Применение литий-железо-фосфатных аккумуляторных батарей в составе систем оперативного постоянного тока на распределительных подстанциях и электростанциях

Е.А. Чудинов – профессор, д.т.н., А.Н. Ворошилов – инженер, С.В. Кучак – инженер

Введение

Призматические литий-ионные аккумуляторы большой энергоёмкости, использующие в качестве катодного материала фосфат литий-железа (далее – ЛИА), были разработаны для применения их в составе систем накопления энергии и на электротранспорте. Данные применения обусловлены высоким значением плотности запасаемой энергии и большим допустимым количество циклов заряда/разряда у этих аккумуляторов. Как показал анализ и подтвердил опыт первых реализованных проектов, аккумуляторные батареи на основе литий-железо-фосфатных аккумуляторов (далее – ЛИАБ) также целесообразно использовать в источниках бесперебойного питания (в том числе on-line ИБП) и в системах оперативного постоянного тока (далее – СОПТ). Особенно эффективно применение ЛИАБ либо в системах, рассчитанных на малое время резервирования (полчаса и менее), либо при наличии импульсных нагрузок (электромагнитные приводы баковых масляных выключателей, пусковые токи аварийных маслонасосов). В этих системах номинал используемых литий-ионных аккумуляторов может быть снижен в 2 – 4 раза по сравнению со свинцово-кислотными или никель-кадмиевыми аккумуляторами, а экономия средств может достигать несколько миллионов рублей на одну батарею. Ниже приводится описание свойств литий-железо-фосфатных аккумуляторных батарей и особенностей их работы в режиме поддерживающего заряда, а также проводится анализ эффективности их применения.

Особенности работы литий-железо-фосфатных аккумуляторов

Тип электрохимической реакции

В основе функционирования литий-ионных и свинцово-кислотных аккумуляторов лежат разные электрохимические реакции, отличающиеся как механизмом, так и скоростью протекания процессов. Рассматриваемые литий-ионные аккумуляторы представляют собой электрохимическую систему, в которой в качестве катодного материала используется литий-железо-фосфат, в качестве анода используется углерод. В качестве электролита используется соль лития LiPF6, растворенная в смеси органических растворителей. Различие в химическом потенциале лития внутри матриц положительного и отрицательного электродов создает напряжение элемента. Реакции, протекающие при заряде и разряде литий-железо-фосфатного аккумулятора, могут быть записаны в следующем общем виде:

Катод: LiхFePO4 - xLi+ - xe- → FePO4

Анод: 6C+xLi++xe- → LixC6

Направление слева направо соответствует реакции заряда, справа налево – реакции разряда. В процессе зарядки аккумулятора катионы лития, которые обладают наивысшим отрицательным потенциалом по сравнению с любыми другими металлами (-3,045 В относительно стандартного водородного электрода) и наименьшим размером иона, перемещаются и эффективно обратимо интеркалируют в материал анода. При этом они являются единственным подвижным веществом. Важно отметить, что на границе электрод-электролит химическая реакция не происходит.

Безопасность и экологичность

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы, эксплуатирующиеся в нормальном режиме, не содержат металлический литий. Это определяет возможность их безопасной эксплуатации. Испытания этих аккумуляторов показали их высокую надежность и безопасность. Благодаря ограниченной проводимости катодного материала эти аккумуляторы не взрываются при внутреннем коротком замыкании, даже будучи насквозь пробиты гвоздем через все электроды. Испытания также показали устойчивость ЛИА к длительному внешнему металлическому короткому замыканию (до полного разряда аккумулятора). Согласно классификации ГОСТ 12.1.044-89, ЛИА относятся к изделиям горючим трудновоспламеняемым, то есть имеют лучший класс пожаробезопасности относительно свинцово-кислотных аккумуляторов, в которых корпуса изготавливается из горючего материала.

В процессе изготовления ЛИА используются только экологически чистые материалы. Например, ЛИА некоторых производителей относятся к четвертому классу отходов (малоопасные или твердые бытовые отходы) и не требуют специальных методов утилизации.

Размещение и условия эксплуатации

В процессе работы литий-железо-фосфатных аккумуляторов не выделяются вредные и опасные вещества. Поскольку ЛИА герметичны и при их эксплуатации не выделяются газы, эти аккумуляторы могут быть размещены в обычных шкафах промышленного исполнения и располагаться в электротехнических помещениях общего назначения в непосредственной близости от прочего оборудования.

