高家塔三級泵站直流電源系統(tǒng)負荷統(tǒng)計及容量計算

高 璐，王含羽，解 辰

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001）

0 引 言

水利工程設備的安全可靠運行關系著國家發(fā)展和人民群眾的生產(chǎn)、生活。安全可靠的直流電源系統(tǒng)能夠為泵站正常運行時的二次保護裝置提供穩(wěn)定的工作電源，并且在交流電源出現(xiàn)故障時為保護裝置提供不間斷的應急電源，從而確保水利工程安全運行。當前，設計直流電源系統(tǒng)多是參考典型設計和以往的泵站設計經(jīng)驗，會導致實際工程中可能出現(xiàn)在事故狀態(tài)下直流蓄電池容量不足或者過高的情況。規(guī)模較小時，直流系統(tǒng)配置過高，會導致資源浪費。從泵站工程實際情況出發(fā)，統(tǒng)計直流電源系統(tǒng)的負荷，計算系統(tǒng)容量。

1 工程概況

榆林黃河東線馬鎮(zhèn)引水工程總體規(guī)模年引水量2.9 億m3，供水對象主要為窟野河河谷區(qū)、榆神工業(yè)園區(qū)（含錦界）、榆林城區(qū)周邊各園區(qū)。工程從黃河右岸馬鎮(zhèn)葛富村取水，設計引水流量27.0 m3·s-1，線路總長101.93 km。引水線路總干線分為入庫線路、黃石溝水庫和出庫線路3 部分，其中出庫線路設置三級供水提升泵站，即高家塔三級泵站、燕梁灣四級泵站和清水溝五級泵站[1]。

高家塔三級站共安裝5 臺10 kV/1 120 kW、2 臺10 kV/800 kW 異步電動機。電源采用35 kV 兩回供電，一回引自110 kV 沙峁變35 kV 母線，一回引自神木取水泵站，安裝2 臺6 300 kVA 變壓器。電動機母線采用單母線分段接線，正常運行時分段斷路器處于斷開狀態(tài)。10 kV 兩段母線分別設一臺160 kVA 站用變。三級站設置7 臺10 kV 變頻器，與電機采用一對一接線。

2 直流電源系統(tǒng)

此次高家塔三級泵站直流電源系統(tǒng)蓄電池采用閥控式鉛酸免維護蓄電池。直流電源系統(tǒng)由交流配電單元、智能高頻開關充電模塊、蓄電池組、饋電單元、絕緣故障監(jiān)測裝置以及智能監(jiān)控單元等組成。所有設備分別安裝在直流屏內(nèi)。

由站內(nèi)交流屏引入兩路三相交流380 V進線電源，兩路進線電源互為備用，并設置進線電源自動投切裝置。正常供電時，充電單元對蓄電池組進行充電或浮充電，同時為全站的經(jīng)常性直流負荷提供電源，由蓄電池向沖擊負荷供電。交流失電后，由蓄電池向站內(nèi)全部直流負荷供電。直流母線采用單母線型式。

3 直流負荷統(tǒng)計

工程主要電氣設備為2 回35 kV 進線、2 臺6 300 kVA 主變壓器、7 臺1 120 kW 水泵機組、8 個35 kV 開關柜、15 個10 kV 開關柜、7 臺變頻器。

監(jiān)控系統(tǒng)保護裝置主要為35 kV 線路保護裝置、35 kV 主變保護裝置、35 kV 母線保護裝置、35 kV 電壓并列保護裝置、35 kV 母聯(lián)保護裝置、10 kV 母線保護裝置、10 kV 電壓并列保護裝置、10 kV 母聯(lián)保護裝置、10 kV 站用變保護裝置、10 kV 電動機保護裝置等。

直流電源系統(tǒng)的設備負荷可分為經(jīng)常負荷、事故負荷和沖擊負荷3 種[2]。根據(jù)高家塔三級泵站工程中電氣二次設備配置情況，對其進行直流負荷統(tǒng)計分析和計算。

3.1 經(jīng)常負荷

經(jīng)常負荷指在直流系統(tǒng)正常和事故工況下均應可靠供電的負荷。經(jīng)常性負荷主要包括3 種：一是信號裝置，如經(jīng)常帶電的繼電器和信號燈等；二是繼電保護和自動裝置；三是直流照明燈和逆變器（當設計中沒有時可不計）[3]。

目前，各設備廠家的微機保護及測控裝置在正常工作、動作時的直流功耗均在50 W 以下，均滿足國家規(guī)范中對保護裝置功耗的要求[4,5]。

此次以南京南瑞設備廠家的保護裝置功率為參照，裝置功率均為20 W。經(jīng)常負荷統(tǒng)計結(jié)果，如表1 所示。其中，保護裝置經(jīng)常負荷總和為580 W，其他裝置經(jīng)常負荷總和為4 800 W。根據(jù)統(tǒng)計負荷計算可得，經(jīng)常負荷為5 380 W。

