Выбор аккумуляторных батарей на ТЭС

1 Характеристика аккумуляторов

В электроустановках  применяются свинцово-кислотные аккумуляторы типа СК и СН, отличающиеся электрическими характеристиками, размерами пластин, устройством сосудов и другими элементами конструкции.
Для аккумуляторов типа СК установлено 45 типоразмеров, отличающихся числом и размерами (1,2,3…,6,8, …, 20, 24, 28, …, 148), а для аккумуляторов СН – 14 типоразмеров ( 0,5; 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 14, 15 18, 20).
Характеристики аккумуляторов первого номера обоих типов следующие:

Емкости и разрядные токи аккумуляторов могут быть определены умножением соответствующих значений для аккумулятора первого номера на типовой номер.
Хотя аккумуляторы СН имеют более совершенную конструкцию и лучшие разрядные характеристики, максимальная их емкость недостаточна для обеспечения аварийной нагрузки электростанций, поэтому они применяются в основном для подстанций.

2 Режим работы аккумуляторных батарей

Аккумуляторные батареи согласно ПТЭ эксплуатируются в режиме постоянного подзаряда от отдельного выпрямительного устройства, обеспечивающего напряжение 2,15 В на элемент.
При нормальной работе станции сеть постоянного тока питается через преобразователь. Батарея заряжена и потребляет лишь небольшой ток для  компенсации саморазряда. При нарушении нормального режима (исчезновении напряжения переменного тока в системе собственных нужд) преобразователь отключается и на грузку принимает на себя батарея.
Расчетную длительность аварийного режима для всех приемников постоянного тока электростанций, связанных с системой, принимают равной 0,5ч; для станций, не связанных с системой,- 1 час. 
В соответствии с ПТЭ напряжение на шинах установки постоянного тока принимается на 5 % выше номинального, т.е. 230 В. Число основных элементов аккумуляторной батареи, присоединяемых к шинам в нормальном режиме,

n0  = 230/2,15 ≈ 108

Общее число элементов баратеи в конце аварийного режима разряда

n = 230/1,75 = 130

Число дополнительных элементов, вводимых элементным коммутатором,

n доп = 130-108 = 22.

В конце заряда напряжение на элементе поднимается до 2,75 В и минимальное число элементов, подключаемых к шинам,

n min = 230/2,75 = 88

В аварийных условиях аккумуляторы подвергаются значительным толчковым нагрузкам длительностью не выше 5 с, которые сопровождаются резким снижением напряжения и требуют проверки уровней напряжения у потребителей; эта толчковая нагрузка может возникнуть в любой момент аварии, в том числе и в конце получасового разряда.
На крупных станциях со значительными толчковыми нагрузками нормальное напряжение 230 В (108 элементов) на шинах оказывается недостаточным для включения приводов масляных выключателей. В этом случае предполагаются  следующие схемы питания шин постоянного тока:
1). В главной схеме предусмотрены только масляные выключатели. Используются типовые щиты постоянного тока (ЩПТ), на сборных шинах которых поддерживается напряжение 253 В (115 %  Uном), щиты управления питаются от них  через добавочное сопротивление для получения напряжения 230 В. Напряжение 253
В обеспечивается подключением к шинам 118 элементов батареи (2,15х118=253В

От шин 253 В питаются цепи соленоидов включения и цепи двигателей аварийных насосов.
В режиме толчковых нагрузок от электромагнитов включения нагрузка воспринимается аккумуляторной батареей (подзарядный агрегат при нагрузке, равной 120 % номинальной, запирается), поэтому напряжение на шинах определится как

Uш = Uэл * 118 = 2,05*118 = 242 В,

где Uэл = 2,05 В – ЭДС элемента
Таким образом, напряжение на электромагнитах включения не превысит допустимого (110 % номинального).
2). В главной схеме применены воздушные выключатели, а в схеме СН – масляные. В этом случае на сборных шинах и шинах управления поддерживается напряжение 230 В (108 элементов) Для питания цепей электромагнитов включения предусматривается отдельный участок ЩПТ, к которому от аккумуляторной батареи подключается 118 элементов, что способствует напряжению 253 В в режиме  постоянного подзаряда.
После аварийных разрядов необходимо с помощью зарядного устройства осуществить полный заряд батареи. Режим заряда характеризуется значениями зарядных токов и напряжения, а также продолжительностью заряда. Эти величины служат исходными параметрами для оценки мощности зарядных устройств. Максимальный допустимый зарядный ток до начала газообразования в аккумуляторе  9NA, а после начала газообразования – 3,6NA. В конце заряда предусматривается, увеличение напряжения до 2,75 В. Продолжительность заряда батареи определяется требованием ПТЭ обеспечить заряд на 90 % емкости батареи в течение 6-8 ч.

