Определение емкости аккумуляторной батареи

4.2.1. Работа аккумуляторной батареи в аварийном режиме

При полном отключении внешних источников переменного тока аккумуляторная батарея переходит в аварийный режим работы, обеспечивая питанием минимум релейной аппаратуры и гарантированных нагрузок. В аварийном режиме различают основной и дополнительный периоды.

В течение основного периода аварийного режима предпринимаются попытки получить электроэнергию от ДГА или восстановить внешние источники энергоснабжения. Аккумуляторная батарея в это время работает по полной программе, предусмотренной проектом для аварийного режима. Как правило, обеспечиваются питанием приборы ЭПУ; лампочки-индикаторы аварии переменного тока; световые ячейки табло, отображающие состояние участков путевого приближения и удаления, смену направления движения и занятость перегонов; необходимая часть релейной нагрузки; статив диспетчерской централизации (ДЦ); преобразователи постоянного напряжения в переменное. При безбатарейной системе к преобразователям в аварийном режиме подключаются дешифраторные ячейки участков удаления от станции, схемы смены направления и контроля занятости перегонов, схемы двойного снижения напряжения на лампах станционных и перегонных светофоров, лампы красных и пригласительных огней входных светофоров с контрольными лампочками табло. При батарейной системе от преобразователей, кроме этого, получают питание электродвигатели стрелочных приводов и контрольные цепи стрелок. Контрольные лампочки стрелочных коммутаторов имеют резерв непосредственно от батареи.

Если запуск ДГА не увенчался успехом, а внешние фидеры продолжают оставаться обесточенными, то наступает дополнительный период аварийного режима, в котором большинство нагрузок от батареи отключается. Сохраняется минимум резервирования, при котором обеспечивается питание красных ламп входных светофоров, а также схем и лампочек табло, отображающих аварийную ситуацию и состояние подходов к станции.

При безбатарейной системе продолжительность аварийного режима для крупных станций составляет до 12 ч (в том числе основного периода – 2 ч, дополнительного – 10), для промежуточных – 4 ч (без разделения на основной и дополнительный периоды). При батарейной системе промежуточных станций продолжительность аварийного режима зависит от схемы энергоснабжения поста ЭЦ, при наличии двух внешних фидеров и ДГА она составляет до 8 ч, а при отсутствии ДГА – до 16; при наличии одного внешнего фидера и ДГА – 10 ч, а при отсутствии ДГА – 22. Во всех случаях продолжительность дополнительного периода принимается равной 4 ч.

4.2.2. Методика расчета

Потребная емкость аккумуляторной батареи определяется по формуле:

Q_б = (Р_оt_о + Р_дt_д)/U_бη_qk_тk_ст, (4.1)

где Р_о – суммарная активная мощность нагрузок, подключенных к батарее в основной период, Вт;

t_о – длительность основного периода, ч;

Р_д – суммарная активная мощность нагрузок, продолжающих питаться от батареи в дополнительный период, Вт;

T_д – длительность дополнительного периода, ч;

U_б – номинальное напряжение батареи, В;

η_q – коэффициент отбора емкости, зависящий от интенсивности разряда батареи;

k_т – коэффициент, учитывающий возможное снижение температуры аккумуляторного помещения, k_т = 0,96;

k_ст – коэффициент старения аккумуляторов, k_ст = 0,85.

В сложном режиме эксплуатации аккумуляторной батареи при наличии основного и дополнительного периодов разряда коэффициент отбора емкости ηq определяется исходя из расчетного времени резервирования:

t_р = (I_оt_о + I_дt_д)/I_о, (4.2)

где I_о, I_д – соответственно токи разряда основного и дополнительного периодов аварийного режима, А;

t_о, t_д – длительность основного и дополнительного периодов, ч.

Значения токов, потребляемых некоторыми нагрузками в аварийном режиме, приведены в табл. 4.1. При расчетном времени резервирования 2 ч коэффициент η_q равен 0,65; при 4 ч – 0,8; при 6 – 0,88; при 8 – 0,95; при 10 – 1.

