电池的容量选择是极为重要的，蓄电池容量既要满足系统需求，也不能过于太大，造成浪费。不过在当前，电力工程的建设中，为了缩短工程建设周期，设计单位在变电站直流系统的设计过程中一般都直接套用典型设计或根据以往工程的设计经验选择。然后典型设计中的直流系统，一般采用固定的接线模式、充电模式和容量。这样的配置方法，大大缩减的了设计单位的设计时间，厂家也可以流水线生产。

然而，不同规模的变电站的设备数量，装机容量各不相同，当变电站的规模超出典型设计的容量，典型设计中的直流系统的套用，有可能导致故障过程中的容量不足，直流电压降低，一些设备将不能正常运行，当变电站的规模较小时，直流系统配置容量过高，造成了不必要的资源浪费。

因此，在设计中，需要根据工程实际情况对直流负荷进行统计及相应计算，选出经济合理的蓄电池容量。本文将以东庄变电站的设备情况进行负荷统计计算分析。

1 工程简介

东庄变电站为一座永临结合的变电站，施工期作为施工电源给各个施工点供电，工程建设完毕作为枢纽区的供电电源点。变电站装设2台25 MVA双绕组110/10 kV变压器，110 kV进线2回，110 kV母线单母线分段接线；10 kV母线也为单母分段接线，26回出线，2组无功补偿装置，2台站用变。110 kV设备采用GIS户内设备，10 kV设备采用KYN28-12型中置手车柜，柜内配置固封真空断路器，所有真空断路器均配弹簧操作机构。变电站采用微机自动化监控、保护系统等，另外还有低频低压减载装置、公用测控装置等一些装置。

2 统计直流负荷

蓄电池容量的统计按照变电站最终建成的规模计算。本变电站为无人值班少人值守，根据《DLT 5044-2014电力工程直流电源系统设计技术规程》中第4.2.2条，本变电站的全站交流电源事故停电时间宜按2 h计算。本站设置有通信电源的，不考虑通信负荷。

根据《输电线路保护装置通用技术条件》（GBT 15145-2017），第3.3功率损耗中，直流电源回路，当装置正常工作时，功耗不大于50 W，当动作时，功耗不大于80 W。查阅各厂家保护、测控装置等直流功耗大小不一，但都符合满足上述规范要求。本工程110kV线路光纤差动保护装置采用北京四方的产品，其余保护装置采用南瑞继保的产品。

为统计简单方便计算，将110 kV变压器、线路的保护测控装置正常工作时直流负荷按50 W计算；10 kV各测控保护装置正常工作时直流负荷按30 W考虑；其余自动安全装置按正常工作时30 W计算，各统计如下：

（1）保护装置：110 kV线路保护2个，110 kV母联保护测控装置1个；110 kV母线PT并列装置1个；110 kV主变保护8个，10 kV线路保护26个，10 kV母联保护1个，10 kV电容器进线保护2个，10 kV母线PT并列装置1个。

（2）测控装置：110 kV线路测控装置2个；110 kV主变测控装置2个；10 kV采用保护测控一体化装置，不再重复考虑。

（3）操作机构箱：110 kV进线箱2面，主变每台2面。

（4）公用装置：公用测控屏2面，故障录波屏1面，低周低压减载屏1面，调度数据网接入屏1面，计量1面。

（5）断路器跳合闸按550W计算。

经常负荷统计见表1。

表1 经常负荷统计 单位：W

根据直流设计规范，控制负荷和动力负荷合并供电的直流电源系统电压可采用220 V或110 V。本文将对220 V电压进行详细计算，110 V电压给出结果进行比较。直流负荷统计见表2。

表2 110 kV变电站（GIS）220 V直流负荷统计表

事故停电时间内，恢复供电的高压断路器合闸是指事故处理完毕，为恢复供电进行的操作，一般只考虑一台，故负荷系数取1.0。而且应按断路器合闸电流最大的一台统计。

3 蓄电池参数选择

直流系统的蓄电池按接线方式，可以分为无端电池和有端电池两种，这两种接线所要求的蓄电池放电电压和蓄电池的电池个数均不相同。端电池的设置取决于蓄电池的类型，铅酸蓄电池一般不设端电池，而对镉镍碱性蓄电池组，一般设置端电池并附设降压装置。

但镍碱性蓄电池为碱性蓄电池，有以下缺点：

（1）电压为1.2 V，构成直流系统时需要电池数量较多，维护相对复杂；

（2）由于直流系统所需要电池数量较多。放电特性陡、终止电压低，为了合理解决正常运行和事故放电运行的电压偏差，保证直流母线在规定允许范围之内，必须装设端电池或降压装置，因而造成系统接线复杂，安装维护和调试麻烦。

