Аккумулятор — это химический источник электрической энергии, предназначенный для многократного разряда за счёт восстановления ёмкости после заряда электрическим током.
Аккумуляторная батарея — два или более аккумулятора, соединённые в электрическую цепь.
Аккумуляторная батарея обеспечивает бесперебойным рабочим и резервным питанием потребителей постоянного тока подстанции. Существуют разные варианты расчётов для выбора аккумуляторной батареи — мы в своей статье попытаемся отразить наиболее понятный и простой из них.
СОДЕРЖАНИЕ:
1. Требования к аккумуляторной батарее
Аккумуляторная батарея (АБ) является обязательным элементом системы оперативного постоянного тока подстанции (СОПТ). Согласно НТД⎘ на ПС с высшим напряжением 220-750 кВ и ПС 150-110 кВ с более чем 3-мя выключателями в распределительном устройстве высшего напряжения — устанавливается две АБ, на прочих — достаточно одной.
АБ набирается из последовательных элементов заданной ёмкости в единый элемент суммарным напряжением 220 В. Как правило, она должна иметь срок службы не менее 15-20 лет и обеспечивать питанием постоянную нагрузку СОПТ при работе в автономном режиме (без подзарядки) в течение 2-4 часов, а также выдерживать толчковые токи кратковременной нагрузки в конце автономного режима.
Батареи открытых (вентилируемых) типов чаще всего размещаются в отдельном помещении с принудительной приточно-вытяжной вентиляцией, герметичные — в шкафах.
2. Выбор ёмкости аккумуляторной батареи
Ёмкость АБ определяется исходя из тока и характера нагрузки, а также времени резервирования.
Выполним расчёт ёмкости по методу «эквивалентных площадей». Метод заключается в следующем: предположим, что имеется график тока нагрузки в автономном режиме
Этот график можно привести к одинаковому по площади графику (S1=S2), а площадь данных графиков есть не что иное, как ёмкость (произведение тока на время)
Так как площади обеих фигур равны, то по известной площади S=S1=S2 и координате Imax, можно найти координату Трасч. Далее на основании расчётного тока и времени по разрядным таблицам от производителя аккумуляторных батарей подбирается необходимый тип аккумулятора.
Эквивалентная ёмкость аккумуляторной батареи рассчитывается по формуле
\[ \mathrm{C_{экв} = \frac{I_{max} \cdot T_{max} + I_{уст} \cdot T_{уст}}{k_{аб} \cdot k_т}}, \]
где Imax – максимальная толчковая (кратковременная) нагрузка, А;
Тmax – время толчковой нагрузки, ч;
Iуст – установившийся ток автономного режима, А;
Туст – длительность автономного режима, ч;
kаб – коэффициент ёмкости батареи в конце срока службы, kаб=0,8 (80% от номинальной);
kт – температурный коэффициент ёмкости, зависящий от минимально возможной температуры в помещении, для 5°С kт=0,91.
Установившийся ток автономного режима
Iуст = Iп + Iвр,
где Iп – ток постоянной нагрузки, А;
Iвр – ток временной нагрузки, А.
Для того, чтобы подробнее показать, что может входить в состав той или иной нагрузки, ниже приведём таблицу
| Характер нагрузки | Состав нагрузки |
|---|---|
| Постоянная нагрузка (Iп) | |
| Временная нагрузка (Iвр) |
|
| Толчковая нагрузка (Imax) |
|
Предположим, что нам известны все исходные параметры.
Установившийся ток автономного режима
Iуст = Iп + Iвр = 50 + 10 = 60 A
Продолжительность автономного режима
Туст = 4 ч,
как для объекта 110 кВ и выше (на объектах ниже 110 кВ можно принимать 2 часа – см. НТД⎘).