ЛИА способны функционировать в широком интервале температур: от минус 40 до плюс 60 °С. Рекомендуемая температура на клеммах аккумулятора при эксплуатации составляет от 0 до плюс 30 °С при заряде и от минус 20 до плюс 30 °С при разряде. Оптимальная температура для эксплуатации аккумулятора – плюс (20 ± 5) °С. Более высокие температуры могут привести к снижению срока службы аккумулятора. Более низкие температуры не сокращают срок службы, но уменьшают отдаваемый заряд. Кроме того, необходимо избегать длительной эксплуатации аккумуляторов при температурах выше плюс 40 °С. На рисунке 1 представлен график зависимости снимаемого с ЛИА заряда в зависимости от температуры окружающей среды.

Рисунок 1 – Зависимость отдаваемого заряда от температуры

Значение максимально допустимого длительного тока разряда составляет 3Сн. Данное значение тока определяется не типом электрохимической реакции, а процессами рассеивания тепла на внутреннем сопротивлении. Проведенные испытания на устойчивость аккумуляторов к токам короткого замыкания показали, что они выдерживают внешнее короткое замыкание в течение 24 часов. При этом в первые миллисекунды после короткого замыкания устанавливаются токи короткого замыкания токи на уровне 102Сн – 108Сн, после чего они падают до значения 16Сн – 24Сн.

Рекомендуемый режим заряда аккумуляторов – двухступенчатый с профилем IU. Рекомендуемая величина тока заряда – 0,2Сн.

Для увеличения срока службы рекомендуется эксплуатировать аккумулятор в диапазоне от 10 до 90 % от его номинальной ёмкости.

Работа в составе батареи в режиме поддерживающего заряда

В составе батареи необходимо использовать аккумуляторы с минимальным разбросом по внутреннему сопротивлению и ёмкости. Как показали ресурсные испытания, для обеспечения длительных сроков эксплуатации в режиме поддерживающего заряда (не менее 20 лет) недопустима эксплуатация аккумуляторов в режиме заряда 100 %. В этом заключается основное отличие работы любых литий-ионных аккумуляторов от свинцово-кислотных или щелочных аккумуляторов. Степень заряда ЛИА в длительном режиме не должна быть ниже 10 % и выше 90 – 95 %. В связи с этим необходима периодическая балансировка аккумуляторов между собой, поскольку даже в режиме поддерживающего заряда происходит рост разброса степени их заряда вследствие неравномерности скорости саморазряда индивидуальных аккумуляторов. Для этих целей в состав ЛИАБ входит СКУ (система контроля и управления). Как показали ресурсные испытания, при соблюдении этого правила, скорость уменьшения емкости аккумуляторов в режиме поддерживающего заряда составляет менее 1 % в год или менее 20 % за 20 лет.

Зависимость напряжения на аккумуляторе и его внутреннего сопротивления от степени заряда/разряда

Напряжение на ЛИА определяется напряжением разомкнутой цепи, поляризационным потенциалом и омическими потерями на внутреннем сопротивлении аккумулятора при протекании через него электрического тока. Напряжение разомкнутой цепи Ex определяется разностью электрохимических потенциалов катода и анода в равновесном состоянии, каждый из которых определяется уравнением Нернста:

где – электрохимический потенциал катода или анода;

R – универсальная газовая постоянная;

T – абсолютная температура;

n – число электронов, соединяемых с ионом (для лития n = 1);

F – число Фарадея;

Li+ – концентрация носителей в контактном слое электрод-электролит.

Из представленного выражения следует, что потенциал литированного электрода логарифмически зависит от степени концентрации ионов лития. Можно показать, что при изменении концентрации в 10 раз электродный потенциал Eх при комнатной температуре меняется примерно на 59 мВ. Типовое значение Eх для аккумулятора, заряженного до 90 %, при нормальных условиях составляет 3,32 – 3, 34 В.

