高海拔变电站蓄电池及UPS容量选择及修正

龙 军, 周婉亚, 唐 俊

(西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021)

0 引 言

阿里与藏中联网工程某500 kV变电站位于西藏日喀则地区，海拔4100 m，多年平均气温2 ℃，年最低气温的多年平均值为-26.3 ℃。根据相关规范，变电站直流电源系统设置了两组220 V阀控式密封铅酸蓄电池和3套高频开关电源模块型充电装置，不间断电源系统(uninterruptible power supply,UPS)按2套冗余配置。

高海拔地区温度与气压低，变电站站用蓄电池组及UPS设备工作环境较低海拔地区有所不同，设备性能会受到一定影响。为满足高海拔地区变电站站用直流电源的用电要求，有必要对蓄电池组及UPS容量选择进行修正计算。

1 蓄电池容量选择修正

阀控式密封铅酸蓄电池有效放电容量与温度相关，在低温条件下，蓄电池中电解液的物理及化学活性降低，导致放电时化学能与电能间的转换效率下降，有效放电容量降低[1]。因此，高海拔严寒地区蓄电池容量选择时需要考虑温度的影响，根据需要修正蓄电池容量。

根据DL/T 5044—2014《电力工程直流电源系统设计技术规程》[2](下面简称“直流技规”)第8.2.1条，蓄电池室内温度宜为15～30 ℃，并在附录C.2中提出当蓄电池的环境温度低于此值时，应考虑调整蓄电池温度修正系数。直流技规规定，蓄电池容量选择计算中可靠系数由裕度系数、老化系数及温度修正系数的乘积确定，一般情况可靠系数=裕度系数×老化系数×温度修正系数=1.15×1.10×1.10≈1.4 ，即规程在蓄电池容量选择计算公式中已考虑了一定的温度修正系数且取值1.10。根据GB/T 19638.1—2014《固定型阀控式铅酸蓄电池 第1部分：技术条件》[3]第6.17.5条，当放电期间蓄电池平均表面温度不是基准25 ℃时，蓄电池温度修正系数Kt表达式见式(1)。

(1)

式中:λ为温度系数，变电站蓄电池容量按10 h放电率标称容量C10计算时，λ取0.006；t为放电过程蓄电池平均表面温度，根据直流技规推荐的温度修正系数Kt=1.10，可反推出t取值约为10 ℃，即选取10 ℃作为蓄电池室可能出现的最低温度来考虑，适用于绝大部分工程的实际情况。

由于该500 kV变电站在海拔4100 m左右，处于高海拔严寒地区，为提高直流电源系统的可靠性，宜根据蓄电池室可能出现的极端低温情况，调整蓄电池容量选择计算时的温度修正系数。

该工程蓄电池室建筑节能设计按严寒(C)区标准执行，室内供暖采用对流式电暖器供暖，设计温度值为20 ℃。在冬季如发生蓄电池室电暖器故障，由于站址偏远且远期无人值班，如处理不及时可能出现蓄电池室较长时间无法采暖的极端情况。文献[4]中，在严寒冬季对长春市某采用低温电热膜辐射供热系统取暖的7层节能住宅断电后的室内温度变化进行了实测。实测结果表明，采用低温电热膜辐射供热系统的房间在断电后，夜晚室内温度会较快下降，而到了白天由于太阳辐射的作用室内房间温度又会缓慢上升，但整体温度会逐步降低。断电3天后，各房间室内温度均从断电前的20 ℃左右下降至12 ℃左右。所述工程蓄电池室为单层单体建筑且采用对流式电暖器供暖，建筑物蓄热能力相对较差，在无供暖期间蓄电池室温度降低速度势必较快，蓄电池室可能出现的极端最低温度主要与运行人员处置时间紧密相关。为确保可靠，该站t按-10 ℃选取，此时对应的温度修正系数为

(2)

因此，可靠系数=裕度系数×老化系数×温度修正系数=1.15×1.10×1.27 ≈1.61。

该站直流负荷统计如表1所示。

表1 变电站直流负荷统计 单位：A

蓄电池组采用阀控式密封铅酸蓄电池，依据直流技规蓄电池容量选择计算如下：

蓄电池个数为

式中：Un为直流系统标称电压，取220 V；Uf为单体蓄电池浮充电压，取2.23 V。

单体蓄电池事故放电末期终止电压为

根据蓄电池容量阶梯计算法，蓄电池各阶段的计算容量公式为

(In-In-1)]