Т а б л и ц а 4.1

Значения токов, потребляемых нагрузками

от батареи в аварийном режиме, А

Вид нагрузки	Измеритель	Ток, отнесенный к единице измерения
Приборы питающей установки Реле групповых комплектов Контрольные лампочки табло Статив ДЦ Релейные стативы систем ЭЦ: БМРЦ УЭЦ-М ЭЦИ ЭЦ-12	Пост Пост Лампа Пост Стрелка Стрелка Стрелка Стрелка	0,432 0,981 0,105 2,500 0,170 0,262 0,215 0,200

Ток, потребляемый преобразователем напряжения от батареи в аварийном режиме, определяется по формуле:

I_пр = Р_н/η_прU_б, (4.3)

где Р_н – суммарная активная мощность нагрузок, подключенных к преобразователю, Вт;

η_пр – КПД преобразователя;

U_б – номинальное напряжение батареи, В.

КПД преобразователя описывается уравнением:

η_пр = η_φη_н/0,82, (4.4)

где η_φ – зависимость КПД от cosφ;

η_н – зависимость КПД от коэффициента нагрузки k_н.

В свою очередь

k_н = Р_н/Р_ном, (4.5)

где Р_н – активная мощность, потребляемая преобразователем, Вт;

Р_ном – активная мощность преобразователя, на которую он был настроен при наладке устройств ЭЦ, Вт.

Зависимости КПД преобразователя от cosφ и коэффициента нагрузки k_н приведены в табл. 4.2 и 4.3 соответственно.

Т а б л и ц а 4.2

Зависимость КПД преобразователя от cosφ

cosφ	0,60	0,65	0,70	0,75	0,80	0,85	0,90	0,95	1,00
ηφ	0,63	0,67	0,70	0,73	0,76	0,78	0,80	0,81	0,82

Т а б л и ц а 4.3

Зависимость КПД преобразователя от коэффициента нагрузки k_н

kн	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
ηн	0,50	0,64	0,72	0,77	0,81	0,82	0,83	0,83	0,83	0,83

По результатам расчета выбирается тип аккумуляторов. При проектировании, когда наблюдается определенный стандарт в наборе резервируемых от батареи нагрузок, институтом ГТСС рекомендуется применять для промежуточных станций аккумуляторы СК4, для станций с количеством стрелок 31 – 50 – аккумуляторы СК6/СК8, для станций с количеством стрелок 51 – 100 – аккумуляторы СК8/СК10 (в знаменателе – с учетом статива ДЦ). На промежуточных станциях при батарейной системе питания необходимые сроки резервирования обеспечиваются батареей из аккумуляторов типа СК10 – СК12 (цифра в обозначении типа аккумулятора указывает на его индекс).

4.2.3. Примеры расчета

Пример 1. Определить емкость аккумуляторной батареи промежуточной станции однопутного участка с количеством стрелок 15 при безбатарейной системе питания. Проектные решения выполнены по типовому альбому ЭЦ-12.

На основе данных табл. 4.1. запишем нагрузки, получающие питание от батареи в аварийном режиме (за исключением преобразователя), и рассчитаем их мощность:

- контрольные лампочки (0,105 А · 24 В = 2,5 Вт):

аварии переменного тока, 4 шт. Р = 2,5 · 4 = 10 Вт

- путевого приближения, удаления, направления

движения, занятия перегона, 8 шт. Р = 2,5 · 8 = 20 Вт

- релейные стативы (0,2 А · 24 В = 4,8 Вт) Р = 4,8 · 15 = 72 Вт

- статив ДЦ (2,5 А · 24 В = 60 Вт) Р = 60 · 1 = 60 Вт

∑ РБ = 162 Вт.