3 Основная нагрузка установки постоянного тока

Основную нагрузку установки постоянного тока на тепловой станции составляют следующие приемники:
1) аппараты устройств дистанционного управления, сигнализации, блокировки и релейной защиты;
2) приводы выключателей, автоматов, контакторов
3) аварийное освещение
4) электродвигатели аварийных маслонасосов в системах смазки агрегатов;
5) электродвигатели аварийных насосов в системах уплотнения вала генератора;
6) электродвигатели аварийных маслонасосов в системах регулирования турбин (только для турбин К-300-240 ЛМЗ, имеющих автономную систему регулирования с приводом аварийных маслонасосов двигателями постоянного тока);
7) преобразователей агрегат для аварийного питания устройств связи.

Таблица 3.1- Токи нагрузки установки постоянного тока

Классификация токов нагрузки в зависимости от режима приведена в таблице 3-1. Постоянная нагрузка соответствует току, потребляемому с шин постоянного тока в нормальном режиме и неизменному в течение всего аварийного режима, временная нагрузка характеризует работу установки в установившемся аварийном режиме, кратковременная нагрузка характеризуется потребляемым током в переходном аварийном режиме.

4 Расчетные графики нагрузки постоянного тока

Рассмотрим, как будет изменяться нагрузка на аккумуляторную батарею, на примере ряда тепловых станций.
На ТЭЦ мощностью до 200 МВт с поперечными связями в тепловой части устанавливается одна батарея, а при мощности более 200 МВт – две аккумуляторные батареи одинаковой емкости. После исчезновения переменного тока в первую секунду в системе СН включается резервный трансформатор, поэтому на батарею накладывается толчковая нагрузка тока I3 (рисунок 4-1), употребляемого электромагнитным приводом выключателя (условно принято, что от АВР включаются два выключателя ВМП-10 и один МГ-10). В этот же момент включается резервный преобразовательный агрегат оперативной связи, потребляющий ток I4 , через 3-5 с включается аварийное освещение (ток I2 ). Если питание СН не восстановлено, то через несколько секунд начинают включаться маслонасосы уплотнений, а затем маслонасосы смазки, создающие толчки тока I5  и I6 .
От одной батареи могут питаться потребители трех агрегатов (3х60 МВт или 2х60 МВт + 1х100 МВт). Однако не следует допускать совпадений пусковых режимов всех маслонасосов.
Период резкопеременной нагрузки называют переходным режимом. Когда все потребители будут включены, наступает установившийся режим. В конце аварийного режима   (t = 30 мин) может быть толчковая нагрузка (ток I7 ) от включения выключателя в главной схеме. На графике условно принято включение выключателя У-220, имеющего наибольший ток потребления привода (ШПЭ-44).
На станциях с одним блочным щитом, предусматривается, как правило, одна аккумуляторная батарея. Для блоков мощностью 300 МВт и выше допускается установка отдельной батареи на каждый блок.

Рисунок 4.1 – Расчетный график нагрузки постоянного тока
ТЭС с поперечными связями

Рассмотрим график нагрузки аккумуляторной батареи для двух блоков 150-200 МВт (рисунок 4-2). Полное совпадение толчковых аварийных токов обоих блоков могло бы иметь место только при синхронной потере напряжения в системе СН. Такая возможность в расчетах не рассматривается,  не нереальная (например, не принимается в расчет совпадение пусковых токов маслонасосов разных блоков или токов включения выключателей при АВР2 разных блоков). Нагрузка I3  состоит из толчковых токов выключателей, включаемых АВР (двух ВМПЭ-10 и одного ВВБ-220 или У-220 со стороны высокого напряжения ТСН). В конце аварийного режима на графике показан ток I7  включения выключателя типа У-220, так как учет малых токов электромагнитов воздушных выключателей не имеет смысла и в расчетах не  требуется. Ток I4  преобразовательного агрегата оперативной связи учитывается только при расчете первой аккумуляторной батареи станции.