Внутреннее сопротивление аккумулятора определяется переходным сопротивлением борн-электрод, материалом электродов, сопротивлением электролита. Типичное значение внутреннего сопротивления элемента номинальной ёмкостью 380 А·ч, измеренное на частоте 1 кГц, составляет 0,1 – 0,2 мОм на аккумулятор. На постоянном токе (измеренном методом 17 по ГОСТ Р МЭК 896-1-95), сопротивление выше и составляет примерно 0,3 – 0,4 мОм, поскольку необходимо учитывать сопротивление перехода электрод-электролит. При токе заряда 100 А этому значению внутреннего сопротивления соответствует падение напряжения 30 – 40 мВ. Измерения показали, что как на переменном, так и на постоянном токе внутреннее сопротивление слабо зависит от степени заряда или разряда батареи в диапазоне от 10 до 90 %.

Характер зависимости напряжения на аккумуляторе при его заряде или разряде постоянным током имеет специфический характер. На рисунке 2 показана типичная зависимость напряжения на аккумуляторе LT-LYP380 от степени заряда при заряде, на рисунке 3 – при разряде различными токами.

Рисунок 2 – Зависимость напряжения на аккумуляторе LT-LYP380AH от степени его заряда при заряде разными токами (0,2Сн; 0,5Сн; 1Сн)

Рисунок 3 – Зависимость напряжения на аккумуляторе LT-LYP380AH от степени его разряда при разряде разными токами (0,2Сн; 0,5Сн; 1Сн)

Нелинейный вид кривой роста напряжения в начале цикла заряда обусловлен быстрым изменением концентрации ионов лития в приэлектродной области. Нелинейный вид кривой роста напряжения в конце цикла заряда обусловлен тем, что электрохимическая система становится неспособной доставлять необходимое количество ионов лития для поддержания требуемой интенсивности химической реакции (силы тока) на постоянном уровне. При этом происходит переход к другому типу химической реакции, сопровождающийся ростом поляризационного потенциала. В случае дальнейшего увеличения напряжения возможно образование металлического лития и необратимое разложение электролита, что ведет к выходу аккумулятора из строя. Поэтому напряжение заряда литий-железо-фосфатного аккумулятора должно быть ограничено на уровне 3,7 – 3,9 В.

Таким образом, для литий-ионного аккумулятора, использующего в качестве катодного материала литий-железо-фосфат, характерна сравнительно слабая зависимость напряжения на аккумуляторе от степени его заряда в рекомендуемом диапазоне его эксплуатации 10 – 90 %..

Величина поляризационного потенциала

Для традиционных типов аккумуляторов (свинцово-кислотные, никель-кадмиевые) характерно сравнительно высокое значение поляризационного потенциала, обусловленного зарядом слоя электрод-электролит, и соответствующим ему смещением напряжения на аккумуляторе относительно равновесного состояния (напряжения разомкнутой цепи) при разряде или заряде его даже небольшими токами. Так при переходе свинцово-кислотного аккумулятора из режима поддерживающего заряда с напряжением 2,23 – 2,24 В в режим разряда малыми токами, напряжение на нем снижается до 2,05 – 2,08 В. Аналогичный процесс характерен и для никель-кадмиевого аккумулятора. При переходе литий-железо-фосфатного аккумулятора из режима поддерживающего заряда с напряжением 3,34 В в режим разряда малыми токами, напряжение на нем уменьшается всего на 0,01 – 0,02 В, то есть примерно в 10 – 18 раз меньше по сравнению с традиционными типами аккумуляторов. Примеры зависимостей напряжения на различных аккумуляторах при разряде их токами 0,2Сн, пересчитанная для аккумуляторной батареи 220 В, представлена на рисунке 4. Данные для NiCd и Li-FePO4 аккумуляторов предоставлены производителями, данные для PbSO4 аккумуляторы получены исходя из анализа графиков, представленных в [1].

Рисунок 4 – Зависимость напряжения для различных аккумуляторов от степени их разряда при разряде их токами 0,2Сн, пересчитанная для аккумуляторной батареи 220 В

Параметры аккумуляторных батарей в примере подобраны таким образом, что напряжение поддерживающего заряда равно 233,0 В для всех типов батарей. Видно, что при переходе в режим разряда токами 0,2Сн, напряжение на литий-ионной батарее снижается существенно меньше по сравнению со свинцово-кислотной и никель-кадмиевой батареями. Эта особенность ЛИАБ позволяет при ее использовании отказаться от применения дополнительных (хвостовых) элементов в батарее и разделения шин постоянного тока на два уровня (ШП и ШУ/ШС) при наличии толчковых нагрузок. Также это позволяет избежать необходимости использовать стабилизаторов напряжения (вольт-добавочных преобразователей). Это позволяет существенно упростить построение СОПТ и уменьшить стоимость используемого оборудования. Кроме того, в случае если номинал батареи определяется просадкой напряжения при прохождении импульса тока (это характерно для большинства подстанций 110 кВ и тяговых подстанций на железной дороге), номинал ЛИАБ может быть в несколько раз уменьшен по сравнению со свинцово-кислотными или щелочными батареями.

