电厂蓄电池安装的设计优化分析

刘 愉，付胜明

（中南电力设计院发电工程公司电气室，湖北 武汉 430071）

0 引 言

发电厂中，为供给控制、信号、保护、自动装置、事故照明、直流油泵以及交流不停电电源装置等的用电，要求有可靠的直流电源[1]。为此，发电厂通常采用蓄电池做直流备用电源。

国内传统的发电厂直流电压大多数为220 V，近年由于国外技术及设备的引进，较多工程也同时采用110 V和220 V两种电压的直流系统。工业用蓄电池有铅酸蓄电池、镉镍碱性蓄电池等种类，而考虑到运行维护、放电特性、环境影响等方面因素的比较，近期的发电厂蓄电池常采用阀控式密封铅酸蓄电池。

在电厂设计中，通常在集控楼或主厂房等建筑0 m层设置专用蓄电池室，有网控单元的发电厂还需在网控楼0 m层设置蓄电池室。为便于安装、维护，电厂蓄电池多采用叠放的方式进行安装。

蓄电池的安装方式通常较为简单、明了，然而，蓄电池的布设、连接方式直接影响工程施工、系统性能，关乎线缆压降、材料选型等诸多方面。因此，针对不同的工程，有必要寻求更优化的设计方案。

1 对常规蓄电池布置方案的分析与改进

1.1 常规蓄电池布置方案及分析

电厂设计中，设计者通常综合考虑直流屏柜所在方位以及蓄电池房间面积，以此决定蓄电池的布设位置。图1和图2是两种常规的蓄电池布置方式。

为满足蓄电池系统压降的要求，蓄电池室通常设置在直流配电室附近。若直流配电室在0 m层（与蓄电池室同层），蓄电池出线电缆则需通过埋管敷设至直流配电室连接屏柜；若直流配电室设置在蓄电池室上层，出线电缆则需向上垂直敷设。工程中通常以降低线路压降为前提，结合两个设备房间的相对位置来确定蓄电池的布置方位。同时，考虑到布设方式的美观以及足够的维护空间，设计者习惯将蓄电池尽可能地居中布置在蓄电池室中。图3与图4是两种常见的蓄电池安装方式。

由图可看出，蓄电池出线穿过地下埋管，沿墙向上或水平穿入电缆沟，与另一端的直流屏柜相连。事实上，这种安装方式存在一定弊端，分析如下。

（1）蓄电池出线电缆通常选用铜导体，为控制直流系统的压降，电缆必须具备足够的截面积。对于该类电缆，其材料、截面等因素决定了它们具有较强的硬度。以图3中的安装方式为例，电缆在连接至直流配电室过程中需要经过多个PVC保护管弯道，截面较大的电缆要穿过多个弯道，在施工上存在一定的难度。

图1 蓄电池典型布置1

图2 蓄电池典型布置2

图3 蓄电池安装示意图1

图4 蓄电池安装示意图2

（2）蓄电池出线端离房间墙面存在一定的距离，这就造成了连接电缆长度的增加，为了满足电缆压降的要求，某些情况下不得不选用更大截面的电缆。同时，工程上要求PVC管转弯半径r（见图3）不小于电缆截面直径的10倍，对于图3安装方式，这就必须要求蓄电池出线端到墙面具有足够的间距（图3中“间距A”），才能提供充足的PVC管布设空间，这就同时增长了电缆长度。

（3）地下埋管敷设需要一定的土建工程量，而在蓄电池室中设置埋管，则要求做好防腐防酸措施，这对土建施工提出了更高的要求。

1.2 对常规布置方案的优化

针对上述提出的蓄电池常规布置方案的弊端，现提出改进方案，并进行比较分析。

在图3的情况中，在维持足够的设备旁走道宽度条件下，可将蓄电池出线端靠墙布置，出线电缆直接沿墙穿至上层设备间，如图5所示。

图5中的安装方式，有效避免了电缆过多的转弯走线，且减少了0 m层的埋管施工；同时，电缆长度的缩短有助于降低电缆压降，甚至可以选择更小截面的电缆。下面结合工程实例进行计算与验证。

图5 蓄电池优化安装示意图1

依据DL/T 5044—2014《电力工程直流电源系统设计技术规程》（以下简称“直流规程”）[2]，附录E电缆截面选择的计算方法，可知电缆截面应按电缆长期允许载流量和回路允许电压降两个条件选择，并按照如下公式计算：

其中，Ipc为电缆允许载流量（A）；Ica1为回路长期工作计算电流（A）；Scac为电缆计算截面（mm2）；ρ为电阻系数，铜导体ρ=0.018 4 Ω·mm2/m，铝导体ρ=0.031 Ω·mm2/m；L为电缆长度（m）；Ica为允许电压降计算电流（A）；ΔUp为回路允许电压降（V）。

以具体工程为例，分别按照传统安装方式和改进的安装方式进行电缆截面计算，其中Ica分别由各工程负荷计算及厂家资料求得，方法见直流规程第E.1.3条；电缆选择铜芯导体材料；ΔUp的选取依据直流规程第E.2条，取ΔUp=1%Un（Un为直流电源系统标称电压）。计算得到的结果见表1，其中下标“1”的量为传统安装方式得到的结果，下标“2”的量为改进安装方式得到的结果。

