鉅大LARGE | 點擊量：950次 | 2021年09月13日
蓄電池故障預置在變電站的應用
一、引言在電力系統和計算機網絡高度發達的社會，為防止電力異常帶來的服務中斷，除盡可能提高供電系統可靠性外，在很多場合都使用蓄電池來供應不間斷電源供應，防止意外停電帶來的影響，在電力系統內部的直流供電系統中更是大量使用蓄電池。
電力系統中使用最多的蓄電池是閥控鉛酸蓄電池(ValveRegulatedLeadAcidBattery下面簡稱VRLAB)，它也是目前最為廣泛應用的蓄電池。
VRLAB采用了陰極吸收技術，因而在運行中無需加水維護，在進入市場的初期，VRLAB被稱為免維護電池，而且宣稱使用壽命可達到10-15年。VRLAB的出現給整個蓄電池行業帶來了一場革命，引發各行各業特別是電力與通信行業對VRLA電池的巨大需求。
在經過十年多的VRLAB的大量應用過程中，VRLAB顯露了一些缺點，其使用壽命并沒有達到人們的預期。有關資料表明，VRLAB在使用3-4年后，很大一部分電池組就難以通過容量檢測，少數能超過6年。在實際使用中，只有很少用戶能夠真正具備條件定期檢查蓄電池并對蓄電池作定期容量測試，很多情況下是在市電停電后才發現蓄電池損壞或放電容量達不到設計要求，因此造成的停電損失巨大。
海南電網海口供電局下屬變電站中分布了各類VRLAB兩萬多節。在實際的使用過程中，很多蓄電池在使用了4-5年后都不能通過核對性容量放電。為了提高海口供電局維護蓄電池的能力，有效延長蓄電池的使用壽命。海口供電局于2009年一月在下轄220kV變電站采用了由鼎爾特公司開發的DLT_B8500型蓄電池故障預置，幫助維護人員掌握蓄電池的性能情況，及時更換落后蓄電池。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
二、測量原理
測量閥控鉛酸蓄電池端電壓無法反映電池的實際容量特性，而通過測量內阻能夠立即判斷嚴重失效的電池或存在連接問題的電池,給出報警信息。阻抗分析是電化學研究中的常用方法，是電池性能研究和產品設計的必要手段。
備用場合使用的VRLAB一般容量很大，在幾十到數千安時，電池的內阻值很小，隨電池容量的增大，內阻減小，例如3000Ah的電池，其內阻值一般在30-50微歐。由于阻值低，電池正負極輸出直流電壓，要準確測量內阻是有一定難度的，尤其是在線測量時電池端存在充電紋波和負載變動時的動態變化。采用交變頻譜法測量有效的解決了由于充電機紋波和負載變動造成的測量不準的問題。
當使用受控電流時，ΔI=ImaxSin(2πft),出現的電壓響應為：
ΔV=VmaxSin(2πft+φ)
若使用受控電壓激勵，ΔV=VmaxSin(2πft),出現的電流響應為：
ΔI=VmaxSin(2πft-φ)
兩種情況的阻抗均為：
即阻抗是與頻率有關的復阻抗，其模|Z|=Vmax/Imax,相角為φ。
從理論上講，向電池饋入一個交流電流信號，測量由此信號出現的電壓變化即可測得電池的內阻。
R=Vav/Iav
式中Vav----為檢測到交流信號的平均值;
Iav----為饋入交流信號的平均值
在實際使用中，由于饋入信號的幅值有限，電池的內阻在微歐或毫歐級，因此，出現的電壓變化幅值也在微歐級，信號容易受到干擾。尤其是在線測量時，受到的影響更大，采用基于數字濾波器的內阻測量技術和同步檢波方法可以部分克服外界干擾，獲得比較穩定的內阻數據。
同步檢波方法電路結構簡單，如圖-1所示，由時鐘觸發同步激勵信號和檢波電路的相位。
從測量準確度和測量方法上來說，此法不僅可以準確測量出蓄電池的歐姆電阻，而且還可以測量出蓄電池的極化電阻，客觀的反應了蓄電池的容量和壽命的綜合指標，是國際上認可的方法。
裝置由控制單元、檢測模塊、內阻模塊、相關軟件和輔助部件構成，一個控制單元可接入多個檢測模塊，完成對不同只數和不同電壓規格的蓄電池組的監測管理。裝置原理圖如圖2所示：
控制單元，用于數據傳輸、處理和人機界面操作，具有遠程(集中)管理RS-485(RS-232)接口、檢測模塊控制口、操作鍵盤、漢化(或英文，因規格型號而異)顯示面板、聲光報警及報警輸出接點。控制單元實時顯示電池數據，智能分析數據，對異常的電池運行情況進行及時報警。