表1 經(jīng)常負荷統(tǒng)計結(jié)果

3.2 事故負荷

事故負荷指直流電源系統(tǒng)在交流電源系統(tǒng)事故停電時間內(nèi)應可靠供電的負荷。事故性負荷主要分為2 種[3]。一是信號和繼電保護裝置。除正常工況消耗的功率外，在事故狀態(tài)下，與事故相關的信號裝置、繼電保護裝置和自動裝置都將動作，瞬時所消耗的功率將有所增加。二是事故照明、不間斷電源設備、通信備用電源。事故負荷統(tǒng)計結(jié)果，如表2 所示。根據(jù)統(tǒng)計事故負荷可得，事故負荷為11 150 W。

表2 事故負荷統(tǒng)計結(jié)果

3.3 沖擊負荷

沖擊負荷是指在短時間內(nèi)施加的較大負荷電流，分為初期沖擊負荷和隨機負荷。沖擊負荷出現(xiàn)在事故初期（1 min），稱初期沖擊負荷。出現(xiàn)在事故末期或事故過程中，稱隨機負荷（5 s）[6]。

3.3.1 初期沖擊負荷（斷路器跳閘）

根據(jù)三級泵站主接線，通過分析可得，當系統(tǒng)10 kV 母線出現(xiàn)故障時，10 kV 母線上同時跳閘的斷路器個數(shù)最多，同時可跳閘的斷路器數(shù)量為7 個。每個斷路器的跳閘、合閘電流按1.5 A 計算，則初期沖擊負荷為2 310 W（計算過程為7×1.5×220）。

3.3.2 隨機負荷（恢復供電時高壓斷路器合閘）

恢復供電斷路器電磁操作機構(gòu)的合閘電流（隨機負荷）應按斷路器合閘電流中最大的一臺統(tǒng)計。合閘電流按10 A 估算，則隨機負荷為2 200 W（計算過程為10×220）。

綜合上述計算，可得直流負荷統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。其中，裝置總?cè)萘繛?1.04 kW，計算總電流為61.4 A，事故初期放電1 min 時的放電總電流I1為51.4 A，事故持續(xù)放電1 ～30 min 的放電總電流I2為45.1 A，事故持續(xù)放電30 ～60 min 的放電總電流I3為45.1 A。

表3 直流負荷統(tǒng)計結(jié)果

4 蓄電池個數(shù)及容量計算

高家塔三級泵站工程按照“無人值班、少人值守”的原則設計，全站事故停電時間按照1 h 考慮。蓄電池組放電分為幾個周期，在整個放電周期內(nèi)，可按照不同放電階段分別計算每個階段所需蓄電組的容量。比較計算的幾個階段的蓄電池組容量，取其中的最大容量作為整個工程的蓄電池組容量[7]。本工程直流電源系統(tǒng)的蓄電池容量按照階梯法計算。

4.1 蓄電池個數(shù)確定

根據(jù)《電力工程直流電源系統(tǒng)設計規(guī)程》（DL/T 5044—2014）第3.2.1 規(guī)定：本站采用控制與動力合并供電，電源為直流220 V[8]。

蓄電池個數(shù)n應滿足在浮充電運行時直流流母線電壓為1.05Un的要求，即

式中：Un為直流電源系統(tǒng)標稱電壓，取220 V；Uf為單體蓄電池浮充電電壓，取2.25 V。于是，計算取整有n=103。

單體蓄電池事故放電末期終止電壓Um需不低于1.87 V（計算過程0.875×220÷103）。此次選用閥控式密封鉛酸蓄電池，單體為2 V。

4.2 蓄電池容量計算（階梯法）

根據(jù)《電力工程直流電源系統(tǒng)設計規(guī)程》（DL/T 5044—2014）附錄C2.3 規(guī)定，第n階段計算容量為[8]

式中：KK為可靠系數(shù)，經(jīng)計算KK≈1.4。當蓄電池的環(huán)境溫度低于《電力工程直流電源系統(tǒng)設計規(guī)程》（DL/T 5044—2014）第8.2、8.3 規(guī)定時，應考慮調(diào)整蓄電池溫度修正系數(shù)。KCn為放電終止電壓下的容量換算系數(shù)[8]。

第1 階梯有I1=51.4 A、KK=1.4、KC1=1.18，則有Cc1=60.9 Ah。

第2 階梯有I1=51.4 A、I2=45.1 A、KK=1.4、KC1=0.52、KC2=0.548，則有Cc2=122.3 Ah。

隨機負荷計算容量的計算公式為CR=IR/1.27，代入數(shù)據(jù)后的計算結(jié)果為8 Ah。

系統(tǒng)總?cè)萘緾=Cc2+CR，則有C=130.3 Ah。

根據(jù)計算結(jié)果，泵站直流電源系統(tǒng)的蓄電池容量可選為200 Ah。

5 結(jié) 論

工程中計算直流電源系統(tǒng)負荷容量的方法及數(shù)據(jù)均依照國家設計規(guī)范及實際泵站工程經(jīng)驗獲得。在直流電源系統(tǒng)的設計中，應注意與其配套的充電模塊、監(jiān)測裝置、饋電斷路器等設備器件。設計安全可靠的直流電源系統(tǒng)和計算合理的蓄電池容量，才能保證泵站工程設備運行的安全性、可靠性及經(jīng)濟性。