高家塔三级泵站直流电源系统负荷统计及容量计算

高 璐，王含羽，解 辰

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001）

0 引 言

水利工程设备的安全可靠运行关系着国家发展和人民群众的生产、生活。安全可靠的直流电源系统能够为泵站正常运行时的二次保护装置提供稳定的工作电源，并且在交流电源出现故障时为保护装置提供不间断的应急电源，从而确保水利工程安全运行。当前，设计直流电源系统多是参考典型设计和以往的泵站设计经验，会导致实际工程中可能出现在事故状态下直流蓄电池容量不足或者过高的情况。规模较小时，直流系统配置过高，会导致资源浪费。从泵站工程实际情况出发，统计直流电源系统的负荷，计算系统容量。

1 工程概况

榆林黄河东线马镇引水工程总体规模年引水量2.9 亿m3，供水对象主要为窟野河河谷区、榆神工业园区（含锦界）、榆林城区周边各园区。工程从黄河右岸马镇葛富村取水，设计引水流量27.0 m3·s-1，线路总长101.93 km。引水线路总干线分为入库线路、黄石沟水库和出库线路3 部分，其中出库线路设置三级供水提升泵站，即高家塔三级泵站、燕梁湾四级泵站和清水沟五级泵站[1]。

高家塔三级站共安装5 台10 kV/1 120 kW、2 台10 kV/800 kW 异步电动机。电源采用35 kV 两回供电，一回引自110 kV 沙峁变35 kV 母线，一回引自神木取水泵站，安装2 台6 300 kVA 变压器。电动机母线采用单母线分段接线，正常运行时分段断路器处于断开状态。10 kV 两段母线分别设一台160 kVA 站用变。三级站设置7 台10 kV 变频器，与电机采用一对一接线。

2 直流电源系统

此次高家塔三级泵站直流电源系统蓄电池采用阀控式铅酸免维护蓄电池。直流电源系统由交流配电单元、智能高频开关充电模块、蓄电池组、馈电单元、绝缘故障监测装置以及智能监控单元等组成。所有设备分别安装在直流屏内。

由站内交流屏引入两路三相交流380 V进线电源，两路进线电源互为备用，并设置进线电源自动投切装置。正常供电时，充电单元对蓄电池组进行充电或浮充电，同时为全站的经常性直流负荷提供电源，由蓄电池向冲击负荷供电。交流失电后，由蓄电池向站内全部直流负荷供电。直流母线采用单母线型式。

3 直流负荷统计

工程主要电气设备为2 回35 kV 进线、2 台6 300 kVA 主变压器、7 台1 120 kW 水泵机组、8 个35 kV 开关柜、15 个10 kV 开关柜、7 台变频器。

监控系统保护装置主要为35 kV 线路保护装置、35 kV 主变保护装置、35 kV 母线保护装置、35 kV 电压并列保护装置、35 kV 母联保护装置、10 kV 母线保护装置、10 kV 电压并列保护装置、10 kV 母联保护装置、10 kV 站用变保护装置、10 kV 电动机保护装置等。

直流电源系统的设备负荷可分为经常负荷、事故负荷和冲击负荷3 种[2]。根据高家塔三级泵站工程中电气二次设备配置情况，对其进行直流负荷统计分析和计算。

3.1 经常负荷

经常负荷指在直流系统正常和事故工况下均应可靠供电的负荷。经常性负荷主要包括3 种：一是信号装置，如经常带电的继电器和信号灯等；二是继电保护和自动装置；三是直流照明灯和逆变器（当设计中没有时可不计）[3]。

目前，各设备厂家的微机保护及测控装置在正常工作、动作时的直流功耗均在50 W 以下，均满足国家规范中对保护装置功耗的要求[4,5]。

此次以南京南瑞设备厂家的保护装置功率为参照，装置功率均为20 W。经常负荷统计结果，如表1 所示。其中，保护装置经常负荷总和为580 W，其他装置经常负荷总和为4 800 W。根据统计负荷计算可得，经常负荷为5 380 W。