Сравнение характеристик литий-ионных и свинцово-кислотных аккумуляторных батарей

Особенности размещения

Как было указано, допускается размещение ЛИАБ в электротехнических помещениях общего назначения. На рисунке 5 представлен вариант размещения аккумуляторной батареи в шкафах.

Рисунок 5 – Вариант размещения ЛИАБ в шкафах

Недостатком свинцово-кислотных аккумуляторных батарей (СКБ) является то, что в процессе их работы в некоторых режимах выделяется водород. В связи с этим, согласно требования раздела 4.4 ПУЭ [2], СКБ необходимо размещать в специализированных аккумуляторных помещениях класса В-Iа. Это требует создания сложной инженерной инфраструктуры, включающей сооружение тамбура и помещения для хранения кислоты, установку отдельной от общей системы приточно-вытяжной механической системы вентиляций во взрывозащищенном исполнении, установку взрывозащищенных светильников и т.д. Все это требует существенных дополнительных затрат при сооружении энергообъекта. Кроме того, при проектировании энергообъекта предусматривается, что у аккумуляторного помещения должна быть как минимум одна внешняя стена здания, сооружаемая из легко разрушаемых материалов. Это правило не всегда удобно соблюдать при строительстве большого объекта и, как правило, ведет к удорожанию кабельных трасс. Пример размещения СКБ представлен на рисунке 6а.

Площадь аккумуляторных помещений достигает 100 м2 и более. Учитывая то, что на крупных энергообъектах может использоваться несколько батарей, стоимость владения СКБ и инфраструктуры для их использования становится сопоставимой со стоимостью самого оборудования. На рисунке 6б показан пример расположения ЛИАБ в уже имеющемся аккумуляторном помещении (после замены СКБ). Видно, что высвобождаются значительные площади. Особенно заметная экономия может быть достигнута при новом строительстве.

Рисунок 6 – Расположение в аналогичных аккумуляторных помещениях СКБ и ЛИА

Динамика изменения напряжения на батарее в процессе ее работы

В различных режимах работы напряжение на аккумуляторной батарее может существенно изменяться, поскольку изменяется среднее напряжение на отдельном аккумуляторе. Это было проиллюстрировано на рисунке 4. Во время перехода из режима поддерживающего заряда в режим разряда при использовании СКБ среднее напряжение на аккумуляторе может варьироваться от 2,23 – 2,24 В (в режиме поддерживающего заряда) до 2,05 – 2,08 В при переходе в режим разряда на нагрузку малыми токами. Кроме того, в первые несколько минут разряда наблюдается дополнительный провал напряжения (так называемый «мешок тока»), глубина которого определяется величиной тока разряда при переходе в аварийный режим. При дальнейшем разряде происходит плавное снижение напряжения на свинцово-кислотном аккумуляторе до величины 1,7 – 1,8 В при разряде током 0,5Сн (разряд в течение двух часов). Для никель-кадмиевого аккумулятора диапазон изменения напряжения еще более широк: от 1,42 – 1,46 В в режиме подзаряда до 1,00 В в конце разряда. Это обуславливает сравнительно широкий диапазон изменения напряжения СОПТ в процессе работы батареи, что не всегда допустимо.

В случае использования ЛИАБ диапазон изменения напряжения СОПТ при переходе из одного режима в другой и при разряде существенно хуже. Так при переходе из режима поддерживающего заряда в режим разряда на нагрузку малыми токами, напряжение на аккумуляторе изменяется с 3,34 В до 3,30 – 3,32 В (при этом можно не учитывать падение напряжение на внутреннем сопротивлении). Благодаря этому факту, при работе на толчковую нагрузку можно использовать ЛИАБ существенно меньшей номинальной ёмкости по сравнению с СКБ.

