基于階梯式放電的蓄電池維護技術

王宏偉

（國網泉州供電公司，福建 泉州 362000）

直流電源是變電站的心臟，為變電站的控制、信號、動力設備提供電源，一旦直流電源出現問題，整個變電站都會失電甚至癱瘓。隨著電網調度自動化系統的日趨完善，越來越多的變電站實現了無人值守，電網運行的許多重要數據都要求及時安全可靠的處理和存儲，站內各種保護及自動裝置的工作都需要可靠的直流電源。同時，直流電源還為斷路器分合閘、通信、事故照明等提供動力[1]。而蓄電池組又是直流電源的最后一道屏障，在直流電源的交流輸入停電的時候，只能依靠蓄電池組供電，因此蓄電池組的維護是直流維護中最重要的工作。

目前對蓄電池組的在線監測有多中手段，但主要集中在蓄電池電壓的巡檢上，通過實時監測蓄電池的電壓來判斷蓄電池組的健康狀況，但因為蓄電池絕大部分時間是運行在浮充狀態下，因此即使蓄電池已經出現了問題，也很難通過浮充電壓監測出來[2]。核對性放電是監測蓄電池健康狀態的最準確的方式，通過進行核對性放電實驗能夠使維護人員掌握每一節蓄電池的健康狀況。但核對性放電卻存在以下弊端，一是核對性放電工作量非常大，以目前各供電公司的維護人員很難保質保量的完成核對性放電工作，二是核對性放電要每隔一年甚至兩年才能進行一次，測試間隔太長，這么長的間隔時間內很難保證蓄電池組不出現問題，因此核對性放電也不能完全保證蓄電池組的安全。而蓄電池內阻在線監測是蓄電池電壓監測和核對性放電測試的有力補充，通過定時測量蓄電池的內阻預估蓄電池組的健康狀況，已經成為很多維護人員必備的維護手段。

但只靠單一技術手段判斷蓄電池組的健康狀況，不能夠全面的反應蓄電池組的健康狀況，而將蓄電池電壓監測、放電測試和內阻測試結合起來綜合判斷蓄電池組健康狀況的基于階梯式放電的蓄電池維護系統則更能夠準確的在線監測蓄電池的健康狀況，而且更節省人力物力。

1 基于階梯式放電的蓄電池維護系統的組成

本系統主要由三方面組成（如圖所示）：現場蓄電池監控終端裝置、TCP/IP 網絡數據傳輸、遠程監控平臺（數據接收、處理分析、故障報警、報表輸出/打印）。

變電站蓄電池監控終端：主要包括控制單元、內阻單元、電壓采集單元、放電負載、開關量采集模塊、開關控制模塊等組成。在線自動監測單體電池電壓、電池內阻、電流、環境溫度、開關狀態并具有多種放電保護功能、故障報警功能及數據存儲功能，支持遠程核對性放電過程。

TCP/IP 網絡數據傳輸系統：利用現有的變電站局域網光纖通訊網絡，實現數據傳輸。

遠程監控平臺：實時接收各變電站蓄電池監控裝置的數據，并對數據加以分析處理，保存到數據庫中。提供IE 瀏覽功能，利用各種圖表顯示運行數據，提高實時性和準確性，以便及時維護和處理，保障蓄電池組的安全（系統組成如圖1所示）。

圖1 變電站蓄電池組監控系統構成示意圖

2 蓄電池內阻在線測試

當前，運行維護人員對蓄電池的監測主要是監測蓄電池的電壓，但因為蓄電池大部分情況是在浮充狀態，因此電池巡檢儀測得的只是蓄電池的浮充電壓，這個參數對蓄電池性能的判斷很有限。如圖2所示（實際測試實例），3 號電池在浮充時測得的電壓在正常范圍，但測量其內阻發現遠遠偏離標準范圍，做核對放電發現其容量已低于標稱容量的80%。

圖2 浮充電壓、內阻柱狀圖

要對蓄電池性能進行評估最準確的方式是對蓄電池進行整組的核對性放電，即用0.1C[3]電流對蓄電池放電，同時監測單體電壓的變化，在放電時間未到，而最先達到放電截止電壓的電池即性能劣化的電池。這是一種驗證電池性能最可靠的方法，通過這類測試可對電池系統進行 100%的全面檢查，同時區分出電池或外部傳導途徑的各種問題。但做核對性放電費時費力，有些情況下無法做全容量核對性放電，如變電站在線運行的蓄電池只能做50%容量放電；并且核對性放電周期較長，一般一年做一次。

