淺析蓄電池在線監測系統與測試方法

楊橋偉，徐賽梅，袁愿

(1.云南電網公司楚雄供電局，云南 楚雄 675000;2.廈門紅相電力設備股份有限公司，福建 廈門 361001)

1 前言

蓄電池是電力系統的后備電源，使用數量較多，但由于使用方法不當或未進行及時、有效的維護，將會導致蓄電池組中的個別蓄電池過放電導致提前失效。當這些提前失效的蓄電池在后備電源帶負荷投運時，將會嚴重影響到整個電池組的工作效率以及放電容量，甚至可能導致整個電力系統的崩潰。因此，為了保證在電力系統出現意外狀況時，用電設備依然能夠有序、安全、可靠地運行，避免因個別蓄電池的失效或過放電而帶來的經濟損失與社會影響，對蓄電池進行實時在線監控以及故障診斷成為保障直流系統正常運行的重要內容［1］。

2 蓄電池在線監測技術

目前，全國范圍內的變電站所使用的蓄電池型號和容量都不盡相同，但大部分為閥控式鉛酸蓄電池。一般情況下，供電企業110 kV和35 kV變電站的蓄電池均在300 Ah以下，配置1組，其中大部分單體蓄電池電壓為2 V或12 V，安裝在蓄電池屏內，要實現定期的核對充放電試驗較難完成。220 kV和500 kV變電站的蓄電池一般為2組，單體蓄電池電壓為2 V，安裝在蓄電池室內。同樣難以有效的對每節蓄電池實施性能檢查。

目前，各變電站基本上都缺乏有效的在線監測手段，即使有些變電站已安裝監控系統，其功能也都較為簡單，起不到應有的監控作用。從各變電站的使用情況看，多數閥控式鉛酸蓄電池沒有進行必要的維護。由于對這些所謂的“免維護”電池在認識方面的一些誤解，運行人員對閥控式鉛酸蓄電池性能的好壞以及蓄電池的容量大小等數據無法掌控，日常維護工作中存在的問題對電力系統的穩定運行構成了潛在的巨大威脅。

目前，對電力系統中的蓄電池常用的檢測方法分為單體電池的電壓測量和定期的核對性放電試驗兩種，但正常工作時的電池端電壓并不能準確地反應電池的真實性能狀況，即使性能不好的電池在浮充狀態下的電壓也可能是完全合格的，一旦交流電源退出運行，蓄電池就可能無法滿足在事故狀態下的要求，導致事故范圍擴大。由于蓄電池容量和電池內阻有很大的相關性，通常情況下，蓄電池的容量越大，內阻便越小，故可通過測量蓄電池內阻來對電池容量進行評估。

目前，先進的蓄電池在線監測系統主要通過實時測量變電站中蓄電池組的單體電池的溫度、電壓、內阻以及充放電電流，實時監測蓄電池組運行的參數，并通過通信網絡將這些信息全部上傳至監控中心，實現對蓄電池信息的實時采集、預警和管理，及時、有效的對蓄電池組的故障進行診斷及處理。

3 蓄電池在線監測技術現狀

目前，閥控式鉛酸蓄電池的監測問題逐漸受到關注，特別是在電力系統、移動通信系統中對蓄電池的在線監測技術有了更高的要求，以便使系統的安全性、可靠性得到保障。

為提高系統的可靠性，蓄電池在線監測應從三個方面來考慮:首先，在線監測可以使蓄電池的正常運行得到保證，如對蓄電池的欠充與過充狀態能夠給出警告或提示;其次，可以發現即將失效的蓄電池，如蓄電池短路、容量下降等問題，及時提供預警信息;第三，利用在線監測功能對蓄電池進行就地維護，如對異常蓄電池進行定期核對性放電、活化處理等措施，檢修人員不用攜帶多種工具就能解決相關問題，降低勞動強度。

蓄電池的網絡化管理就是將幾個區域的蓄電池在線監測系統通過光纖通信介質組網，建立起遠程實時監控網絡，如圖1，對蓄電池各項信息進行智能監控，使檢修、運行人員和決策管理層都能通過局域網上的終端瀏覽器實現對蓄電池的運行狀況及變化趨勢實現監控，在面臨事故時及時維護處理。同時，也為直流系統的狀態檢修提供參考依據，實現科學化管理，保障系統的可靠性、安全性［1］［2］。

圖1 蓄電池在線監測系統的網絡化管理

4 蓄電池監測技術的方法

由上述介紹可知，蓄電池的電壓值并不能直觀地反映出其實際性能，目前較為先進的蓄電池在線監測系統大多數以蓄電池內阻值作為蓄電池性能的主要判斷參數，該技術的主要理論依據是:隨著電池性能的不斷劣化，電池的自身內阻值將出現變化很大的拐點;同時，其充放電曲線的電壓、電流、容量等參數的差值也將逐步變大。