表1 直流计算对比表

由式（2）知，对于某一个蓄电池电源系统，缩短电缆长度L能相应地减小计算电缆截面，上述直流计算表中的S1、S2也验证了这个规律。进一步地，在保持相同水平的电缆压降条件下，蓄电池出线电缆可选更小截面积的型号（见表1中A1、A2），节省了工程成本。

综合上述分析，在工程中将蓄电池出线端靠墙安装，相比常规安装方式，降低了工程施工难度，并在保证蓄电池供电质量的条件下，缩短了电缆长度，减小了电缆可选截面积，节省了工程成本。同时，这种靠墙安装的紧凑式布置方式，使蓄电池室面积分配更有弹性，在建筑层面有助于设备房间的灵活设置。

2 对厂家蓄电池方案的分析与改进

在火力发电厂工程中，各电压等级蓄电池普遍采用卧式安装的方式进行连接，为节省占用面积，其电池架也多采用双层结构（双层双列架或双层单列架）。而对于220 V蓄电池，由于其电池数量多，对于蓄电池室长度不足的情况，为缩短单组蓄电池的长度，厂家常提供两组相同的110 V蓄电池组进行并列串联安装。在具体工程中，这些墨守成规的蓄电池连接方式往往存在其缺点，这里将结合具体案例进行分析。

2.1 单组蓄电池双电池架安装方式的改进

对于220 V的蓄电池组，蓄电池厂家常采用两组110 V蓄电池串联的方式进行安装。而厂家在设计蓄电池连接方案时往往存在一个共同点：正负极的出线通常出自一个电池架，工程设计方通常默认采取了厂家的连接方式，图6、图7是常见的220 V双层双列电池架安装方式。

经过分析可知，这类连接方式存在一定的弊端，分析结果罗列如下。

（1）在电气上对蓄电池放电性能存在负面影响。由图6中可以看出，两电池架间需要来回两组电缆进行电池串联；并且由规程DL/T 5044—2014第7.1.7条可知，为预留一定的设备维护空间，电池架间的距离需保持在1 m以上（见图7）。因此，这种蓄电池的连接方式就在电池组内部增加了两组电缆，电缆连接跨度在1 m以上，这在电气上就增大了蓄电池组的“内阻”，对蓄电池的放电特性有负面影响。

（2）埋管数量较多，施工难度大。上述连接方式中，由于电池架间需要两组电缆串联，而一组电缆通常又由多根电缆组成，这就造成了多根埋管需要预埋的局面，图8表示这种连接情况的侧视图，该图的情况中每组电缆由3根φ50的电缆组成，架间埋管达到7根。由此可见，该连接方式需要较多的埋管，且埋管深度较大。

表1 （续） 直流计算对比表

图6 220 V蓄电池典型连接电路

图7 220 V蓄电池典型连接方式

图8 220 V蓄电池典型连接方式埋管侧视图

为克服上述工程弊端，可对蓄电池连接方式进行优化，尽量减少电池架间的连接电缆数量。图9是另外一种两架串联组成220 V蓄电池的连接方式。

图9中的蓄电池连接方式中，正、负极出线分别从两台电池架引出，这种连接方式带来的好处是电池架间的串联电缆由原来的两组减少到一组。这样一来，蓄电池的内部连接电缆较原方案缩短一半，这在电气上大大降低了电池组内部压降，相对优化了蓄电池放电性能；也在土建施工上降低了施工难度，且节省了一定的材料。图10为改进的220V蓄电池连接方式埋管侧视图。

图9 改进的220V蓄电池连接电路

图10 改进的220V蓄电池连接方式埋管侧视图

2.2 灵活对待厂家电池架尺寸

在项目初步设计阶段，设计者会在所选设备的规格与设备房间布局之间进行协调，配合建筑专业设计恰当的设备房间布局以方便设备的布置。但由于初步设计所能达到的深度有限，无法做到事无巨细，在具体施工图设计中，或多或少会遇到一些问题。

对于蓄电池的布置，在既定的设备房间中，有时难以做到既有均匀的设备布置格局，又有较优的设备出线方式。这里以一具体案例分析遇到该情况的解决思路。

图11 蓄电池布置案例图1

图12 调整后蓄电池布置案例图1

图11表示一种蓄电池布置方案，参照厂家蓄电池架尺寸以及房间建筑面积，这种布置方式显得较为合理，但该布置方式的缺点在于左侧110 V蓄电池的出线设置。由于直流配电室在蓄电池室右侧，因此左侧110 V蓄电池出线需往对侧迂回布设，大大增大了电缆长度，不利于电缆选型与材料节省。

此时，若灵活对待厂家方案，调整220 V蓄电池架的组合形式，便可得到图12的布置方式。该布设方式在有限的建筑空间下，通过调整厂家蓄电池架尺寸，既做到了空间布设的合理性，也使电缆出线得到了优化。

3 结 论

本文提出了电厂蓄电池安装布置的几种优化方案。通过分析与比较，从蓄电池布置方式、厂家电池架设计等角度寻求方案的优化。这些案例，说明了工程设计在遵循一般规律与方案时，更应抓住问题的本质，敢于突破常规，以灵活、开放的思路解读各方面因素，让设计作品趋于最优。