民用建筑直流电源系统设计.doc

民用建筑直流电源系统设计
DC power system design in civil building
郭占伟1 熊伟2
（1、中国中元国际工程公司，北京 100089；2、人民大会堂管理局机电处，北京 100800）
摘 要：本文指出直流系统是非常重要的操作电源系统，简要阐述了直流系统中蓄电池容量的计算方法和直流系统设备的选择原则。实际设计过程中要合理选择蓄电池的容量和各种设备参数。
关键词：控制电源 直流系统 蓄电池 充电装置
Abstract：The paper points out that DC system is a very important operational power supply system, and briefly explains the calculation method of battery capacity and equipment choice principle in the DC system. It’s very important reasonable selecting battery capacity and equipment parameters at actual design.
Key words：Control Power Supply, DC system, Battery, Charging equipment
0 引言
电力工程中为控制、信号、保护、自动装置以及某些执行机构供电的电源通称控制电源。控制电源的类型可分为直流型和交流型。为工程提供直流控制电源的系统称为直流电源系统，控制电源系统是保证供配电系统正常安全运行的极为重要的系统。
1 直流电源系统简介
直流电源系统是独立于正常供电系统以外的电源系统，具有系统电压稳定，干扰小，供电可靠性高等特点。直流电源系统有蓄电池组构成的直流电源、电容储能式直流电源和复式整流式直流电源等几种。现代直流电源系统一般是指由蓄电池组构成的直流电源系统。
2 直流系统的构成
现代直流系统一般由蓄电池组，整流充电装置、监测控制装置和直流配电装置等部分构成。

蓄电池是可将电能转化为化学能储存起来，并可根据需要转换为电能的一种装置。蓄电池是直流系统的基础，是直流系统中最重要的部件。其他部分都是为蓄电池能够长时间、可靠工作提供保障的辅助设备。目前，蓄电池在我们生活中广泛应用，汽车，电动自行车和手电筒都离不开蓄电池。蓄电池按照其组成成分可分为铅酸蓄电池、镍镉蓄电池和锂电池等。目前，电力工程领域常用的蓄电池一般有防酸式铅酸蓄电池、阀控式密封铅酸蓄电池、密封式铅酸蓄电池、胶体蓄电池和镉镍蓄电池等。
整流充电装置是为了保证蓄电池长期工作，不断为蓄电池补充电能的装置。蓄电池在正常工作过程中，化学能转化为电能供给系统使用或在存储过程中不断流失，需要不断的从外部补充能量。整流充电装置就是将外部交流电能经过整流，变换成与蓄电池所需规格一致的直流电源补充给蓄电池的设备。整流充电装置可分为相控整流装置、高频开关充电装置和晶闸管充电装置。
监测控制装置可比作直流系统的大脑。监测控制装置不停的检查直流系统的运行参数和各个部件的运转情况，并及时做出相应的调整，或向后台监控系统发出警报。一般监控装置都要监测蓄电池的单体电压，温度，系统电压，输出电流，对地绝缘，整流装置的运行状况等信息。
直流配电装置是直流系统的末端环节，根据工程用电设备的数量和重要程度，构建合理的配电系统，将用电负荷通过配电系统分配给各用电设备。
3 直流系统的设计
直流系统的设计要综合考虑各方面的因素，根据负荷的性质，运行的时间和使用条件等因素来确定。直流系统的设计首先要将直流负荷进行分类统计，确定负荷的容量。然后，选择合适的电压等级，确定蓄电池规格型号和容量，设计直流配电系统的框架结构。
根据功能分，直流负荷可分为动力负荷、控制负荷；根据性质分，直流负荷可分为经常负荷、事故负荷和冲击负荷。民用建筑中直流电源一般供给高压开关柜作为操作电源使用，有些工程还作为应急照明和UPS的应急电源。高压开关柜操作电源属于经常负荷，鉴于目前高压开关柜分、合闸方式均采用弹簧储能式，不再采用电磁式操作方式，单回路操作电流不超过0.5A，所以可以认为无冲击负荷。应急照明和UPS负荷只有在市电故障情况下才投入使用，平时由市电供给，属于事故负荷。从功能上说开关柜操作电源属于控制负荷，应急照明和UPS负荷属于动力负荷。
根据相关规定，单纯控制负荷的直流系统宜采用110V电压等级，单纯动力负荷的直流系统宜采用220V电压等级，控制负荷和动力负荷合并供电的直流系统采用220V或110V电压等级。
直流负荷的容量和系统电压确定后就要确定蓄电池的容量，蓄电池的容量选择是目前直流系统设计中最关键的环节。
蓄电池的容量选择有电压控制法和阶梯计算法（亦称电流换算法）两种，目前常用的是电压控制法。
某工程共有20面高压开关柜，每台高压开关柜的计算容量为100W，共2.0kW。应急照明负荷1.5kW，UPS装置容量2.5kW。
直流系统额定电压定为220V，系统的最高电压应不高压110%额定电压，最低电压应不低压87.5%额定电压。选用2V GF防酸式铅酸蓄电池，电池数量104只，单体电池最高电压2.30V，放电终止电压1.85V。根据相关规定有人值班项目直流负荷的供应时间应不小于1小时，查《电力工程直流系统设计技术规程》表B.6得Kcc为0.35。直流负荷统计表如下：

