应急电源在水闸工程中的应用

杨劲文

(福建省水利规划院，福州 350001)

0 前 言

水闸工程是具有防洪、挡潮、排涝、取水等多功能的重要水工建筑物，其在水利工程中发挥着十分重要的作用。根据SL 41-2018《水利水电工程启闭机设计规范中重要泄洪闸门启闭机对应急电源的设置要求，在供电设计上其负荷等级一般不低于二级负荷，并应配备应急电源[1]。近年来，随着蓄电池技术的成熟，在各类工程中采用EPS应急电源作为备用电源已得到越来越多的应用，拓宽了设计在备用电源上的选择类型。

1 EPS的基本工作原理

EPS应急电源(EPS：Emergency Power Supply)是以蓄电池作为电源蓄能，应用静止型逆变技术，采取CPU控制、数字化电路、高集成度电子元件生产出的环保型产品，整体系统主要由整流充电器、蓄电池组、逆变器、控制器、互投装置、配电回路等组成。EPS应急电源基本原理接线如图1所示。

2 EPS应急电源同柴油发电机组比较

以往水闸工程在配电系统设计的备用电源时并无太多选择，多采用外引第二路市电或柴油发电机组来作为备用电源。柴油发电机组作为自备电源相比外引第二路市电的优点是供电更可靠，但需考虑单独的柴油电机房、进出风口百叶窗、排油烟、震动、噪音、消防等一系类设计相关问题。现阶段，随着EPS应急电源的成熟，水闸配电备用应急电源除了可采用柴油发电机组、外引第二路市电外，亦可选用EPS应急电源。下文是对EPS应急电源与柴油发电机组的特点进行比较(相关数据参见GB/Z 29328-2018 重要电力用户供电电源及自备应急电源配置技术规范)[2]：

图1 EPS应急电源基本原理接线图

1)容量：EPS应急电源为0.5-800kW，柴油发电机组为2.5-2500kW。

2)工作方式：EPS应急电源与柴油发电机组都具有冷备、热备两种工作方式。

3)持续供电时间：EPS应急电源一般≤2h，柴油发电机组在标准条件下可达到12h，相较之下，此项柴油发电机组胜于EPS应急电源。

4)切换时间和方式：EPS应急电源为0.1-2S，柴油发电机组需5-30S，EPS应急电源具有能快速切换的优势。

5)切换方式：EPS应急电源切换方式为ATS，柴油发电机组可ATS或手动。

6)供电状况：EPS应急电源电压、频率稳定，效率高；柴油发电机组电压、频率不稳，效率低。

7)过载及保护：EPS应急电源过载能力强，保护完善；柴油发电机组过载能力强，但保护效果一般。

8)运行维护：EPS应急电源安装、运行、维护简单，可实现无人值守或远方监控；柴油发电机组安装复杂、运行、维护复杂，需要专人值守。

9)使用寿命：EPS应急电源一般使用寿命为20a左右，柴油发电机组一般可使用20a以上。

10)造价与运行成本：EPS应急电源造价高40%，但运行成本低；柴油发电机组造价低，但辅助设施、运行费用约高30%，相较之下，此项EPS应急电源造价成本高于柴油发电机组。

11)节能与环保：EPS应急电源为离线式工作，耗电0.1%左右，工作效率达85%-95%，具有节能、噪声小、无震动和无公害等优点；柴油发电机组平时不耗电，但工作时噪声大，有震动且排烟会造成污染。

12)允许断电时间：EPS应急电源秒级(10S内)，柴油发电机组分钟级。

13)适用场合：EPS应急电源消防、各类建筑场所，适用于电阻性照明负载、电感性电机、电容性负载以及混合负载；柴油发电机组类建筑场所，适用于电阻性照明负载，电感性电机及混合负载。

由以上多项比较结果可知，EPS应急电源可作为允许停电时间为秒级、持续运行时间≤2h、负荷功率≤800kW的工程作为备用应急电源。水利工程中各类水闸工程的年运行小时数不多，各扇闸门启闭只需要短时运行，允许停电时间为分钟级，各类水闸工程中大型水闸负荷一般≤300kW，中小型水闸负荷一般≤150kW。因此作为水闸工程的自备应急电源，EPS应急电源同柴油发电机组一样，供电可靠性比外引第二路市电源更加可靠。且根据以上多项比较来看，相比柴油发电机组，现阶段除造价稍贵一些，在技术上均比柴油发电机组有优势，更适合作为水闸工程的备用应急电源。

3 EPS应急电源配电接线应用

EPS应急电源连接在水闸工程配电接线上的位置，一般可按负荷性质可分为混合负荷接线、单项负荷接线、变频负荷接线这3种接线连接方式。对于馈线启闭台数超过6台的可根据上述3种接线方式增设分段母线。图2各负荷性质接线图中列举了这3种负荷接线的在水闸工程配电接线中的连接方式，供同行设计在水闸配电接线中作为参考。

图2 各负荷性质接线图

上图中图2方框内EPS、图3方框内可变频EPS的内部接线包含图1中虚线框内EPS的接线。上面3图中的EPS方框内设备可单独成柜，亦可根据实际工程需要扩大EPS方框至包含全部配电接线的进、出开关回路成柜。