Выбор номинальной ёмкости аккумулятора при наличии толчковых токов определяется величиной просадки напряжения на входных клеммах электромагнитного соленоида включения масляного выключателя в момент прохождения импульса тока (0,8·Uн или 187 В). С учетом запаса на падение напряжение на кабелях в момент прохождения импульса тока, как правило, батарея проектируется исходя из необходимости обеспечить напряжение на ее выходе не ниже 0,9·Uн или 198 В. Глубина просадки напряжения определяется ее внутренним сопротивлением, которое, в свою очередь, обратно пропорционально ёмкости батареи. Таким образом, ёмкость свинцово-кислотной аккумуляторной батареи выбирается с существенно большей по сравнению с тем значением, которое требуется для обеспечения постоянного тока разряда в течение аварийного режима. В связи с тем, что у ЛИАБ при переходе от режима подзаряда в режим разряда напряжение снижается существенно меньше, для обеспечения требуемого провала напряжения она может иметь бóльшее сопротивление (следовательно, меньшую ёмкость) по сравнению с СКБ. Данный случай проиллюстрирован на рисунке 7а.

Ситуация частично исправляется за счет использования дополнительных (хвостовых) элементов СКБ и организации двух уровней напряжения на шинах щита постоянного тока: отдельно для питания соленоидов (ШП), отдельно – для питания РЗиА и сигнализации (ШУ/ШС). Но, с одной стороны, это приводит к использованию дополнительных зарядных устройств, с другой стороны, использование ЛИАБ даже в этом случае приводит к существенному снижению номинала батареи (см. рисунок 7б).

Рисунок 7а – Диапазоны изменения напряжения СОПТ при различных режимах для ЛИАБ и СКБ из 104 элементов

Рисунок 7б – Диапазоны изменения напряжения СОПТ при различных режимах для ЛИАБ и СКБ из 108 элементов

Внутреннее сопротивление

Как было показано, при работе на импульсную нагрузку выбор ёмкости батареи и типа аккумулятора определяется требуемой величиной внутреннего сопротивления, которая определяется суммой величин внутренних сопротивлений последовательно соединенных аккумуляторов и сопротивлений силовых перемычек между ними. В данном случае речь идет об определении величины внутреннего сопротивления, измеренного по методу 17 ГОСТ Р МЭК 896-1-95 «Свинцово-кислотные стационарные батареи. Общие требования и методы испытания. Часть 1 Открытые типы» [3], как отношения провала напряжения на аккумуляторе при прохождении импульса тока.

На рисунке 8 представлены графики зависимости внутреннего сопротивления от ёмкости для различных типов аккумуляторов. Видно, что величина внутреннего сопротивления литий-ионного аккумулятора (круглые точки) существенно ниже аналогичной величины для любого свинцово-кислотного аккумулятора.

Рисунок 8 – Зависимость внутреннего сопротивления аккумуляторов от номинальной ёмкости

Примечание: на графике величина внутреннего сопротивления ЛИА приведена к сопротивлению 2 В.

Разрядные характеристики

Номинальная ёмкость свинцово-кислотного или никель-кадмиевого аккумуляторов определяется для тока разряда в течение десяти часов (0,1Сн). При разряде аккумулятора бо́льшим током его ёмкость снижается. В этом случае речь идет об эффективной ёмкости при определенной величине тока разряда. Уменьшение значения эффективной ёмкости определяется тем, что при увеличении разрядного тока возрастают потери энергии на ее внутреннем сопротивлении (потери энергии нелинейно зависят от тока разряда), а также начинают сказываться ограничения, связанные с конечностью скорости протекания химической реакции на границе электрод-электролит.

С этой точки зрения ЛИА имеют важное преимущество по сравнению с традиционными аккумуляторами. Скорость протекания электрохимической реакции в них определяется только скоростью диффузии ионов лития в материале электрода, химических преобразований на границе электрод-электролит не происходит. В связи с этим эффективность использования ЛИА по сравнению, например, со свинцово-кислотными аккумуляторами возрастает при переходе к разрядам на малых временах (0,5 ч и менее). То есть, эффективная ёмкость ЛИА на малых временах резервирования существенно выше по сравнению с эффективной ёмкостью традиционных аккумуляторов той же номинальной ёмкости. На рисунке 9 показана зависимость отдаваемого тока от времени разряда для батарей различного типа примерно одинакового номинала. На рисунке 10 представлена зависимость эффективной ёмкости от разрядного тока.

