浅谈蓄电池在变电站的应用

浅谈蓄电池在变电站的应用

作者：黄兆欧等

来源：《华中电力》2014年第02期

1阀控型密封铅酸蓄电池的结构特点

在变电站中，阀控型铅酸蓄电池是80年代末期从国外引进的一种新型铅酸蓄电池。采用了阀控型密封免维护铅酸蓄电池（缩写VRLA）。它的工作原理、特性曲线、运行方式与敞开式铅酸蓄电池不尽相同，其结构特点主要有以下几点：

（1）阀控型铅酸蓄电池的电解液有胶体与液体两种，液体的一般吸附在极板间由超细玻璃纤维制成的隔膜中，吸附比约为90%。阀控型蓄电池存储电解液的缸体是密封的，在缸体上装有一个安全排气阀，当内部气体压力超过规定值时，阀门自动排气，直到压力恢复正常自动关闭。无论电池立放或卧放，电解液都不会溢出。所以它不需要添加电解液，维护工作量小。 （2）阀控型铅酸蓄电池的电解液比重比普通铅酸蓄电池高，因而其开路电压、浮充电电压、均衡充电电压均比普通铅酸蓄电池高。在相同直流母线电压情况下，所需的蓄电池个数也较少。

（3）因该电池没有酸气溢出，所以对环境污染很小，不需要专门的电池室。阀控式铅酸蓄电池根据其用途的不同可组装成2V、6V、12V系列的电池规格，这些电池除了内部结构的差异外，在性能上都具有VRLA蓄电池的特点。其结构组件有正极板、负极板、电解质、容器外壳、引出正＼负极柱等组成。 2、蓄电池故障情况分析

截止2010年底，浙江温州电力局110kV变电站 28 座，35kV变电站 29 座。所有变电站直流电源系统分别配备一组蓄电池，均为直流220V电源系统，已全部采用阀控式密封铅酸蓄电池。在2008年至2010年的三年中，蓄电池发生过多次故障，分析如下：

按故障类型分析，近三年浙江温州电力局110kV及以下变电站蓄电池故障共发生15次，其中电池电压异常的故障有5次，占全部故障的 33.3%；容量不足的故障有5次，占全部故障的 33.3%；蓄电池渗液的故障有2次，占全部故障的13.3%；蓄电池变形的故障有1次，占全部故障的6.7%。详见表1和图2：

目前针对蓄电池故障主要可采取的措施有以下几条：

（1）对于容量不足、电压异常、渗液的蓄电池组，主要采取更换的措施。 （2）积极开展蓄电池的入网检测工作，杜绝质量不好的蓄电池投入运行。

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（3）对于阀控蓄电池壳体异常的处理方法：减小充电电流、降低充电电压，检查安全阀体是否堵死。

（4）备用搁置的阀控蓄电池，每3个月进行一次补充充电。严格按照周期开展核对性充放电试验。

3、 蓄电池容量检测必要性

随着蓄电池维护人员对电池构造、原理等认识的逐步深入，早期那种单纯靠蓄电池端电压来了解电池性能的方法已经被淘汰，而更多的是通过放电检测的手段来了解蓄电池的实际容量，据此判断蓄电池的性能。对蓄电池组进行实际容量测试的目的在于能够准确掌握电池组的实际放电能力，根据国际有关电源维护规程以及蓄电池维护效果要求，电池组电容量达不到80%便应整组淘汰，但是，一般客户在使用过程中，即便电池容量只有60%，有的甚至只有40%也还在继续使用，这是非常危险的，一旦市电突然中断，造成的后果可想而知。出现这个情况的原因首先是由于蓄电池更换费用昂贵，其次是维护人员没有及时、快速、准确、可靠地掌握现场蓄电池的实际荷电能力。

阀控式蓄电池的使用寿命是否终结的主要判据是电池的剩余容量是否满足系统工作要求，或者满足有关维护规程的要求。但现在由于电池厂家竞争激烈，厂家的承诺售后服务力不从心。在实际使用中，很多情况下是在市电停电后才发现蓄电池放电容量达不到要求，而且，部分蓄电池检测系统只采集电池的电压，但电压尤其是浮充电压很难反映出蓄电池的性能问题。蓄电池是一种化学反应非常复杂的设备，对它进行快速准确的容量检测是非常困难的。从蓄电池性能与容量检测技术、检测效果的角度来看，可以将蓄电池在线检测技术归纳为定性检测技术。而核对放电技术可以归之为定量检测技术类。定性检测技术的侧重点在于给我们提供一个蓄电池性能状态的参考，不需要准确测算整组电池或每节单体电池的实际容量指标。而作为它的重点即在于给我们提供一个准确的电池容量值，最终可以作为市电断电后系统电源支撑能力的依据，这是至关重要的。