目前，蓄電池在線監測技術主要基于核對性放電、直流內阻測試、交流內阻測試及其他方法。

4.1 直流內阻測試法

直流內阻測試法是指短時間內對蓄電池進行大電流放電，測量放電過程中蓄電池兩端的電壓跌落和恢復，計算出蓄電池的內阻值。該方法的優點為抗干擾能力強、放電電流大，如圖2為直流內阻測試法原理框圖［3］。同時，該方法也存在一定的缺陷，主要表現為:

1)大電流放電會在一定程度上損傷蓄電池。由于放電電流較大，為40～70 A之間，往往比蓄電池的標稱放電電流要大很多，多次頻繁測試有可能降低蓄電池的運行特性。

2)使供電系統的安全性受到影響。首先，內阻測試時蓄電池組內各節蓄電池按照一定順序分別進行瞬時放電，如果測試設備出現問題，就會使影響整組蓄電池的性能。如果測試過程中一旦出現停電事件，就會影響到備用電源的保護與投切。此外，過大的放電電流也可能干擾繼電保護裝置，使其產生誤動作。

3)測量蓄電池內阻時采用的直流放電法會在電池內部發生極化現象，產生極化內阻，使內阻的測量值誤差變得較大。

4)可能使內阻測量的重復性變差。從本質上來看，蓄電池可以看作是一個大電容，在測量回路中也存在著電感和電容，因此，在放電的整個過程中，電路產生的暫態效應非常的明顯，尤其是在開始和結束的時候。這將使其在不同時刻的采樣值的大小差別變化很大，使內阻測量的重復性變差。

圖2 直流內阻測試法原理框圖

4.2 交流內阻測試法

交流內阻測試法的原理是:將電池等效于一個有源電阻的，在電池上施加一個固定電流和固定頻率 (目前一般使用的是50 mA，1 kHz)，對電壓進行采樣，經過處理后測量蓄電池內阻。交流內阻測試法的時間極短，一般只有100毫秒。

其優點是:交流內阻測試法不受極化的內阻影響，可測量所有電池，甚至是小容量電池，同時對電池無損害，可進行頻繁地在線測量。但缺點在于:該方法注入的交流電流較小，容易受到充電機交流紋波的干擾，產生較大的誤差，對蓄電池內阻測量值有一定的影響。同時，在正常工作狀態下，蓄電池處于充滿狀態。若此時對蓄電池注入電流，就有可能產生蓄電池的過充，對蓄電池造成損傷。雖然注入電流很小，時間很短，但仍然存在著過充的風險。

4.3 核對性放電法

核對性放電法綜合了直流內阻測試法和交流內阻測試法的優點。其原理是通過功率放大電路對被測蓄電池接入一個低頻交流信號，同時利用被測蓄電池對功率放大電路供電，使蓄電池以特定的交流方式進行放電。用同步放大電路對蓄電池在給定頻率下的內阻進行測量，得到蓄電池在線內阻［4］。其放電電流大于交流注入法而小于直流放電法。主要優點有:抗干擾性強，由于其對充電機紋波不敏感，在在線檢測中非常適用;測量精度高，其測量在幾秒鐘內就可以達到幾十甚至幾百次，使精度大大提高;重復性好，測量數據穩定;因為使用的測量電流都是小電流 (2～5A)，從而使其對供電主回路的影響得以避免，也不會損傷蓄電池;同時，由于采用的是放電測量法，不會導致蓄電池過充。

圖3 核對性放電法原理框圖

但是核對性放電主要用于蓄電池的年度性或季度性的檢修上，無法做到實時監控。因此在適用范圍上可作為檢測方法，而不是監測方法。圖3為核對性放電法的原理框圖。

5 結束語

通過上述分析可知，蓄電池在線監測系統在供電系統中起著至關重要的作用。本文介紹的三種方法是技術發展過程中出現的有效方法，但各有一定的優缺點和適用性，需要在實際應用中，合理取舍，綜合利用。

［1］史相玲.蓄電池在線監測系統的研究［D］.河北:河北農業大學，2009(12).

［2］郝曉光，李秉宇，等.直流電源系統網絡化狀態檢修模式的研究 ［J］.電源技術，2011，35(9):1142－1145.

［3］李文琦.變電站蓄電池的內阻測試與分析 ［J］.能源與環境，2008，(5):37－38.

［4］常榮，鄧成蘭.變電站通信電源蓄電池維護若干問題淺析［J］.通信電源技術，2013，30(2):72－75.