图1接线适用于具有三相、单相的混合负荷EPS应急电源配电接线。图2、图3的EPS应急电源适用于负荷仅为单相或三相负载配电接线，图3的接线适用于采用变频三相EPS应急电源配电接线。

4 EPS应急电源容量及备用时间计算

水闸工程配电设计在选择EPS应急电源时需要计算应急电源容量和备用时间。

4.1 EPS应急电源不同类型负荷的参考容量计算方法

EPS应急电源容量计算一般按需要系数法计算，并应根据水闸工程的最大运行方式统计应急电源容量。

1)照明类EPS容量计算：

(1)

式中：P1为单相负荷中最大相功率；P2为单相负荷中中间相功率。

2)电力类EPS容量计算：

a)带多台电机且同时启动时

EPS21e=1.05×S∑Q

(2)

式中：S∑Q为多台启动电机功率之和。

b)带多台电机且不同时启动时：

EPS22e=1.05×(SQ+S∑D)

(3)

式中：SQ为最大一台启动电机功率；S∑D为其它多台电功率之和。

c)带多台电机且不同时启动不同时运行时：

EPS容量=1.05×SQ

(4)

式中：SQ为最大一台启动电机功率。

3)闸门电机启动容量计算：

SQ=KSe

(5)

式中：K为启动倍数，直接启动为7，星三角启动为4，软启动为3，变频启动为1.1；SQ为电机启动容量；Se指电机额定容量。

4.2 EPS应急电源备用时间计算

水闸工程的闸门启闭设备一般分为螺杆机、卷扬机、液压机三大类型。其中，螺杆式启闭机的启门速度0.2m/min-0.5m/min；卷扬式启闭机的启门速度为0.2m/min-0.5m/min；液压式启闭机的启门速度为0.2m/min-1m/min[1]。

EPS应急电源备用时间计算可按下式参考计算：

=(K1×KC+K2)×V×H
其中Kc=N/S=Z+r

(6)

式中：T为EPS应急电源的备用时间；K1为单孔水闸的开启关闭次数，单程启闭时取值为1，双程启闭时取值为2；K2为水闸工程的备用启闭次数，当总孔数≤3时取值为1，当总孔数>3时取值为2；KC为水闸工程所有孔数在最大运行方式下的启闭次数；N指水闸工程总的孔数；S指水闸工程最大运行方式下启闭的孔数；Z指N/S的正整数开启次数；r指N/S的余数开启次数，r取值为(0或1)，当N/S能被正整除时取0，当N/S有余数时取1；V指各类型闸门启闭机启闭速度；H指各类型闸门启闭机扬程。

列1：近年来本人设计的福建省某城关新建的排涝水闸中，有3座水闸采用了EPS应急电源作为备用电源。某1水闸工程，共设5孔，采用卷扬式启闭机，总装机5×11kW。启闭机启门速度为1.47m/min，扬程7m。水闸的单相照明负荷和监控负荷折算后为三相负荷为13kW，水闸配电采用单母线接线方式，详见文中图1中的图3接线方式，根据本工程的孔数，EPS应急电源方框下设有5回闸门启闭机馈线回路。本水闸工程共设有1面GGD型进线配电柜、1面现地LCU柜、2面EPS应急电源柜。各启闭机市电供电时采用直接启动，可变频EPS应急电源供电时采用降压变频技术启动，水闸最大运行方式为1台启停运行，单孔水闸的启闭次数为1开1闭的双行程。EPS应急电源容量计算如下：

EPS∑=EPS21e=1.05×KSQ=1.05×1.1×11=12.71kW，用于EPS应急电源柜功率选择计算；

S∑=P∑+EPS21e=13+12.71=25.71 Kw，用于GGD进线配电柜选择计算；

T=(K1×Kc+ K2)×V× H=(2×(5+0)+ 2)×1.47× 7 ≈124min，用于EPS应急电源备用时间选择计算；

根据上述计算的EPS∑=12.71kW，T=124min，查相关厂家样本,选择EPS应急电源功率为15kW，备用时间125min，共需2面EPS应急电源柜(其中1面主机柜，1面电池柜)。

注1：本列工程单相负荷不在EPS应急电源供电范围内，照明箱应急照明回路另设有带蓄电池的灯具，监控负荷现地LCU柜另设有机架式UPS。

注2：上述计算的EPS功率仅指EPS应急柜负荷的功率，并非指EPS柜内蓄电池组功率，EPS柜内的蓄电池组功率、蓄电池的数量、单个蓄电池的电压、功率、安·时数等选择不在文章探讨范围，本列工程EPS柜内相关主设备由厂家根据招标文件技术要求配套。

6 小 结

综上所述，现有EPS应急电源柜适用于应急时仅需短时供电的二级负荷以上的各类水闸和类似工程中作为备用电源。随着模块化热插拔电池柜技术和快速充放电技术成熟及应用，当单个蓄电池的热插拔更换及充放电时间与传统的汽柴油加油时间接近时，各类工程中备用电源采用EPS应急电源的应用范围将进一步拓宽，并成为优先选择的备用应急电源。