基于IEEE标准的某国外项目牵引变电所镍镉电池容量计算研究

2023-11-29曹毅峰

高速铁路技术 2023年5期

曹毅峰文菓

（中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

近年来，高速铁路作为最闪亮的国家名片取得了飞速发展［1］。国外电气化铁路工程中，牵引变电所作为铁路供电系统中的核心设施，不仅担负着向电气化铁路各种负荷供电的任务，往往也是当地重要的电力设施。

牵引变电所直流系统是牵引变电所的重要部分，它为一次设备控制、开关分合闸、保护、信号、自动装置、通讯、事故照明等负荷提供工作电源。在所用交流电中断供电的情况下，由后备电源装置——蓄电池继续提供直流电源，以保证对一次设备的可靠操作。因此，蓄电池的正确选型是直流系统设计的核心，对工程设计人员提出了较高的要求。

国外项目的牵引变电所功能、规模、设备配置等与国内存在较大的差异，故所内直流系统蓄电池的选型计算也有不同的要求，直接套用国内的常规设计方法往往不能满足要求。蓄电池选取需按照IEEE、EN、IEC 等国际规范标准的要求，结合牵引变电所的工况及当地运维习惯，确定最终的技术方案。

本文结合牵引变电所直流电源蓄电池设计的基本原则，对国内、外的牵引变电所蓄电池设计要点及影响因素进行对照分析，叙述了基于IEEE-1115 规范的蓄电池容量计算方法、步骤及相关数据的确定原则，旨在为未来国外电气化铁路工程项目提供参考。

1 国内外项目牵引变电所的差异

从功能而言，国内的电气化铁路牵引变电所均从电网引入2 路独立的电源，经过降压后向铁路用户提供电源［2］。其中，多数为将三相的110 kV、220 kV、330 kV降压为单相27.5 kV 向牵引负荷（主要是牵引网，供电对象是电力机车）提供电源，如图1所示。部分牵引变电所与电力配电所合建，将三相的110 kV、220 kV，330 kV 降压为三相10 kV 或35 kV 向铁路沿线非牵引负荷供电（主要包括沿线车站等设施的动力照明负荷，及通信、信号、信息等设备用电负荷）。

图1 国内牵引变电所功能示意图

与国内牵引变电所被视为电网的终端不同，国外项目中牵引变电所通常是电网的重要组成部分，一旦牵引变电所退出运行，电网结构将发生重大变化。故在国外项目中，牵引变电所在电网的地位和重要性明显高于国内，电力部门对其的建设、运行、管理、维护的关注度也相应提高，其运维管理工作也由铁路运营部门与电力系统运营部门共同完成。因此，国外项目中，设计牵引变电所时应考虑铁路或电力的设计规范和运维管理办法［3］。

以某国外项目的220 kV 牵引变电所为例，该牵引变电所采用220 kV 电压等级进线，同时为铁路提供27.5 kV 电源（牵引负荷）和20 kV 电源（非牵引负荷）。牵引变电所采用4 路220 kV 进线接入电网，其中2 路接入地方电网变电站，另外2 路与相邻的牵引变电所相连。所内220 kV 采用双母线分段接线，220 kV 母线存在穿越功率。所内设置4 台220 kV 变压器，其中2 台为220／27.5 kV 牵引变压器，另外2 台为220／20 kV 电力变压器。主接线图如图2所示。

图2 国外典型牵引变电所主接线图（220 kV 侧）

所内包括电力、铁路2 个部门的运营维护人员，其中电力部门负责高压侧（即与电网相关的220 kV 部分设备设施）的运营维护；铁路部门负责低压侧（即直接向铁路负荷供电的27.5 kV 和20 kV 设备设施）的运营维护。可以看出，相对国内同类工程，此工程中牵引变电所具有规模较大、设备数量较多、运行方式复杂、运营维护困难的特点。相比于国内牵引变电所，国外工程中电力部门在牵引变电所的设计、运维等工作中的介入更多、更深入。国内外牵引变电所特点对照如表1所示。

表1 国内外牵引变电所特点对照表

2 牵引变电所蓄电池的选型

2.1 直流系统蓄电池的分类及特点

蓄电池是直流电源常用的电能来源，它是一种将化学能直接转化为电能的装置，使用过程中需经历充放电的过程。按照国内规范，变电站工程中常用蓄电池主要有铅酸蓄电池及镍镉蓄电池两类［4］。两种电池的技术性能对照如表2所示。

表2 镍镉电池及阀控式铅酸电池技术性能对照表

相较于铅酸电池，镍镉电池具有以下优势：电池能量高；放电安全，无需超容量设计；力学性能好；低温性能良好；内阻低，允许大电流输出；允许快速充电；放电过程中电压稳定且易于维护。镍镉电池主要缺点在于其价格比铅酸电池高，电池效率低。此外，镍镉电池的运维要求相对较高，需要定期进行补液，且镉有剧毒，使用后需回收；电池还需进行完全放电，否则会出现“记忆效应”。