Рисунок 4.2 – Расчетный график нагрузки постоянного тока ТЭС с блоками 150-200 МВт (одна батарея на два блока)

Для станции с блоками мощностью 300 МВт и выше характерны значительные толчковые нагрузки в сети постоянного тока, так как ввиду отсутствия на валу турбины главного масляного насоса при исчезновении переменного тока на  батарею почти одновременно накладываются нагрузки приводов выключателей, электродвигателей маслонасосов смазки, регулирования , агрегата оперативной связи. В настоящее время все генераторы мощностью 300 МВт и выше снабжаются демпферным баком, который обеспечивает необходимое давление масла в системе уплотнения в течение более 5 мин без включения насосов постоянного тока. Обычно маслонасосы уплотнения включаются примерно через 15 с, что и учитывается в расчетах.
На рисунке. 5.3 показан  график нагрузки аккумуляторной батареи КЭС с блоками 300 МВт ХТЗ. При одновременном отключении от сети двух блоков, обслуживаемых одной батареей, из-за внешних повреждений, например при КЗ на шинах высокого напряжения, возможно действие технологических защит (одновременное закрытие стопорных клапанов турбин) и действие АВР. При этом практически одновременно включаются маслонасосы («первые») обоих блоков от уставки первого реле давления. «Вторые» маслонасосы включаются мгновенно только при невключенных «первых», а если «первые» включены, то «вторые» включаются от уставки второго реле  давления с выдержкой времени 2,5 с. Таким образом, расчетным током для проверки батареи двух блоков 300 МВт ХТЗ по толчковому току является совмещенный толчок от пусковых токов двух маслонасосов смазки и токов включения выключателей, участвующих в АВР (четыре выключателя со стороны 6 кВ и один со стороны высокого напряжения ТСН).

Рисунок 4.3 – Расчетный график нагрузки постоянного тока ТЭС с блоками 300 МВт (одна батарея на два блока)

Если у турбины 300 МВт имеется установка в системе регулирования  аварийных маслонасосов, пусковой ток, которых (540 А) учитывается в составе суммарной толчковой нагрузки в начале аварии. Для блока с этой турбиной также характерны значительные токи длительной аварийной нагрузки, что приводит к необходимости установки одной батареи на каждый блок. График нагрузок постоянного тока ТЭС с блоками турбина К-300  – генератор ТВВ-320 приведен на рисунке.4.4.. Включение первого аварийного маслонасоса смазки (I6 ) и насоса системы регулирования (I8) принято практически одновременным в начальный момент аварии. Задержка включения маслонасоса уплотнений вала обеспечивается установкой демпферного маслобака.
На станциях с блоками 500 МВт устанавливается одна батарея на блок. Нагрузка постоянного тока зависит от различного сочетания генераторов и турбин в блоке.  На рисунке5.5 приведен график нагрузки постоянного тока для ТЭС с блоками турбина К-500 – генератор ТВВ-500. Ток I3  - от приводов двух выключателей МГГ-10ПЭ-21 и одного ВВБ-330, участвующих в АВР. Электродвигатель аварийного маслонасоса смазки турбин включается в начале аварии, маслонасос уплотнения вала может включаться позднее благодаря демпферному баку.

Рисунок 4.4 – Расчетный график нагрузки постоянного тока ТЭС с блоками 300 МВт (одна батарея на один блок)

Анализируя приведенные графики нагрузки в процессе переходного аварийного режима можно отметить два или более моментов, характеризуемых значительными толчковыми нагрузками, как, например, первый момент срабатывания выключателей при АВР или момент неблагоприятного наложения рабочих и пусковых токов двигателей аварийных маслонасосов. Каждый из этих моментов должен подвергаться расчетной проверке с учетом требуемых уровней напряжения на зажимах соответствующих потребителей (таблица 1.). Если в состав расчетного тока входят токи приводов масляных выключателей, то пользуясь данными таблицы 1определяем, что допустимое минимальное напряжение на зажимах соленоидов должно быть равным 85 % номинального. Для расчетного тока, обусловленного только пусковыми токами двигателей, минимальное напряжение на зажимах двигателей должно составлять 75 %  номинального.

Таблица 1 Допустимые отклонения напряжения от номинального (220 В), %

Рисунок 4.5 – Расчетный график нагрузки постоянного тока ТЭС с блоками 500 МВт