（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

海外項目的工程設計與實踐中，經(jīng)常會遇到與國內(nèi)項目有較大區(qū)別的設計與計算方法。尤其是牽涉到一些設備選型、整定計算上，大多會運用到基于諸如IEC、NEC、NFPA、IEEE 等規(guī)范里規(guī)定的要求。習慣于國內(nèi)規(guī)范的設計人員，在初次接觸這類規(guī)范時，要加以區(qū)分、研究及正確運用。本文以直流電源部分為重點，結合工程項目實例，著重探討基于IEEE 1115—2014中所提到的直流電源蓄電池容量的計算。

1 基本概念

1.1 直流電源

直流電源是直流供電系統(tǒng)的組成部分。此處所指的是變配電站中的電力操作電源。電力操作電源由直流屏供電，作用為一次開關設備，如：真空斷路器、真空接觸器、負荷開關內(nèi)的彈簧機構為二次控制線路、保護和信號回路、通訊光端機（如微機保護、負荷控制裝置、遠程控制單元、指示燈、模擬指示器、智能儀表燈）提供直流電源[1]。

1.2 蓄電池

蓄電池是直流電源常用的電能來源，是一種將化學能直接轉(zhuǎn)化電能的裝置。使用過程中需經(jīng)歷充放電的過程。工程中常用蓄電池種類主要有鎳鎘蓄電池及鉛酸蓄電池兩類。其中，鎳鎘蓄電池以其良好的充放電性能，較好的免維護性及可為負載提供大電流，且放電時電壓變化很小的特點，而廣泛應用于工程實際中[2]。

1.3 IEEE-1115 規(guī)范概述

IEEE-1115 規(guī)范全稱IEEE Recommended Practice for Sizing Nickel-Cadmium Batteries for Stationary Applications，即鎳鎘蓄電池的計算選擇。且鎳鎘蓄電池也是大多數(shù)海外項目中明確規(guī)定使用的電池類型。規(guī)范中明確要求了計算所要用到的參數(shù)及最終表格的形式。因此本文以鎳鎘蓄電池為例，對相關容量進行計算，詳細敘述計算方法、步驟及計算表格中相關數(shù)據(jù)的填寫，便于在海外項目中作參考。

2 工程計算實例

2.1 負荷統(tǒng)計

以某海外項目實際數(shù)據(jù)為例。在直流電源容量計算時，通常需先進行直流負荷統(tǒng)計。直流負荷一般分為間歇負荷、連續(xù)負荷及隨機負荷[3]。為便于說明及描述，此處考慮選取典型的間歇負荷及連續(xù)負荷作為計算考慮的依據(jù)。直流電壓以125 V 計算。

直流間歇負荷，主要是開關柜中斷路器的分閘（Trip Coil）、合閘（Closing Coil）及馬達線圈充電（Charging Motor）[4]。根據(jù)實際經(jīng)驗及相關制造商資料，此處選取的斷路器分、合閘時間為0.1 s，操作電流1.6 A；馬達充電時間15 s，操作電流5.2 A。分別統(tǒng)計各電壓等級的斷路器數(shù)量列于表中，如表1所示。本例中，斷路器共計48個、熔絲加接觸器形式9個，馬達充電線圈數(shù)量同斷路器。

直流連續(xù)負荷處統(tǒng)計了各電壓等級開關柜上的指示燈、各類保護功能的繼電器（如：進線、母線、PT、馬達、電容器、饋線等繼電保護）、SCADA系統(tǒng)、信號監(jiān)控系統(tǒng)、軟啟動系統(tǒng)、勵磁柜等中的直流用電部分。數(shù)量及所需操作電流如表2所示：直流連續(xù)負荷總計62.674 A。因本例中要求電池后備時間為2 h，而直流連續(xù)負荷是貫穿電池放電始終的，所以直流連續(xù)負荷所需放電時間7 200 min。

表1 各電壓等級的斷路器統(tǒng)計Tab.1 Circuit breaks summary in different voltage level

表2 直流連續(xù)負荷統(tǒng)計Tab.2 Continuous DC loads summary

（續(xù)表）

有了以上直流間歇負荷、連續(xù)負荷的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，就可以進行初步的直流電池容量需求匯總。

根據(jù)表3所示，整個直流電池放電需經(jīng)歷分閘-合閘-分閘的過程，分、合閘之間需有一次斷路器馬達線圈充電。直流連續(xù)負荷則與分、合閘及馬達線圈充電同時進行貫穿始終。其中，分閘部分考慮極端情況同時動作，即動作時間0.1 s、操作電流為所有的斷路器操作電流之和；合閘則考慮所有斷路器依次合閘，即動作時間為所有的斷路器動作時間之和、操作電流為單個斷路器操作電流（操作電流一般可再考慮10%余量）。最后把所有的安·時數(shù)相加得到初步的直流電池容量需求，本例中為139.06 Ah。

表3 直流電池容量需求匯總Tab.3 DC battery capacity required summary

2.2 Kt系數(shù)的引入

由IEEE-1115 標準中計算表格（表6）的描述，可以發(fā)現(xiàn)Kt系數(shù)是計算過程中的一個關鍵參數(shù)。因此，在進行最終的電池容量計算前，需先進行一項重要系數(shù)的計算。直流電源電池容量的Kt系數(shù)指的是單個電池單元（Cell）t時間提供的額定安培值（在標準時間速率下，某溫度時，一個電池的標準放電端電壓）。Kt系數(shù)可根據(jù)以下公式進行計算：