此外，近年来发展出的蓄电池还包括硅能电池、燃料电池、锂电池、钠离子电池等，但由于技术和经济等原因，它们尚未在牵引变电站工程中得到广泛应用。

2.2 牵引变电所蓄电池的选型原则和设计思路

国内牵引变电所早期同时使用了镍镉电池和铅酸蓄电池，但近年来经过多方面的技术经济综合对比，行业内已普遍使用阀控式密封铅酸蓄电池［5］。一个重要的原因是铅酸蓄电池成本较低，运维简单，然而其寿命相对较短。

国外项目中蓄电池的选型思路有很大不同。镍镉电池的使用寿命通常可以达到10年以上，且较为结实耐用，具有明显的经济优势。因此，国外变电站工程通常更倾向于选择镍镉型蓄电池，并有完整的设计和运维规范参照执行，因此设计人员掌握镍镉电池的容量计算方法具有十分重要的意义。

3 国外工程牵引变电所蓄电池计算实例

目前，镍镉电池容量的计算通常要求按照美标IEEE-1115 Std-2015 执行，即镍镉蓄电池的计算选择，主要包括负荷统计、电池选择及电池容量计算。该标准对镍铬电池的容量计算全过程进行了系统而详细的论述，不仅做了定义和理论推导，还提供了实用算例以供参考，在国外工程中有较高的认可度。

以此国外项目牵引变电所实际数据为例，进行直流系统镍镉蓄电池容量的计算。该牵引变电所采用DC220 V 直流系统，为220 kV、27.5 kV 及20 kV 设备提供直流电源，要求停电时间为10 h。

3.1 负荷统计

在直流电源容量计算时，通常需先进行直流负荷统计。直流负荷一般分为连续负荷、间歇负荷（间断性负荷）及随机负荷［6-8］。以此牵引变电所实际数据为例，分别统计各部分负荷。

（1）连续负荷

牵引变电所的连续负荷包括所内控制、信号、保护、监控系统的负荷，如表3所示。

表3 牵引变电所连续负荷统计表

牵引变电所内设置有两套综自系统，并分别配置了UPS 设备，负荷应单独统计。220 kV GIS 本地控制柜每个间隔1 面，单面负荷为100 W，共计15 个间隔；27.5 kV 开关柜单柜负荷为32 W，共计32 台；20 kV开关柜单柜负荷为25 W，共计18 台。

（2）间歇负荷

直流间歇负荷，主要是各部分断路器的分闸线圈、合闸线圈及充电电机负荷。所内断路器的各部分负荷统计如表4所示。

表4 牵引变电所间歇负荷统计表

上述负荷表根据供货商提供的数据进行统计计算，其中220 kV GIS 断路器采用双分闸绕组，每个分闸绕组负荷为1 584 W。

有了以上直流连续负荷和间歇负荷的数据，就可以进行初步的直流电池容量需求汇总。

3.2 蓄电池各阶段容量需求的计算汇总

在变电所直流系统失电后，整个蓄电池放电需经历所内断路器分闸-合闸-分闸的过程，分、合闸之间需有一次断路器储能线圈充电。结合本牵引变电所的运行情况，可以分为以下几个阶段，各阶段单台断路器负荷电流如表5所示。

（1）阶段1：根据前文提到的牵引变电所主接线及运行方式，考虑一次最严重的故障，即所内220 kV 母线上发生故障，此时5 个220 kV GIS 间隔断路器同时分闸，负荷电流为5 台断路器分闸电流的总和，动作时间取分闸完成的时间，可取0.1 s。此时负荷电流Ⅰ1=28.800×5=144.000 A，动作时间：0.1 s。

（2）阶段2：断路器分闸完成后，各储能电机同时开始储能，负荷电流取5 台断路器储能电流的总和，动作时间为储能过程完成的时间，按供货商提供数据，取15 s。此时负荷电流Ⅰ 2=16.364×5=81.818 A，动作时间：15 s。

（3）阶段3：分闸后的断路器合闸，过程是依次合闸，负荷电流为单台断路器的合闸电流，动作时间为5 台断路器依次合闸的总和，断路器合闸时间0.1 s。此时负荷电流Ⅰ3=13.200×1=13.200 A，动作时间：0.5 s。

（4）阶段4：断路器合闸完成后，各储能电机同时开始储能，负荷电流取5 台断路器储能电流的总和，动作时间为储能过程完成的时间，按供货商提供数据，取15 s。此时负荷电流Ⅰ 4=16.364×5=81.818 A，动作时间：15 s。

（5）阶段5：连续负荷；负荷时间考虑牵引变电所的停电时间，国内规范一般取2 h，当地电网规范要求取10 h。负荷电流Ⅰ5=89.464 A。

（6）阶段6：再考虑一次牵引变压器故障分闸，此时所内1 台220 kV GIS 断路器分闸，2 台27.5 kV GIS断路器同时分闸，负荷电流为各断路器分闸电流的总和，动作时间取分闸完成的时间，可取0.1 s。此时负荷电流Ⅰ6=28.800×1+2.682×2=34.164 A，动作时间：0.1 s。