其中：

事故初期负荷计算容量为

事故持续期负荷计算容为

随机负荷计算容为

式中：Kk为可靠系数，取1.61;I1～In为各阶段放电电流；可靠系数Kc1～Kcn为蓄电池放电终止电压1.87 V对应的各阶段容量换算系数，按直流技规表C.3-3选取。

由于事故持续期计算容量最大，蓄电池计算容量为C=Cc2+Cr=758.1+5.1=763.2 Ah,可选择容量为800 Ah的阀控式密封铅酸蓄电池。

2 直流充电装置额定电流选择修正

随着海拔升高空气密度及压力降低，以空气对流传导散热的直流充电装置散热效率将下降，使得设备温度升高，进而影响产品和设备的额定输出[5]，因此高海拔地区的直流充电装置额定电流选择计算时应考虑一定的修正系数。

目前，国内电力行业常用的设计类标准中对于高海拔对直流充电装置容量的影响未做规定，直流充电装置主流设备厂家对于高海拔容量修正研究也较为有限，建议工程设计时可依据GB/T 32593—2016《轨道交通 地面装置 变电所用电力电子变流器》(等同于IEC 62590—2010)[6]的相关要求执行。该标准第5.2.2.4条提出“电力电子变流器仅用空气作为冷却媒质或热转移媒质时，正常海拔不超过1000 m。对于工作海拔超出1000 m但检验海拔为正常海拔的变流器，工作海拔每超出正常海拔100 m，自然冷却的变流器在电流能力检验结果基础上降低1%使用，强迫冷却的变流器在电流能力检验结果基础上降低1.5%使用”，所述变电站直流充电装置采用智能风扇冷却，属于强迫冷却方式，按上述要求充电装置额定电流修正系数KI可按式(3)计算。

KI=(1-1.5%)(H-1000)/100=0.626

(3)

式中,H为充电装置工作海拔，为4100 m。

按直流技规要求，充电装置额定电流应按以下3个状态进行计算选择。

1)浮充电：Ir=(0.01I10+Ijc)/KI≈128.9 A

(4)

2)初充电:Ir=(1.0I10～1.25I10)/KI

≈127.8～159.7 A

(5)

3)均衡充电：Ir=(1.0I10～1.25I10+Ijc)/KI

≈255.4～287.4 A

(6)

式中：Ir为充电装置输出电流，A；I10为蓄电池10小时放电率电流，800 Ah蓄电池I10=0.1C10=80 A；Ijc为经常负荷电流，根据表1取79.9 A；

综上，充电装置额定电流按满足均衡充电的要求可取值280 A。因此该站单只充电模块额定电流选用40 A，全站共设置3套额定电流为7×40 A高频开关充电装置，其中1套公用；由于设有公用充电装置，充电模块不再冗余配置。

3 UPS容量计算及修正

以往工程中UPS电源容量计算一般采取简单的负荷容量累加，并考虑一定的裕度后进行容量选择。DL/T 5491—2014《电力工程交流不间断电源系统设计技术规程》[7]发布后，对UPS负荷计算和容量选择给出了计算公式，并明确了UPS容量选择的高海拔降容系数。

根据DL/T 5491—2014附录C.1和C.2的计算公式，该站UPS负荷统计见表2。

根据表2可得出：

表2 变电站UPS负荷统计

UPS计算负荷总有功功率为

Pc=∑KSicosφi=8.0 kW

(7)

UPS计算负荷总无功功率为

(8)

UPS总计算负荷为

(9)

负荷综合功率因数为

(10)

UPS最终计算容量为

(11)

式中：Kf为功率校正系数，根据负荷综合功率因数0.92和参考文献[7]附表C.2-1取0.87；Kk为可靠系数，取1.25；Kd为海拔降容系数，按站址海拔高度4100 m和参考文献[7]附表C.2-2可取0.73。

根据UPS计算容量，该变电站单套UPS额定容量可选择为20 kVA。

4 结 语

对于高海拔地区的变电站，在站用蓄电池组容量选择计算时，宜结合变电站站址情况考虑蓄电池放电过程中蓄电池室可能出现的极端低温，所述变电站极端低温按-10 ℃选取，并据此提高了温度修正系数和蓄电池计算容量；在直流充电装置额定电流计算时，宜按GB/T 32593—2016相关要求进行高海拔降容修正，即工作海拔超出1000 m，每超出100 m充电装置额定电流应按降低1.5%使用；在UPS容量选择计算时，应按DL/T 5491—2014附表C.2-2选择对应的海拔降容系数来修正计算容量。