通過總線結構控制檢測模塊工作，收集檢測模塊采集的數據，本單元對發生的事件進行判斷處理并發出聲光報警，完成數據的信號、存儲和查詢功能，這些功能供運行人員進行現場事件處理使用。
檢測單元，完成數據采集，并將數據傳給控制模塊。高精度、高時效的數據采集模塊采用模塊化設計方法，兼顧了專用化與通用化原則，配置靈活，根據采樣點種類及規模的需求，各個模塊可單獨使用，亦可自由組合，能適應不同的監測場合。
內阻單元，在要進行內阻檢測的場合，內阻模塊與檢測模塊配合使用。
內阻模塊與系統的分布式結構相適應，接受檢測模塊的調度。它發出對電池組的激勵信號，由于使用了特殊的技術進行激勵，不會對在線運行的設備造成任何不利影響。
四、執行方法
本次應用選擇了海口供電局下屬的永莊220kV變電站的2組蓄電池組，每節電池標稱電壓為2V，標稱容量為300AH。每組合計108節電池。
每兩組電池配用了一個控制單元，每一組電池配用三個檢測單元和一個內阻單元。由于每個檢測單元可以采集的電池數量最多可達36節，所以配置了三個檢測單元。在檢修所里，放置了一臺服務器。
服務器內裝有后臺數據采樣服務程序，只要服務器打開，就能夠實時的把安裝在現場的DLT_B8500型蓄電池壽命及故障預置采集到的數據遠傳到服務器中，服務器再把每次遠傳的數據存入后臺數據庫中，以備后期維護時調用查看。
同時在服務器中還安裝了前臺監測軟件，可以實時顯示運行主畫面、圖形數據等窗口完成對蓄電池的監視。能實時查看到蓄電池組的運行參數和性能參數，有異常現象時實時顯示蓄電池的報警類型。另外，還具有蓄電池性能及測試數據分析功能，直觀地了解蓄電池的性能變化狀況，便于更好地對蓄電池的變化趨勢作出準確的預測。
放電數據分析功能具有對蓄電池放電過程的電壓等數據記錄功能，形成每個蓄電池的放電曲線，利用放電曲線可以更精確地分析了解蓄電池的性能狀況。不用到現場就能夠及時準確的了解到蓄電池的各項參數指標。
五、現場試驗
經過對變電站蓄電池各種參數數據的收集，我們可以實時掌握蓄電池的性能狀態。
從圖3和圖4來看，兩組蓄電池組單體電池的浮充電壓一致性較好。蓄電池處于不同的狀態，其內阻值也是有差異的。圖5是把1#蓄電池組作為測試對象，數值較高的數據是在浮充狀態下測得的，停止浮充、轉入放電后電池內阻變小。變化幅度均勻，平均為6.5%，可以解釋為浮充狀態下極化內阻的影響。
圖6是2#蓄電池組接近10小時率放電時的電壓變化和內阻變化曲線。由圖6的數據可知，電池進入放電狀態后，內阻由浮充狀態的值下降到某穩定值，此數值在電池放電的平臺期穩定上升，放電容量達到80%后，內阻急劇上升。轉入充電后，內阻很快恢復到正常數值。
蓄電池的不同失效模式反映在內阻變化的幅值并不相同。為此找了2只原先使用的不同劣化程度的電池和1只新電池做了比較試驗，圖7是不同劣化模式下的電池放電曲線。通過比較試驗可以發現不同劣化程度蓄電池內阻的變化幅度。從輸出容量的大小排列，依次為新電池、極板腐蝕后電池、失水后電池。
六、結論
1)電池的運行參數重要受充電機的控制，尤其是電池的浮充電壓，直接影響電池的浮充使用壽命。世界最好的電池也不能長期工作在偏高(或偏低)的浮充電壓下。浮充電壓的測量要求對精度要求非常高。綜合分析能夠發現電池組運行中發生的超越電池參數極限的事件，這些事件包括：充電電流過大、放電電流過大、電池組浮充電壓高、電池組浮充電壓低、電池組過放電、單電池浮充電壓高、單電池浮充電壓低、單電池過放電。通過技術改造，防止了以后維護不當造成的蓄電池性能衰減的情況發生。
2)電池監測除發現電池的運行條件異常外，最重要的是要及時預報電池失效。在線測量每個單電池的內阻是現代蓄電池檢測技術的創新點，測量準確度直接關系到分析的準確度。內阻的變化可以當作電池性能或者說容量變化的指示。明顯的內阻變化表明蓄電池有大的性能改變，但這個變化幅度可能跟不同廠家的電池有關。針對試驗研究的結果，我局目前將蓄電池內阻變化率超過平均值20%后，即納入重點檢查范圍。
3)通過全面研究蓄電池運行特點，并具備了有效監測包括單電池內阻在內的電池組運行數據后，在國家相關電氣設備運行管理規程的基礎上進一步對現有直流蓄電池運行管理規程進行修訂和落實，是真正提高電網直流系統安全可靠運行的制度保證。
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