4蓄电池组容量检测方法的发展现状

为了充分发挥蓄电池作为后备电源的作用，以保证系统的正常运行，使得对后备电源的维护问题显得十分重要。国（省）内外研究机构对于铅酸蓄电池的检测与维护方法不一，常使用以下方法：

4.1 早期蓄电池电压的测量法

蓄电池的性能状态最终体现在电池的容量与落后程度上，电池的电压可以在一定程度上反映出电池性能的好坏，当电池放电到一定程度后，其电压值便开始明显降低，在早期的电池维护中，由于检测仪器的匮乏，维护人员普遍采用万用表对电池电压进行测量，通过电压高低来

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简单判断电池性能的好坏，而电池的实际放电能力只能通过电池实际容量反映出来，通过测量电池端电压根本不能正确反映电池的落后情况。

实际操作中，我们经常会发现，在浮充状态下，坏电池或者容量降低的落后电池与正常电池的电压没有明显区别，电压与容量之间也没有可循的规律，大量研究实践证明，即便是浅度放电状态，单纯通过电压高低根本无法判别电池性能的好坏。 4.2在线快速容量检测法（电池巡检法）

在放电状态下，对蓄电池组的各单体电池的端电压进行巡检，找出端电压下降最快的一只，将其确认为落后电池，再利用核对放电仪器，对该节电池进行核对放电，检测其容量，即代表该组电池的容量。

目前，用在线快速检测法可以较快地判定电池组中部分或者个别落后或劣化电池，但还不足以准确测定电池的好坏程度，包括电池的容量等指标，仅适宜作为一个定性检测的参考。这种方法的优点是操作简单，风险系数小，并可以快速查找落后电池。不过最大的缺点还是检测精度低，只能作为电池落后状态判定依据，不能准确测算电池的好坏程度及电池容量指标。同时检测要求较高，如要达到一定的检测精度，则现场一般应满足包括放电因素在内的系列条件，而实际情况却各有差别，大多达不到相应的检测要求，所以，检测情况还不是很理想，尤其是容量检测准确度较低。 4.3 电导（内阻）测量法

电导测量是向蓄电池两端加一个已知频率和振幅的交流电压信号，测量出与电压同相位的交流电流值，其交流电流分量与交流电压的比值即为电池的电导。电导是频率的函数，不同的检测频率下有不同的电导值。在低频率下，电池电导与电池容量相关性很好，一般测量频率在20Hz左右，根据不同容量的电池其测量频率一般会作相应调整。

人们希望通过检测电导把握蓄电池的劣化程度。由于电池的老化失效是多因素造成的。其失效模式往往只有在事后解剖、观察检测才能确定，因此单纯的阻抗变化很难准确反映劣化程度，但是现场检测数据还是表明了阻抗与劣化程度之间的极大相关性。这表明几方面的情况： 电池的劣化失效遵循一定的规律；

某些类型的电池劣化引起该测量频率下降的阻抗的变化；

尚有部分类型的电池劣化不影响阻抗值的变化，尤其是在容量下降幅度较小的情况； 严重失效的电池其阻抗变化强烈。即用阻抗方法能发现所有严重失效的电池。

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直流设备制造商美国Midtronics公司进行过试验，其现场检测数据如下：图3.1是表明电导与劣化程度相关性的一组数据。 “+”为运行4.5年的电池，“●”为运行6年的电池数据。可以看到，图中数据不仅表明电导与劣化程度有关，而且有极高的相关度。 5几种主要检测方法的抗干扰性

目前，国内外采用的蓄电池容量检测方法主要有：一是电导测试法，二是阻抗测试法，三是电阻测试法。三种方法抗干扰性的优劣比较：

由于蓄电池在检测当中仍处于浮充状态，难免存在干扰信号，特别在UPS系统中的电池，其纹波干扰信号非常明显；另一方面，蓄电池的电导或内阻是非常小的值，如果不小心处理，任何种类的干扰都将使检测的电导或内阻值发生重大偏离。 1）电导检测法的抗干扰性：

电导采用10-50Hz之间的最佳的检测频率，克服了外部噪音的问题；具体原理参见图4.3：

美国NorthStar蓄电池公司经过仔细研究，分析论述了这一内容：“要最大程度地获取上述等效电路中各个参数的信息，所施加的交流电信号的频率非常关键。如果电信号频率过高，就无法获得有关RP或W的信息；相应的，如果电信号的频率过低，CP的值就会为0。要在电路中获取最多信息，即最大程度地反映电池的物理化学属性，电信号的理想频率应在10-50Hz之间。”