由于電池的內阻與它本身容量有著密切聯系，因此，如果能夠利用電池內阻這個參數來預測電池的性能，將能夠大大節省對蓄電池性能的評估周期和費用。通過對大量的各種類型電池的測試表明，如果電池的內阻增至高于其基準值——即電池在最佳狀態下的內阻值的30%～50%時，這個電池的容量將低于80%。內阻測試已成為核對性放電測試的替代手段。

內阻是衡量電池性能的一個重要技術指標，幾乎所有影響電池性能的因素都導致了電池內阻變大。內阻是一個變化的參數，其值很小（如400AH的蓄電池內阻一般為0.4mΩ左右），目前，國內測量蓄電池內阻主要有交流法和直流法。

1）交流法。在測量時對蓄電池施加一個交流的測試信號，然后再測出相應的電壓和電流阻抗的讀數，V/I 會隨頻率而變化。采用交流方式的儀器存在著易受充電器紋波電流和其它噪聲源干擾的問題。在電力變電站直流系統中，由于蓄電池組兩端直接帶負載，對電源質量特別是紋波要求很高，而交流法是需要對被測電池注入紋波電流，因此交流法測量內阻的方式會增加直流電源的紋波，使直流電源性能下降[4]。

2）直流法。直流法是直流瞬間放電測量內阻方法，是由蓄電池組瞬間向一個負載放電，通過負載接通時的瞬間電壓降或斷開負載時的瞬間電壓恢復便可推導出相應的內阻。直流放電法又分為整組放電和分組放電法。一般的監測系統都采用整組放電法來測試，即通過對蓄電池的整組放電同時測得每個電池的壓降來計算出其內阻。此法的最大缺點是：不能自動測量；安全性差及測量不準確；測量內阻時必須人到現場合空開。

整組法的內阻計算公式

式中，ΔV為檢測到的斷開負載時的電壓差；I為放電電流[5]。

整組放電法原理如圖3所示。

圖3 整組放電法原理圖

3）直流分組法。本項目采用了分時分組的在線測試技術，即在瞬間直流電流放電法測量內阻基礎上，為了消除充電機對測量結果的影響，將整組蓄電池等分為若干小組，采用分時分段測量的原則，實現了自動遠程在線測量，確保了測量結果的一致性和重復精度。

其工作原理是：將一組電池組分成多個循環組，每次測量內阻時先對第一個循環進行放電，結束后再對第二個循環進行放電，直至最后一個循環。分 組測試原理如圖4所示。

圖4 蓄電池內阻分組測試原理示意圖

在放電的同時，系統高速采集每節電池的放電曲線，取得壓降后測出每節電池的內阻。放電負載采用了恒流負載，確保電壓變化時每次放電的電流不變。

內阻測試原理如圖5所示。

圖5 蓄電池內阻測試原理圖

3 蓄電池組的遠程充放電

目前對蓄電池組的充放電試驗，只能依靠維護人員到現場工作，其工作量是相當大的。而目前狀態檢修技術和智能電網技術正在迅猛發展。蓄電池組的運行維護也必然要適應這一趨勢，實現狀態檢修，并融入到智能電網的發展之中。因此，遠程充放電是蓄電池組遠程監控系統的一項重要功能。

本項目遠程充放電接線如圖6所示。

圖6 兩組蓄電池遠程放電接線圖

其工作原理如下。

每個母線聯絡開關、母線投切（母線進線）開關、充電開關、放電開關加裝電動操作機構，這樣就可以遠程對開關的分合閘進行操作。遠程控制智能放電儀進行放電，遠程對充電裝置進行調壓及均充、浮充轉換。