最后得到初步的直流电池容量需求，591.217 Ah。按照当地电网设计经验，设备均考虑了10%的裕量，连续负荷的同时系数取0.6（此系数与DL／T 5044 中要求相同）。

另外，可考虑一次牵引变压器分闸后的恢复供电作为随机负荷，负荷电流取1 台220 kV GIS 断路器和2 台27.5 kV GIS 断路器的合闸负荷之和，即17.51 A，负荷持续时间取10 s。

3.3 重要系数的取值

按照IEEE-1115 标准要求，在最终计算电池容量前，需确定一些重要的参数，包括温度下降系数、设计裕度系数、老化系数及容量额定系数。

（1）温度下降系数

电池的可用容量受其工作温度的影响。电池容量的标准温度为25 ℃。然而，在本项目中，最低预期电解液温度为0 ℃（32 F）。电池容量温度曲线如图3所示。

（2）设计裕度系数和老化系数

设计裕度的计算方法是在单元尺寸上乘以一个百分比因子。在本项目中，预计负荷增长20%，设计裕度系数可取1.2。

电池容量的损失率取决于工作温度、电解液比重、放电深度和频率等因素，因此应根据所需的使用寿命选择老化系数。在本项目中，电池的尺寸能够承载负载，直到其容量降低到额定容量的80%，因此老化系数可取1.25。

（3）容量额定系数

容量额定系数是计算过程中的一个关键参数。因此，在进行最终的电池容量计算前，需先进行一项重要系数的计算。直流电源电池容量系数根据式（1）进行计算：

式中：Kt——容量额定系数；

t——各阶段放电时间（min）。

根据表3，把充放电过程的各个阶段划分成4 个时间段即可完成计算。其中不满1 s 按1 s 计，每个时间段的负荷取各阶段的最大安培+直流连续负荷，统计结果为：

第一时间段：阶段1 +阶段2

M1=0.1 s+15 s=16 s=0.27 min；

A1=158.040 A+59.046 A=217.446 A。

第二时间段：阶段3 +阶段4，

M2=0.5 s+15 s=16 s=0.27 min；

A2=90.000 A+59.046 A=149.046 A。

第三时间段：阶段5

M3=36 000 s-16 s-16 s-1 s=35 967 s=599.45 min；

A3=59.046 A。

第四时间段：阶段6

M4=0.1 s ≈1 s=0.02 min；

A4=37.580 A+59.046 A=96.626 A。

根据初步计算结果，直流容量需求为591.217 Ah，因此初步选择600 Ah 电池的参数进行计算。电池参照图和各阶段计算值如图4、表6所示。

表6 各阶段Kt 计算表

图4 电池参数图

由表6 可知，无论是Kt系数计算公式的表现形式，还是其计算结果，Kt系数都表示了实际放电时间与额定整数时间对应的容量折算关系，是最终精确计算电池容量所必备的换算系数。

3.4 IEEE-1115标准计算表格编制及结果

IEEE-1115 标准计算表格（表A.3）所要求的计算数据已全部得到，接着代入本变电所数据，结果如表7所示。

表7 蓄电池容量计算结果表

根据表7 的数据，蓄电池最终计算容量= 设计裕度系数×老化系数×（最大时间段计算负荷+随机负荷），即：Se=1.2×1.25×（649.6+12.8）=993.7 Ah。按照蓄电池产品额定容量的标准值，最终选择1 100 Ah 的蓄电池。

4 总结及与国内规范的对比分析

国外工程的牵引变电所由于本身规模较大、所内设备较多，故统计出来的直流负荷较大，加之停电时间要求长达10 h（国内规范要求2 h），因此计算出的蓄电池容量远超国内的牵引变电所（国内牵引变电所一般不会超过200 Ah）。

由前文的计算过程可知，IEEE-1115 中要求的电池容量计算方法的本质是容量换算，这是一种基于现有电池额定参数精确换算到实际使用情况的计算方式。特别明显的是引入的温度下降系数和容量额定系数，是蓄电池容量在不同使用环境和不同放电时间要求下的具体体现，因此此种计算方式较为严谨。

国内采用的蓄电池容量计算方法一般是DL／T 5044-2014，计算方法是简化计算法和阶梯计算法。这两种方法是根据不同的蓄电池型式、终止电压和放电时间，在此标准附录中查找容量换算系数，然后分阶段计算容量，再将计算确定后的容量考虑裕度系数、老化系数和温度修正系数后得到最终结果。从基本原理而言，IEEE 标准和DL 标准的计算思路是一致的，而2 个标准给出的容量换算系数存在一定差异［8］。将本文提到的典型牵引变电所的数据代入计算后发现，计算结果差别在10%左右。

很多工程项目及设计人员在计算蓄电池容量时，习惯于仅把所有的直流用电量简单相加汇总。这种方法是不严谨的，易导致所选择的电池容量偏小，主要是因为没有考虑电池在实际工作情况下的放电过程。由于蓄电池容量将直接决定直流系统的很多关键参数（如充电电流、开关容量等），如电池容量选择不当将严重影响直流系统的整体设计质量。