表1 经常负荷统计结果

3.2 事故负荷

事故负荷指直流电源系统在交流电源系统事故停电时间内应可靠供电的负荷。事故性负荷主要分为2 种[3]。一是信号和继电保护装置。除正常工况消耗的功率外，在事故状态下，与事故相关的信号装置、继电保护装置和自动装置都将动作，瞬时所消耗的功率将有所增加。二是事故照明、不间断电源设备、通信备用电源。事故负荷统计结果，如表2 所示。根据统计事故负荷可得，事故负荷为11 150 W。

表2 事故负荷统计结果

3.3 冲击负荷

冲击负荷是指在短时间内施加的较大负荷电流，分为初期冲击负荷和随机负荷。冲击负荷出现在事故初期（1 min），称初期冲击负荷。出现在事故末期或事故过程中，称随机负荷（5 s）[6]。

3.3.1 初期冲击负荷（断路器跳闸）

根据三级泵站主接线，通过分析可得，当系统10 kV 母线出现故障时，10 kV 母线上同时跳闸的断路器个数最多，同时可跳闸的断路器数量为7 个。每个断路器的跳闸、合闸电流按1.5 A 计算，则初期冲击负荷为2 310 W（计算过程为7×1.5×220）。

3.3.2 随机负荷（恢复供电时高压断路器合闸）

恢复供电断路器电磁操作机构的合闸电流（随机负荷）应按断路器合闸电流中最大的一台统计。合闸电流按10 A 估算，则随机负荷为2 200 W（计算过程为10×220）。

综合上述计算，可得直流负荷统计结果如表3所示。其中，装置总容量为21.04 kW，计算总电流为61.4 A，事故初期放电1 min 时的放电总电流I1为51.4 A，事故持续放电1 ～30 min 的放电总电流I2为45.1 A，事故持续放电30 ～60 min 的放电总电流I3为45.1 A。

表3 直流负荷统计结果

4 蓄电池个数及容量计算

高家塔三级泵站工程按照“无人值班、少人值守”的原则设计，全站事故停电时间按照1 h 考虑。蓄电池组放电分为几个周期，在整个放电周期内，可按照不同放电阶段分别计算每个阶段所需蓄电组的容量。比较计算的几个阶段的蓄电池组容量，取其中的最大容量作为整个工程的蓄电池组容量[7]。本工程直流电源系统的蓄电池容量按照阶梯法计算。

4.1 蓄电池个数确定

根据《电力工程直流电源系统设计规程》（DL/T 5044—2014）第3.2.1 规定：本站采用控制与动力合并供电，电源为直流220 V[8]。

蓄电池个数n应满足在浮充电运行时直流流母线电压为1.05Un的要求，即

式中：Un为直流电源系统标称电压，取220 V；Uf为单体蓄电池浮充电电压，取2.25 V。于是，计算取整有n=103。

单体蓄电池事故放电末期终止电压Um需不低于1.87 V（计算过程0.875×220÷103）。此次选用阀控式密封铅酸蓄电池，单体为2 V。

4.2 蓄电池容量计算（阶梯法）

根据《电力工程直流电源系统设计规程》（DL/T 5044—2014）附录C2.3 规定，第n阶段计算容量为[8]

式中：KK为可靠系数，经计算KK≈1.4。当蓄电池的环境温度低于《电力工程直流电源系统设计规程》（DL/T 5044—2014）第8.2、8.3 规定时，应考虑调整蓄电池温度修正系数。KCn为放电终止电压下的容量换算系数[8]。

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

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

随机负荷计算容量的计算公式为CR=IR/1.27，代入数据后的计算结果为8 Ah。

系统总容量C=Cc2+CR，则有C=130.3 Ah。

根据计算结果，泵站直流电源系统的蓄电池容量可选为200 Ah。

5 结 论

工程中计算直流电源系统负荷容量的方法及数据均依照国家设计规范及实际泵站工程经验获得。在直流电源系统的设计中，应注意与其配套的充电模块、监测装置、馈电断路器等设备器件。设计安全可靠的直流电源系统和计算合理的蓄电池容量，才能保证泵站工程设备运行的安全性、可靠性及经济性。