2）阻抗检测法的抗干扰性：

由于阻抗检测法基本采用了较高的检测频率，数百Hz甚至上千Hz，远远超出了理想的检测频率，检测电信号频率过高，就无法获得有关RP或W的信息；所以难以测出能真实反应蓄电池健康状况的数值。实际上，只要检测信号频率f > 100 Hz，检测结果中就有可能包含了由于线缆引起的影响造成的错误测量，特别是在大容量蓄电池的检测中尤其如此。所以在实际检测中，采用阻抗法的内阻检测仪检测结果重复性不高，特别是当检测UPS等干扰较大的蓄电池时，检测同一只电池不能获得稳定、重复的检测结果，最终的检测结果失去价值，无法判定蓄电池健康状况。

3）电阻检测法的抗干扰性：

相应的，如果电信号的频率过低，CP的值就会为0。电阻检测法采用的是直流放电法，其电信号频率为0，无法测定出电池中那些表现象电容的部分。

三种检测方法中，采用阻抗原理的产品抗干扰性差，检测结果重复性不好，检测数据不可靠；采用电阻检测原理的产品检测信号大，就电池系统以及电池本身电压造成较大影响。采用

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电导检测发的产品能够较好地同时兼顾检测的抗干扰性以及减少对电池系统的影响，取得最佳效果。

6 在线预警蓄电池容量在线检测

将一个已知频率和振幅的交流电压加到电池单体上，然后测量所产生的电流，仪表经过计算显示出被检测电池的电导（内阻）值。已经老化或者有故障的电池的电导（内阻）值会低于正常水平，报警值的设置是根据新电池的初始电导（内阻）值来确定的。根据电导（内阻）值相对初始值的下降情况，可以反映出电池的健康情况。

因直流测量法测量精度高，但对电池存在一定损伤，而且不一定适合所有电池，而交流测量法虽然对电池没什么损伤，但抗干扰能力却很差，蓄电池内阻对有用信号微弱的分压可能会很难提取，而系统中充电装置带来的各种频率信号也会给如此小信号的处理带来困难。从现场实用性与可行性角度来分析，一种有效的处理方式显得非常重要，我们可以采取结合直流法与交流小信号注入法的方式来实现内阻的测量，称之为交直流混合法，即向蓄电池注入一频率为20HZ，2—5A电流的信号，经证实，该电流频率与幅度无论是对蓄电池还是对测量精度都最为合适，然后由信号检测单元对数据进行滤波分析，计算出内阻值。

由于采用直流方法与交流方法相结合的检测方法，结合直流检测方法的稳定性好与交流方法的精确度高优点与一体，采用基于数字滤波器的内阻测量技术和同步检波方法克服外界干扰，获得比较稳定精确的内阻数据。 3） 不同的失效模式对内阻值的影响

蓄电池的不同失效模式反映在内阻变化的幅值并不一样。图4.5是不同劣化模式下的电池放电曲线。与一般的腐蚀模式对比可以发现：同样的欧姆内阻变化幅度，失水模式能提供的输出容量比腐蚀模式的要低。

另外的电池劣化模式也从不同的角度影响电池的内阻，除腐蚀和失水外，活性物质的不同结晶状态也影响输出容量和内阻。对处于正常浮充电压一定时间后的电池，可以认为是在完全充电状态。温度对电池内阻影响甚微，低温有些影响。在运行条件较好的场合，可以不考虑温度的影响。

目前国内还没有相关的标准对蓄电池内阻数据进行解释说明，只有IEEE Std 1188—1996中对内阻测量和数据分析作了简单的说明，IEEE Std1188—1996指出：内阻受包括物理连接、电解液离子导电性和电极表而的活性物质的活性三方面因素的影响，内阻值与所采用的仪器和测量方法有关，内阻的变化可以当作电池性能或者说容量变化的指示。明显的内阻变化表明蓄电池有大的性能改变，超过30%的变化即可认为明显，但这个变化幅度可能跟不同厂家的电池有关。

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分析发现，在蓄电池劣化时，采用新工艺的蓄电池内阻值明显小于采用老工艺的蓄电池，对于新工艺的蓄电池内阻预警值应更为严谨。

如何通过构建一个统一的管理平台，既能在足不出户的情况下及时了解蓄电池的运行状态，又能通过多种检测手段互补性，综合判定蓄电池的性能，以提高判断的准确性并预测蓄电池的性能变化趋势，正是目前的关键和难点。