Сравнительный анализ расчетных методик выбора аккумуляторных батарей для шкафов оперативного тока

В данной статье мы проведём сравнительный анализ методик и способов подбора АКБ для ШОТ. Узнайте больше в нашем блоге!

Система оперативного постоянного тока

Система оперативного постоянного тока (СОПТ) предназначена для ввода, преобразования, аккумулирования и распределения электроэнергии постоянного тока и, в конечном итоге, для обеспечения бесперебойного питания оперативных цепей управления, защиты, автоматики, сигнализации и аварийного освещения. СОПТ применяется на электрических станциях, подстанциях и других энергообъектах напряжением 6-750 кВ.

Одной из самых наиболее часто применяемых конфигураций СОПТ на данный момент являются щиты постоянного тока (ЩПТ), внедряемые на подстанциях 6‑110 кВ. В состав ЩПТ в общем случае, входят:

• шкаф оперативного тока (ШОТ);
• шкаф аккумуляторных батарей (ШАБ);
• шкаф распределения постоянного оперативного тока (ШРОТ).

Одной из наиболее важных составляющих СОПТ являются герметизированные аккумуляторные батареи (АБ), устанавливаемые в специальных шкафах или в шкафах оперативного тока.

АБ предназначены для обеспечения питания электроприемников постоянного тока при потере питания от собственных нужд и компенсации импульсов тока нагрузки, превышающих технические возможности зарядных устройств. При этом должно обеспечиваться питание всех подключенных к СОПТ устройств РЗА и приводов выключателей в течение времени, принятого с учетом нормативных сроков прибытия дежурного персонала и восстановления питания от собственных нужд подстанции.

Проектирование СОПТ является комплексной задачей. Конфигурация СОПТ напрямую зависит от характеристик объекта, количества и типа высоковольтных выключателей, совокупности потребителей постоянного тока.

Благодаря применению современных высоковольтных выключателей, имеющих ток электромагнитов включения и отключения 5 А и ниже, общий толчковый ток нагрузки становится на порядок ниже, чем у находящихся в эксплуатации выключателей. Тем не менее довольно часто встречается ситуация, когда при частичной реконструкции объекта, на вновь устанавливаемую систему СОПТ переводятся существующие выключатели с большим толчковым током нагрузки. На практике также встречаются ситуации, когда при реконструкции релейной защиты автоматики СОПТ выбирается только для питания новых устройств.

Поэтому корректный выбор емкости АБ является одной из основных задач при проектировании СОПТ. Довольно часто на практике расчет выбора емкости АБ выполняются с большими погрешностями, что обусловлено:

• отсутствием необходимой технической литературы по расчету современных АБ;
• отсутствием, за редким исключением, у производителей АБ методик или специальных расчетных программ;
• отсутствием при проектировании необходимых исходных данных как по характеристикам АБ, так и по оборудованию, получающему питание от ЩПТ;
• неправильный учет времени аварийной работы СОПТ при потере питания от собственных нужд;
• отсутствие у большинства эксплуатирующих организаций стандартов и требований с подробным и понятным описанием методики выбора емкости АБ;
• отсутствие необходимого контроля за статусом устаревших нормативных документов, типовых проектов;
• общим снижением качества проектных работ.

Некорректно выбранная емкость АБ, может привести к следующим последствиям:

• при выбранной меньшей, чем необходимая емкость АБ – отсутствие возможности работы с выключателями с большим толчковым током, отсутствие обеспечение работы в течении требуемого времени аварийного режима, и как следствие последующая потеря оперативного тока;
• при выбранной большей, чем необходимая емкость АБ – неоправданные экономические затраты.

В соответствии с этим, некоторые проектные организации идут на увеличение емкости АБ сверх реально требуемой.

Для количественной оценки различных расчетных методик выбора емкости АБ инженерами компании НПП «Микропроцессорные технологии» проведены расчётные исследования рекомендаций и методик по расчету емкости АБ, в том числе устаревшие. Также были проанализированы некоторые подходы, которыми пользуются на практике.

Описания рассматриваемых методов приведены в таблице. Методики 1, 2, 6, 7 приведены в нормативных документах или представлены производителями оборудования. Методики 3-5 являются ориентировочными и применяются на практике при проектировании СОПТ.