Рисунок 9 – Зависимость тока разряда от времени разряда для различных аккумуляторов

Исходя из рисунка, при применении аккумуляторной батареи в режимах разряда в течение 0,5 ч при прочих равных условиях величина номинальной ёмкости ЛИАБ будет меньше в 1,5 – 2,3 раза по сравнению с СКБ, даже при учете того, ЛИАБ содержится в состоянии заряда менее 100 %.

Примечание: на графике представлены данные для разряда ЛИА не ниже 2,8 В.

Рисунок 10 – Зависимость эффективной ёмкости тока разряда для различных аккумуляторов

Коэффициент заряда и эффективность заряда. КПД аккумулятора

Коэффициент заряда Kch определяется как отношение величины заряда, который необходимо сообщить батарее для достижения исходного заряженного состояния, к зарядной ёмкости. Коэффициент заряда всегда больше единицы. Величина, обратная коэффициенту заряда, называется эффективностью заряда:

где η – эффективность заряда.

Для СКА η ≈ 0,96 – 0,97 при номинальных токах заряда 0,1Сн. Измеренная эффективность заряда для ЛИА при тех же значениях тока составляет 0,996 – 0,998, то есть значительно выше. Данный параметр определяет КПД аккумулятора при его работе в режиме циклирования.

Сравнение характеристик ЛИАБ и СКБ

По сравнению с традиционными свинцово-кислотными аккумуляторами, ЛИА имеют следующие недостатки:

более высокую стоимость при сравнении аккумуляторов равного номинала;
их нельзя эксплуатировать в состоянии заряда 100 %;
для их эксплуатации необходимо использовать СКУ, в частности для балансировки элементов батареи.

В свою очередь, ЛИА имеют следующие преимущества:

имеют малые размеры и вес (удельная энергоёмкость выше в 4 – 10 раз);
не требуют для своей эксплуатации специальную инженерную инфраструктуру: могут располагаться в обычных помещениях, при этом занимают существенно меньшую площадь;
не содержит токсичных веществ – нет проблем при утилизации;
пожаро- и взрывобезопасны;
имеют низкое значение поляризационного потенциала: их диапазон изменения напряжения в различных режимах работы существенно у́же;
имеют низкое значение внутреннего сопротивления;
имеют высокие разрядные характеристики на малых временах разряда (по сравнению с СКБ их эффективность возрастает примерно в 2 раза при разряде током 2Сн);
имеют более высокий КПД в цикле заряд/разряд.

Использование ЛИАБ в СОПТ энергообъектов различных типов

ЛИАБ позволяет отказаться от необходимости иметь специальное помещение с дополнительной инженерной инфраструктурой, что позволяет существенно снизить стоимость владения аккумуляторной батареей. Это определяет экономическую эффективность практически любого проекта использования ЛИАБ. Помимо этого фактора, использование ЛИАБ дает дополнительные преимущества в зависимости от типа энергообъекта и способа применения батареи.

Подстанции с баковыми масляными выключателями 110 кВ и 220 кВ

На таких подстанциях потребляются большие толчковые токи. Применение ЛИАБ позволяет существенно снизить номинал аккумуляторной батареи и уменьшить стоимость оборудования. Экономия достигается за счет следующих факторов:

Величина поляризационного потенциала у ЛИА существенно меньше. В связи с этим, при переходе из режима поддерживающего заряда в режим разряда снижение напряжения на нем мало. Это позволяет использовать аккумуляторную батарею с бóльшим внутренним сопротивлением;
Внутренне сопротивление ЛИА, приведенное к номинальному напряжению, имеет меньшую величину для аккумуляторов равного номинала.

Эти два фактора позволяют значительно (в несколько раз) снизить номинальную ёмкость используемой батареи по сравнению с любой СКБ. Кроме того, стоимость ЛИА значительно ниже при прямом сравнении номинал/номинал с аккумуляторной батареей GroE (или с ее российским аналогом БП) – лучшими свинцово-кислотными аккумуляторами с точки зрения работы на толчковую нагрузку.