在計算前，我們可先從供貨商或者相關手冊中查詢需要用到的參數(shù)。如表4、表5所示。

表4 不同放電時間下的Kt系數(shù)Tab.4 Kt factor in different discharge time

表5 單個電池單元的放電電流容量Tab.5 Discharge currents for cell range Ah

表4的值為整數(shù)時間的Kt值。表5為整數(shù)時間對應的安·時容量，此處由于表3中得到的初步的直流電池容量需求為139.06 A，因此，先取140 Ah 對應的放電電流容量。且表4和表5的數(shù)據(jù)用140 Ah互除即可互相轉(zhuǎn)換。

再根據(jù)表3，把整個充放電過程劃分成4個時間段（tmin）。其中不滿1 s 按1 s 計，每個時間段的負荷取Stage中的最大安培+直流連續(xù)負荷，如下所示：

第一時間段：階段1+階段2，16 s（0.27 min），344 A

第二時間段：階段3+階段4，21 s（0.35 min），75A

第三時間段：階段5，7 200 s（119.37 min），69 A

第四時間段：階段5+階段6，1s（0.02 min.），171 A

有了以上各數(shù)據(jù)，就可計算出各時間段（tmin）對應的Kt值，表中t1時間與t2時間分別指的是放電時間t對應的Kt系數(shù)所在區(qū)間，如：第一時間段的16 s（0.27 min）的t1為5 s（0.083 min）、t2為30 s（0.5 min），分別對應Kt1為0.52、Kt2為0.6，放電電流容量值則分別對應為269 A、233 A。具體各項數(shù) 據(jù)如表6所示。

表6 各時間段對應的Kt值Tab.6 Kt factor in each stage

由此，我們可以發(fā)現(xiàn)，無論從計算Kt系數(shù)的公式的表現(xiàn)形式，還是得到的Kt系數(shù)計算結果，Kt系數(shù)表示了具體的實際放電時間與額定整數(shù)時間對應的容量折算關系，是用于最終精確計算電池容量所必備的換算系數(shù)。

2.3 IEEE-1115 計算表格及最終選型結果

至此，我們得到了IEEE-1115 計算表格所要求的計算數(shù)據(jù)。

以表7第四部分（Section）為例，A1～A4 分別填入四個時間段的負荷，M1～M4 分別對應四個時間段的時間。此表的計算原則為：A1 階段相當于全時間段的電池放電工作條件。因此，時間t為M1 到M4 四個時間段的時間總和，對應Kt系數(shù)由表4可知為2.73。需要容量：344×2.73 = 939.12為正值，填入+ve 列。同理，A2 階段相當于此時的負荷75 A 減去已使用的負荷344 A，等于-269 A。t時間則相應為減去M1的時間，對應的Kt系數(shù)為2.726 8，需要容量：-269×2.726 8 = -733.51為負值，填入-ve 列。如果下個時間段的負荷值大于上一階段，則跳過此部分的累加計算，避免此部分結果產(chǎn)生負值。以此類推，逐步填入剩下階段的值。最終，本例中得到3個有效部分（Section）的計算結果，取其中最大值241.30 Ah，再考慮設計余量1.1 及維護系數(shù)1.25，最終得到計算結果331.79 Ah。以此可選擇335P的電池。電池參數(shù)選用的對應的電池放電負荷曲線如圖1所 示。

雖然計算過程中是按初步計算得到的直流容量140 Ah的參數(shù)來計算的，但通過對最終結果選用的335P 電池返回的驗算同樣可以得到完全相同的結果（驗算過程此處從略），因為對于同一種規(guī)格的電池來說，單個電池單元（Cell）具有相同的放電特性[5]。同樣，從IEEE-1115 規(guī)范中所列舉的某電池的不同容量的放電電流范圍中可知，把某一放電時間下的放電電流除以對應的電池額定容量，不同容量的電池得到的值都將是一個相同值。這也正好說明了這一原理。

3 總結

由上述過程可知，IEEE-1115 電池容量計算方法的本質(zhì)是容量換算，這是一種基于現(xiàn)有電池額定參數(shù)精確換算到具體實際使用情況的計算方式。但就筆者多年的工程經(jīng)驗及對國內(nèi)設計行業(yè)了解的情況，很多工程項目及設計人員在對直流電源的電池容量計算及選擇上，往往僅把所有的直流用電量單純地相加匯總，即只把最后匯總得到的總安·時值作為直流電池的容量。這種情況下，容易導致選擇的電池容量偏小。這顯然是不嚴謹?shù)?，也是與實際電池工作時的放電情況不符。因為對于一組電池組來說，不同放電時間下所需要供電的容量是不同的，而電池組的每個電池單元都是在同時放電的。因此，基于上述情況，有必要進行如本文所述的系統(tǒng)性階段計算，以達到接近及滿足實際用電情況的需求，最終選出正確的電池容量。

表7 最終計算結果Tab.7 Final calculation results

圖1 負荷曲線Fig.1 Load profile