Определим загрузку преобразователя ПП1 панели ПР2-ЭЦ, пользуясь данными табл. 4.4. К преобразователю в аварийном режиме подключаются:

- лампы красных огней

входных светофоров, 2 шт. Р = 32 · 2 = 70 Вт; Q = 13 · 2 = 26 В∙Ар

- лампа пригласительного огня Р = 32 · 1 = 32 Вт; Q = 13 · 1 = 13 В∙Ар

- схемы ДСН на прилегающих

перегонах Р = 12,7 · 2 = 25,4 Вт; Q = 6 · 2 = 12 В∙Ар

- схема ДСН на станции Р = 36,5 · 1 = 36,5 Вт; Q = 5 · 1 = 5 В∙Ар

- схемы смены направления и

контроля занятия перегонов Р = 12,7 · 2 = 25,4 Вт; Q = 6 · 2 = 12 В∙Ар

- ячейки ДЯ участков

удаления Р = 16,6 · 2 = 33,2 Вт; Q = 16,8 · 2 = 33,6 В∙Ар

∑ Р_пр = 225,5 Вт, ∑ Q_пр = 101,6 В∙Ар.

Отсюда, пользуясь формулами (4.7) и (4.8), вычисляем полную мощность S_пр = 247 В∙А и cosφ = 0,91. Исходя из номинальной мощности преобразователя Р_ном = 300 Вт по формуле (4.5) определяем коэффициент нагрузки k_н = 0,75;
затем из табл. 4.2 и 4.3 находим коэффициенты η_φ = 0,8 и η_н = 0,83.
Это позволяет по формуле (4.4) вычислить КПД преобразователя η_пр = 0,8 и далее – активную мощность, которую он потребляет от батареи. Из уравнения (4.3) следует, что

Р_пр = ∑ Р_пр/η_пр; Р_пр = 225,5/0,8 = 282 Вт.

Определим суммарную мощность нагрузок, подключенных к батарее в аварийном режиме:

Р_о = ∑ Р_б + Р_пр; Р_о = 162 + 282 = 444 Вт.

Поскольку для промежуточных станций при безбатарейной системе существует только основной период аварийного режима продолжительностью
t_р = 4 ч, то коэффициент отбора емкости η_q = 0,8. По формуле (4.1) определяем потребную емкость аккумуляторной батареи:

Q_б = 444 · 4/24 · 0,8 · 0,96 · 0,85 = 113 А·ч.

Пример 2. Определить емкость аккумуляторной батареи крупной станции двухпутного участка с количеством стрелок 52, оборудованной системой УЭЦ-М.

На основе данных табл. 4.1 запишем нагрузки и токи, потребляемые от аккумуляторной батареи в основном периоде аварийного режима:

− приборы питающей установки I = 0,432 А

− реле групповых комплектов I = 0,981 А

− контрольные лампочки аварии переменного тока I = 0,105 · 4 = 0,42

− лампочки табло путевого приближения и удаления I = 0,105 · 8 = 0,84 А

− релейные стативы I = 0,262 · 52 = 13,6 А

∑ I_б = 16,28 А.

К преобразователю напряжений панели ПВП1-ЭЦК подключаются те же нагрузки, что и для промежуточной станции, рассмотренные в примере 1, поэтому по формуле (4.3) определим ток, потребляемый им от батареи:

I_пр = 225,5 / 0,8 · 24 = 11,74 А.

Следовательно, разрядный ток в основном периоде

I_о = ∑ I_б + I_пр; I_о = 16,28 + 11,74 = 28,02 А.

В дополнительном периоде аварийного режима к батарее остаются
подключенными приборы питающей установки (0,432 А), лампочки табло
(12 шт., 1,26 А) и преобразователь (11,74 А) с суммарным током потребления
I_д = 13,43 А. Имея в виду, что для крупной станции длительность основного периода составляет 2 ч, а дополнительного – 10 ч, по формуле (4.2) вычисляем расчетное время аварийного режима:

t_р = (28,02 · 2 + 13,43 · 10)/28,02 = 6,8 ч.

Следовательно, коэффициент отбора емкости находится в пределах от 0,88 до 0,95; примем η_q = 0,91. По формуле (4.1) определяем потребную емкость аккумуляторной батареи:

Q_б = (28,02 · 24 · 2 + 13,43 · 24 · 10)/24 ·0,91 · 0,96 · 0,85 ≈ 256 А·ч.