Подстанции 220 кВ и выше (модернизированные)

На новых подстанциях (220 кВ и выше), как правило, используются микропроцессорные системы РЗиА. Данное оборудование гораздо более чувствительно к качеству электроснабжения по сравнению с электромеханическими реле, вследствие этого ужесточились требования к ЭМС оборудования. Тем не менее, в последние годы увеличилась вероятность отказа оборудования РЗиА. Основными причинами отказа являются:

выход из строя входных цепей питания РЗиА;
ложное срабатывание устройств РЗА, возникающее, например, при замыкании на землю положительного полюса СОПТ при достаточно большой электрической ёмкости сети постоянного тока на землю.

При этом велика вероятность развития в энергосистеме системной аварии, вызванной каскадным отключением первичного оборудования. На подстанциях применяется комплекс мер по минимизации вероятности отказа. Так, например, согласно типовым проектным решениям нагрузки разделены на две части: "чистую" и "грязную" зоны, гальванически связанные между собой только в непосредственной близости от аккумуляторной батареи. Одним из способов, позволяющих снизить вероятность отказа системы РЗиА, является переход от централизованной структуры СОПТ к децентрализованному ее построению, при котором «чистая» и «грязная» зоны питаются от разных батарей и гальванически развязаны между собой. Для этих целей целесообразно использовать компактные необслуживаемые аккумуляторные батареи (например, ЛИАБ), размещаемые в шкафах непосредственно рядом с остальным оборудованием.

Объекты генерации

Характерной особенностью объектов генерации является то, что время резервирования питания ответственных потребителей СОПТ сокращено до 30 мин. Как было показано выше, использование ЛИА в этом случае позволяет существенно снизить стоимость оборудования за счет снижения номинала аккумуляторов. Кроме того, в связи с тем, что при разряде ЛИА напряжение на нем почти не меняется во всем рабочем диапазоне степени разряда, это позволяет отказаться от применения стабилизаторов напряжения и, тем самым, дополнительно снизить стоимость применяемого оборудования.

Выводы

Применение аккумуляторных батарей на основе литий-железо-фосфатных аккумуляторов позволяет:

При проектировании систем оперативного постоянного тока избежать необходимости использовать дорогостоящую инфраструктуру, необходимую для эксплуатации свинцово-кислотных аккумуляторов. Это позволяет существенно снизить стоимость владения батареей.
На подстанциях, потребляющих значительные импульсные токи, – заметно снизить требуемый номинал батареи, отказаться от двухуровневой структуры ЩПТ и дополнительных ЗВУ и, тем самым, существенно снизить конечную стоимость оборудования СОПТ.
На объектах генерации, газокомпрессорных станциях и других энергообъектах, использующих батареи, рассчитанные на время резервирования 30 мин – снизить стоимость оборудования за счет уменьшения номинала батареи.
На крупных энергообъектах (ГЭС, АЭС) – избежать необходимость иметь разветвленные кабельные трассы СОПТ и, тем самым, снизить ёмкость полюсов СОПТ на «землю», что важно с точки зрения корректной работы системы контроля изоляции.
На подстанциях, использующих микропроцессорные системы РЗА, – гальванически развязать нагрузки на различные зоны и снизить ёмкость полюсов сети на землю в каждой зоне, что важно с точки зрения минимизации рисков ложного срабатывания РЗА.

В целом можно сказать, что применение литий-ионных аккумуляторных батарей в ряде применений является экономически целесообразным. Экономия средств может достигать нескольких миллионов рублей на одну батарею. Прогнозируемый срок службы аккумуляторных батарей на основе литий-железо-фосфатных аккумуляторов, полученный на основании анализ результатов ресурсных испытаний и первых реализованных проектов, составляет более 20 лет в режиме поддерживающего заряда. Вместе с тем, применение ЛИАБ имеет свои специфические особенности, которые необходимо учитывать при проектировании и конструировании оборудования. Авторы уверены, что в ближайшем будущем литий-ионные аккумуляторные батареи займут достойное место на рынке систем бесперебойного питания постоянного и переменного тока в энергетике.

Список литературы

Методика расчета и выбора аккумуляторных батарей серий Classic GroE b Classic OSCM для применения в энергетике, М. 2005, с. 7;
Правила устройств электроустановок, изд. 7-е, раздел 4.4;
ГОСТ Р МЭК 896-1-95 «Свинцово-кислотные стационарные батареи. Общие требования и методы испытания. Часть 1. Открытые типы». с. 10.

Статья заряд LFP_1.2.pdf

750