                                             Расчетные условия для различных методик расчёта

N	Методика, описание	Ссылка	Основная расчетная формула	Примечание	Кривая нарис.1-3
1	Расчет по диаграмме   нагрузки	[1, 2]		Наиболее обоснованная. Относительно простая методика.	Диаграмма
2	Расчет по  приведенному   времени разряда АБ	[3, 4]		Выбор АБ, которая может питать полную нагрузку (аварийную и толчковую) в течении эквивалентного времени аварийного режима. Отсутствует обоснование данной формулы.	tэкв
3	Выбор АБ по  разрядным   характеристикам с  учетом   разрядки АБ в  течении     аварийного  времени полной   нагрузкой (аварийной и   толчковой)	—		Получаемая емкость может сильно быть завышена, т.к. время разряда толчковой нагрузкой существенно меньше аварийного времени	Разр. х-ки
4	Расчет на полную  нагрузку   (аварийную  и толчковую) в     течении аварийного     времени без учета   интенсивности   разряда.	—		Получаемая емкость не зависит от графика нагрузки. Не учитывается снижение емкости батареи в течении времени.	(Iав+Iт)*tав
5	Расчет на аварийную  нагрузку   без учета  толчковой нагрузки в   течении аварийного   времени   без учета  интенсивности   разряда	—		Получаемая емкость не зависит от графика нагрузки. Не учитывается снижение емкости батареи в течении времени. Получаемая емкость может быть сильно занижена, батарея может не обеспечить питание толчковой нагрузки.	Iав*tав
6	Расчет по разрядным   номограммам	[5]	—	Отсутствие в большинстве случаев необходимых характеристик у производителей АБ. Трудоемкий расчет.	—
7	Специальные расчетные   программы производителей АБ	—	—	Отсутствие в большинстве случаев у производителей АБ	—

Ниже графически представлены зависимости необходимых емкостей АБ, рассчитанные по соответствующим методикам для различных сочетаний постоянной аварийной и толчковой нагрузок (рис. 1-3).

                 Рис.1 — Необходимая емкость АБ при постоянной нагрузке 10 А и некоторых значениях толчковой нагрузки.

      Рис.2 — Необходимая емкость АБ при постоянной толчковой нагрузке 3 А и некоторых значениях постоянной нагрузки.

      Рис.3 — Необходимая емкость АБ при постоянной толчковой нагрузке 25 А и некоторых значениях постоянной нагрузки.

Анализ зависимостей (рис.1-3) показывает, что:

• расчет по приведенному времени разряда АБ (п.2 табл.1) дает емкость, меньшую чем при расчете по диаграмме нагрузки, в связи с чем применение данной методики нежелательно;
• выбор АБ по разрядным характеристикам (п.3 табл.1) с учетом разрядки в течении аварийного времени полной нагрузкой (аварийной и толчковой) сильно завышен и применение его по экономическим причинам нецелесообразно;
• расчет на полную нагрузку без учета интенсивности разряда (п. 4 табл.1) дает в большинстве случаев емкость, недостаточную для нормальной работы оборудования.
• расчет на аварийную нагрузку без учета интенсивности разряда (п. 5 табл.1) дает сильно заниженный результат.

Для других методик расчета, не отображенных на рисунках:

• методика расчета по разрядным номограммам (п.6 табл.1) не всегда применима в связи со сложностью получения необходимых исходных данных.
• расчет с помощью специальных программ производителей АБ (п.7 табл.1). Можно использовать как проверочный для выбранной емкости АБ. Использовать его как основную методику не следует, так как принципы расчета емкости, заложенные в программу, как правило, неизвестны и проверка результата выбора АБ не представляется возможным. Также программа всегда ориентирована под конкретного производителя АБ.

При проведении расчетов в качестве базисной методики необходимо применять расчет по диаграмме нагрузки (п.1 табл.1) как наиболее точную, учитывающую различную интенсивность разряда батареи при неравномерных нагрузках.

Выводы

1. Значительное разнообразие существующих методик выбора АБ зачастую приводит к ошибочному выбору ёмкости и необоснованному увеличению инвестиционной нагрузки при строительстве или реконструкции объектов;

2. Применение программного комплекса имеет ряд недостатков:

— в связи с тем, что фирмы-производители АБ в большинстве случаем зарубежные, то и предлагаемый производителями расчет основан на зарубежных требованиях;

— отсутствие формульных выводов, и как следствие — отсутствие наглядного подтверждения верности расчётов.

3. Ввиду временного отсутствия необходимой литературы и технической документации (книг, пособий) предприятия-изготовители СОПТ должны предоставлять рекомендации по выбору емкости АБ с учетом всех особенностей применяемого ими оборудования.

4. Применение ориентировочных расчетов (п.3-5 таблицы 1) не рекомендуется, особенно при больших толчковых нагрузках.

Заключение

Инженеры компании НПП «Микропроцессорные технологии» разработали методику расчета и выбора емкости АБ [6]. Документ является стандартом организации и представлен на сайте www.i-mt.net. Стандарт основан на действующих, нормативных документах [1, 2, 7, 8] и позволяет избежать излишних инвестиционных потерь при проектировании объектов.

Особенностями разработанного стандарта организации являются:

• соответствие действующим нормативным документам;
• устранения выбора завышенной емкости АБ;
• доступность и наглядность;
• не предлагается кардинальных изменений, но вводятся уточнения с учетом специфики современного оборудования.

Применение алгоритма расчета, изложенного в данном документе, позволяет выбирать емкость АБ, удовлетворяющую требованиям надежности и экономичности. В качестве одного из примеров успешного применения метода может служить подстанция Южно-Якутских сетей. Первоначально по проекту было заложены АБ емкостью 65 А*ч. После проведения уточняющих расчетов, была определена емкость АБ 30 А*ч, достаточная для работы оборудования, что дало существенную экономию средств Заказчика. Объект успешно введен в эксплуатацию с проведением необходимых испытаний.