Длительность толчковой нагрузки
\[ \mathrm{T_{max} = 15\ c = \frac{15}{3600} = 0{,}004\ ч} \]
Тогда эквивалентная ёмкость равна
\[ \mathrm{C_{экв} = \frac{I_{max} \cdot T_{max} + I_{уст} \cdot T_{уст}}{k_{аб} \cdot k_т} = \frac{115 \cdot 0{,}004 + 60 \cdot 4}{0{,}8 \cdot 0{,}91} = 330\ А \cdot ч} \]
А расчётное эквивалентное время автономного режима
\[ \mathrm{T_{расч} = \frac{C_{экв}}{I_{max}} = \frac{330}{115} = 2{,}9\ ч} \]
Выбираем АБ типа 7OPzS490, номинальной ёмкостью при десятичасовом разряде C10=490 А*ч.
| Тип | Время и ток разряда | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 15 мин | 30 мин | 1 ч | 1,5 ч | 2 ч | 3 ч | 4 ч | |
| 7OPzS490 | 350 | 293 | 227 | 189 | 162 | 129 | 106 |
По параметрам аккумулятора видно, что время разряда током Imax = 115 А составит более 3 часов
Тном > Трасч
Таким образом, можно сделать вывод, что выбранная АБ в режиме разряда постоянным током и кратковременным толчковым током в конце 4-часового периода удовлетворяет необходимым требованиям в течение всего срока службы аккумуляторов.
3. Расчёт числа элементов аккумуляторной батареи
Напряжение на шинах АБ в нормальных эксплуатационных условиях допускается поддерживать на 5% выше номинального напряжения электроприёмников. Исходя из этого, наибольшее нормально допустимое напряжение должно быть
Umax.доп = 1,05Uн = 1,05*220 = 231 В
Для обеспечения надёжной работы устройств РЗА напряжение на зажимах электроприёмников во время эксплуатации должно поддерживаться на уровне не менее 85% от номинального напряжения
Umin.доп = 0,85Uн = 0,85*220 = 187 В
Для аккумуляторов с жидким электролитом:
- напряжение поддерживающего заряда uпз составляет — 2,23 В/эл;
- напряжение ускоренного заряда uуз (в автоматическом режиме от ЗВУ) — 2,3 В/эл.
Количество элементов в АБ выбирается округлением до ближайшего большего целого значения, полученного по выражению
\[ \mathrm{N_{эл} = \frac{U_{max.доп}}{u_{пз}} = \frac{231}{2{,}23} = 103{,}59 \approx 104\ шт.} \]
Минимально возможное напряжение на одном аккумуляторе (по данным производителя)
umin = 1,8 В/эл
При Nэл=104 минимальное напряжение на АБ будет равно
UminАБ = 1,8*104 = 187,2 В
UminАБ > Umin.доп
Количество элементов подобрано правильно.
4. Выбор зарядно-выпрямительного устройства
Номинальный ток ЗВУ Iном.ЗВУ определяется по расчётному зарядному току Iз
Iном.ЗВУ > Iз
Зарядный ток вычислим по формуле
\[ \mathrm{I_з = \frac{I_п + k \cdot C_{10}}{2} = \frac{50 + 0{,}12 \cdot 490}{2} = 54{,}4\ А}, \]
где k — коэффициент, определяющий ток при ускоренном заряде.
Итого, выбираем ЗВУ с номинальным током
Iном.ЗВУ = 63 А.
5. Выбранное оборудование
| № п/п |
Наименование | Тип | Ед. изм. | Кол-во | Примечание |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Аккумуляторная батарея | C10 = 490 А*ч Nэл = 104 шт. |
компл. | 1 | |
| 2 | Зарядно-выпрямительное устройство | Iном.ЗВУ = 63 А | шт. | 2 |
ВЫВОД
Методом «эквивалентных площадей» мы подобрали необходимую ёмкость аккумуляторной батареи. Зная напряжение отдельного элемента, рассчитали итоговое их количество. И определили выходную мощность зарядного устройства.
Всё готово к тому, чтобы перейти к расчётам сети оперативного постоянного тока подстанции.
СЛУЧАЙ ИЗ ПРАКТИКИ
Полученное в нашем примере значение напряжения не учитывает его падение в отходящих кабелях. Но это может критично повлиять на работу таких мощных потребителей, как высоковольтные выключатели с электромагнитным приводом. Во время включения таких потребителей уровень напряжения на их приводе может оказаться недостаточным для срабатывания.
Для гарантированной работы электромагнитов достаточно повысить напряжение в цепи, увеличив число аккумуляторов Nэл со 104 до 120 с помощью «хвостовых» элементов.