序号
负荷名称
安装
容量
(kW)
负荷
系数
计算容量
(kW)
负荷电流
(A)
经常电流
(A)
事故放电时间及放电电流(A)
初期
持续放电（h）
随机
1min
0.5
1.0
5s
1
经常负荷

2.0
9.09
9.09
9.09
9.09
9.09

2
事故照明
1.5
1.0
1.5
6.82

6.82
6.82
6.82

3
UPS装置
2.5
0.6
1.5
6.82

6.82
6.82
6.82

4
电流统计
(A)

9.09
22.73
22.73
22.73

5
容量统计
Cs（Ah）

11.37
11.37

6
容量累加
CΣ（Ah）

11.37
22.73

Cc＝Kk*Csx/Kcc＝1.4Χ22.73÷0.35＝181.84（笔误应为90.92）
本工程蓄电池的计算容量为90.92Ah，取标称容量100Ah。
4 主要设备的选型
直流系统容量计算完毕后，接下来主要工作就是设备的选型。近年来，中国电力系统建设速度加快，设备更新日新月异。作为工程实际应用，我们在鼓励新产品研发的过程中更注重产品的可靠性。作为民用建筑直流系统一般容量不大，所占投资的比例较小。宜选择技术成熟，技术先进的名牌产品，为工程以后的使用和维护打下良好基础。
根据前面的计算，蓄电池选择传统的2V铅酸蓄电池，数量为104只。单体蓄电池的最高电压不低于2.30V，放电终止电压不高于1.85V，蓄电池容量100Ah。
对于容量较小的民用建筑直流系统，一组蓄电池配置一套充电装置即可。充电装置目前采用比较多的为高频开关电源式充电装置。充电装置的容量应满足蓄电池组的充电和浮充电要求，同时满足蓄电池组均衡充电的要求。充电装置的输出电压调节范围，应满足蓄电池放电末期和充电末期电压的要求。对于采用模块化充电装置，要预留备用充电模块。上例中充电装置，充电电流不能小于23A可以选择10A的充电模块3块，外加一块备用模块。电压调节范围198V~300V。
监测控制装置是直流系统的重要设备，民用建筑中直流系统一般成套供货，各直流系统生产厂家都有自己配套的监测控制系统。监控系统应有完善的信号采集和处理功能。
断路器是配电回路的重要保护和隔离元件。在直流专用断路器出现以前，直流系统一般采用交流断路器作为配电断路器使用。由于直流回路负载性质和分断电弧特性的不同，目前国家专门出版了相关反事故措施标准，规定直流配电回路应选用直流型断路器，并且要求按照对应极性进行接线。各断路器生产厂家也生产出了相应的产品。
断路器额定电流的选择与交流回路断路器选择相同：
In≥Krel*Ilm
Ilm——负荷最大电流，对于蓄电池回路，Ilm取事故放电电流和蓄电池1h放电电流二者较大者，通常取后者；对于充电、浮充电回路，Ilm为充电设备的额定电流；对于其他回路，根据回路的负荷电流确定。
Krel——可靠系数，一般取1.1～1.2.

5 结论
直流系统设计是一个综合的系统工程，民用建筑中直流系统设备占工程量比例非常小，设计过程中容易遗忘或疏忽。但是直流系统是独立于供电系统以外的操作电源系统，系统的完善和可靠直接影响到整个工程供配电系统的可靠性。希望大家在设计工作中充分重视直流系统的设计，选择合理的直流系统容量和设备。
参考文献：
1.《电力工程直流系统设计手册》（第二版）白忠敏等著，北京：中国电力出版社，2009；
2. 《电力系统电气设备选择与实用计算》傅知兰，北京：中国电力出版社，2004；
3. 《电力工程直流系统设计技术规程》DL/T 5044-2004，北京：中国电力出版社。

作者：郭占伟（1974～），男，河南平顶山人，大学本科，从事电气设计工作，工程师，国家注册电气工程师（发输变电专业），（电子邮箱）guo7412@；联系电话：[phone]