所以，碱性蓄电池已很少使用。目前，直流系统大量采用铅酸蓄电池，它具有可靠性高、容量大和能承受一定冲击负荷的特点，故现在变电站被广泛采用。铅酸蓄电池分为防酸式和阀控式两类。

防酸式使用历史较长，这种电池运行中可以加液，寿命较长，价格较低，但体积大，运行中产生氢气，产生酸雾，对环境、运维人员的身体健康都有影响，且污染较大。而阀控式密封铅酸电池具有放电性能好、技术指标先进、安装方便、安全可靠、维护简单和占地面积小等优点，现在在电力系统中广泛应用。

本文采用无端阀控式密封铅酸电池，单体蓄电池的浮充电电压为2.23 V。

3.1 蓄电池个数

根据《电力工程直流电源系统设计技术规程》（DLT 5044-2014）附录C1.1计算出蓄电池个数如下：

当浮充电压为2.23 V时，电池个数可取103或104。当取低值时，在正常浮充电运行情况下，直流母线电压较低，不会超过230 V，对设备的安全运行有好处，当取高值时，能更好的满足远端负荷的要求，现行规范推荐使用104个。

3.2 单体蓄电池均衡充电电压

根据附录C1.2，单体蓄电池均衡充电电压值符合第3小条，为控制负荷与动力负荷合并供电，单体蓄电池均衡充电电压值不大于：

3.3 事故放电电压

根据附录C1.3，应根据蓄电池个数及直流母线电压允许的最低值去选择单体蓄电池事故放电末期终止电压。

4 蓄电池容量计算

根据现有的规范及设计手册，蓄电池容量计算方式为：阶梯负荷计算法和简易计算法两种。阶梯负荷计算法也称电流换算法，按事故状态下直流负荷电流和放电时间来计算容量。简易计算法又称电压控制法、容量换算法。现对两种方法分别进行计算。

4.1 阶梯负荷计算法（电流换算法）

第一阶段计算容量：

第二阶段计算容量：

第三阶段计算容量：

第四阶段计算容量：

随机负荷容量：

蓄电池容量为：115.85+5.64=121.49Ah

选择蓄电池的标称容量为C10=150Ah

4.2 简易计算法（电压控制法）

4.2.1 蓄电池容量选择计算

持续放电容量应满足事故全停电状态：

Cc为蓄电池10 h放电率计算容量，选择蓄电池的标称容量为C10=150Ah。

Kcc查表B.8得0.688。

4.2.2 电压水平计算

a)事故放电初期（1 min）承受冲击放电电流时，蓄电池所能保持的电压水平为：

根据Kcho值，由冲击曲线中的“0”曲线，查表B.3得出单体电池电压值Ud=1.94 V，则：

UD=nUd=104×1.94=201.76 V,则为标称电压的91.7%。

b)任意事故放电阶段末期，承受冲击放电电流时，蓄电池所能保持的电压在所选蓄电池相应的冲击曲线中，根据Km.x值找出相应的曲线，对应的Kchm.x值，查出单体电池电压值Ud（当事故放电阶段为0.5 h或2 h时，可将上述计算值分别乘以0.85或1.25后，仍从后面的1 h冲击放电曲线查出单体电池电压Ud）。

（任意事故放电阶段的10 h放电率电流倍数）

（Xh事故放电末期冲击系数）

查表得出单体电池电压值Ud=1.88，则：

UD=nUd=104×1.88=195.52 V,则为标称电压的88.9%。

4.3 蓄电池容量计算

蓄电池容量计算结果见表3。

表3 蓄电池容量计算表 单位：Ah

5 结语

由计算结果可知，两种算法的计算结果有一定的差距，其计算容量差额不大于一级，简易计算法计算结果小于阶梯负荷法，这主要是由于放电负荷变化较大或有大的冲击负荷。当蓄电池放电过程中负荷较为平衡，没有大的冲击负荷时，两种算法的计算结果大致一致。并且从上面的蓄电池容量计算表可以对比得出，同样的直流负荷，110 V蓄电池比220 V约增加1倍。在现在的电气设计中，设计人员一般都套用典设或者以往的经验，大多设计采用220 V电压的直流系统，这样的好处是电缆截面积可以选择相对小的，节约投资方便了施工。但也存在如：绝缘电阻要求水平高；蓄电池个数多、占地面积大；系统中大量采用中间继电器由于其线圈导线线径小，易发生断线事故等问题。110 V系统则相对好些，但是当控制信号等直流负荷供电距离较长或负荷较大时，其电缆截面积又增大很多。所以对直流系统而言，应进行技术经济比较，以确定合理的电压等级。