為了防止開關的誤操作導致母線失電，開關帶有閉鎖裝置，保證開關的操作順序。遠程開關控制的關鍵不是控制開關動作，而是保證遠程控制開關的可靠性，做到不誤動、不拒動并防止操作人員誤操作及保護設備，保證母線不失電。為了防止操作人員誤操作導致母線失電，項目組設計了開關閉鎖電路，開關閉鎖電路保證母線聯絡開關、1 號母線進線（母線投切）開關、2 號母線進線（母線投切）開關這3 個開關只能有1 個斷開，1 號充電開關、2號充電開關這兩個開關只能有1 個斷開，1 號放電開關、2 號放電開關這兩個開關只能有1 個閉合。在軟件上，用戶權限分級，只有擁有權限的用戶才能進行開關控制操作，開關控制時，必須有兩個用戶會簽才能進行。要進行開關控制操作，必須要有硬件加密鎖才能進行。

放電過程有多重保護，確保充放電可靠進行。放電時間到、放電容量到、單體電壓低、放電終止電壓到、通信中斷、溫度過高、充放電過程順序保護等，確保蓄電池不會由于過放損壞。

單組蓄電池遠程充放電系統對直流電源接線圖的改造如圖7所示。

圖7 單組蓄電池遠程放電接線圖

4 蓄電池健康狀況的數據分析

近年來的研究表明，蓄電池的內阻與容量之間有較高的相關性，蓄電池完全放電和完全充電時，其內阻相差2～4 倍左右。隨著蓄電池充電過程的進行，內阻逐漸減小；隨著放電過程的進行，內阻逐漸增大。這個關系可用圖8表示。

圖8 蓄電池充放電內阻隨電壓變化的關系

另外隨著蓄電池的老化，其內阻也逐漸增大，剩余容量也隨之下降。這個關系可用圖9表示。

圖9 蓄電池老化與內阻變化的關系

由圖8、圖9可見，蓄電池老化過程中內阻的變化曲線跟蓄電池放電過程中內阻的變化曲線趨于一致，因此我們想到通過測試蓄電池放電過程中內阻的變化曲線來判斷蓄電池的健康狀況。大量的實驗也證明了這一點。

首先測量蓄電池浮充狀態下的內阻R0，對蓄電池組放電1h 后停止放電，測量蓄電池放電1h 后的內阻R1，再對蓄電池組放電1 小時后停止放電，測量蓄電池放電2h 后的內阻R2。最多對蓄電池組放電10h。

計算蓄電池內阻變化率公式：I=Rn/Rn-1；蓄電池內阻變化率：It=I1+R2+…+Rn。

每一次放電之后計算蓄電池內阻變化率，如果變化率超過了30%，那么該節蓄電池就需要進行維護，如果變化率超過了50%，那么該節電池就需要更換了。

我們隨機選取一組蓄電池進行驗證，該組蓄電池放電曲線如圖10 所示。

將蓄電池浮充時的內阻值、每隔1h 的內阻值記錄下來，畫出柱狀如圖11 所示。

從圖11 可以看出，第1 節電池變化率最大，第5 節電池內阻變化率較大，其他的電池內阻基本沒 有變化，因此可以判定，第1 節電池需要更換，第5 節電池需要維護。經過核對性放電的驗證，也證明了這一點。

圖10 階梯式放電曲線

圖11 放電過程中內阻值柱狀圖

5 結論

本文總結了蓄電池監測的幾種常用方法，包括 核對性放電、蓄電池內阻在線監測，提出了一種新型的、綜合性的蓄電池健康狀況評估方法，將蓄電池短時放電和蓄電池內阻測試結合在一起來判斷蓄電池的健康狀況，使維護人員不必經過繁瑣的核對性放電就能判斷蓄電池的健康狀況，而又比單純的使用蓄電池電壓和內阻判斷更準確，確保了直流系統的安全性和可靠性。

[1] 楊冰波.免維護蓄電池在運行中的維護方法[J].山西電力,2006(5): 69-70.

[2] 李樹靖，林凌，李剛.蓄電池在線智能監測儀的設計[J].工業儀表與自動化,2003(6): 22-23.

[3] 楊昌武，王斌，王洪儉，等.改進的變電站蓄電池內阻測量方法的研究與系統設計[J].三峽大學學報（自然科學版）,2007,29(3): 211-214.

[4] 顧寧倫.VRLA 電池的使用與維護[J].電信技術,2005(6): 51-53.

[5] 黃海宏，王海欣，吳黎麗，等.二次放電在線檢測蓄電池內阻[J].電力系統自動化,2007,31(15): 89-93.