配網(wǎng)10 kV開關(guān)站用閥控式鉛酸蓄電池的監(jiān)測新思路＊

吳藝，時亨通，彭岳云

（1.深圳供電局有限公司福田供電局，廣東深圳518000；2.深圳市錦祥自動化有限公司，廣東深圳518000）

配網(wǎng)10 kV開關(guān)站用閥控式鉛酸蓄電池的監(jiān)測新思路＊

吳藝1，時亨通1，彭岳云2

（1.深圳供電局有限公司福田供電局，廣東深圳518000；2.深圳市錦祥自動化有限公司，廣東深圳518000）

配網(wǎng)10 kV開關(guān)站備用蓄電池作為后備電源，在配網(wǎng)自動化設(shè)備終端應(yīng)用發(fā)揮著重要的作用，在實(shí)際應(yīng)用中的配電自動化現(xiàn)場終端對電池的管理和檢測僅對蓄電池的電壓電流進(jìn)行簡單測量，而多數(shù)配電自動化終端設(shè)備安裝在戶外，工作環(huán)境惡劣，尤其是在冬夏要經(jīng)受嚴(yán)酷的考驗(yàn)，嚴(yán)重影響了蓄電池的使用壽命。所以，蓄電池故障成為可配電自動化終端的常見問題。提出了實(shí)時在線監(jiān)測管理的新思路，實(shí)現(xiàn)了對配電自動化終端蓄電池健康狀態(tài)的遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測，為配網(wǎng)蓄電池管理和預(yù)防事故提供了參考。

自動化設(shè)備終端；閥控密封鉛酸蓄電池；內(nèi)阻；在線監(jiān)測

1 技術(shù)背景

配網(wǎng)自動化終端設(shè)備是整個配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的底層設(shè)備，具有柱上開關(guān)、環(huán)網(wǎng)開關(guān)、箱式變、配電變壓器、開閉所、配電室等各種現(xiàn)場信息的采集處理及監(jiān)控功能。為了確保配網(wǎng)自動化終端設(shè)備的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，工作電源都需具備蓄電池作為后備電源，以滿足終端設(shè)備、操作機(jī)構(gòu)、通信裝置的用電需求。作為后備電源的蓄電池，其運(yùn)行環(huán)境對其使用壽命（容量）和電壓特性有著較大的影響，這是因?yàn)樾铍姵卦诘蜏叵碌幕瘜W(xué)活性降低，電池內(nèi)阻增加，溫度下降會導(dǎo)致容量減少，蓄電池使用壽命縮短；蓄電池在較高的溫度下，電池內(nèi)阻降低，放電電壓容量和能量通常也在增加，但此時化學(xué)活性的增加過快會導(dǎo)致凈容量的損失，蓄電池使用壽命縮短。所以，對配電自動化終端蓄電池在線管理的技術(shù)方法進(jìn)行研究具有重要意義，以實(shí)現(xiàn)對蓄電池的電壓、內(nèi)阻以及蓄電池運(yùn)行溫度的準(zhǔn)確測量，達(dá)到智能化判斷監(jiān)測電池健康狀態(tài)、遠(yuǎn)程化科學(xué)管理的目的。

2 配電自動化終端蓄電池管理現(xiàn)狀

2.1 配電自動化終端蓄電池現(xiàn)有使用模式

配電自動化終端蓄電池根據(jù)電源要求，一般配有2節(jié)或4節(jié)12 V閥控式鉛酸蓄電池，具有后備UPS電源功能，一旦交流電源中斷，則能自動切換到蓄電池供電方式，為開關(guān)操作機(jī)構(gòu)、通信設(shè)備提供直流電源，供電時間不短于12 h。

2.2 蓄電池的電壓監(jiān)測管理及其不充分性

在配電自動化終端，蓄電池全天候處于戶外使用狀態(tài)，尤其是中國大部地區(qū)都具有冬天溫度低、夏天溫度高的特點(diǎn)。在這種環(huán)境中，現(xiàn)有的系統(tǒng)提出了電源應(yīng)具備蓄電池智能充放電功能的要求，但配電自動化終端蓄電池的管理工作只對電壓管理，未對其性能狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，閥控式鉛酸蓄電池端電壓與放電能力的相關(guān)性不強(qiáng)，電壓正常的電池蓄電池內(nèi)阻和容量不一定合格，所以，通過電池端電壓無法判斷蓄電池的健康狀態(tài)。因此，蓄電池電壓管理對蓄電池的性能判斷存在不充分性，不能有效、準(zhǔn)確地反映電池的容量狀態(tài)。

3 在線監(jiān)測管理的必要性

3.1 實(shí)時監(jiān)控，提高維護(hù)效率

便攜式儀器都需要人工測試完成，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)需要維護(hù)人員進(jìn)行大量日常測試。但由于配網(wǎng)開關(guān)站數(shù)量多、分布廣，要想實(shí)時了解所有蓄電池的健康狀況，則工作量非常大。實(shí)時在線監(jiān)控系統(tǒng)由人力日常測試、維護(hù)轉(zhuǎn)變到了全自動智能維護(hù)和監(jiān)控管理，可實(shí)時掌握蓄電池運(yùn)行中的各項(xiàng)參數(shù)（電壓、電流、溫度），及時查找落后單體，使蓄電池正常運(yùn)行，減少了維護(hù)人員的工作量，提高了維護(hù)人員的工作效率。

3.2 提高維護(hù)效果，有效減少維護(hù)盲區(qū)

通信蓄電池分布范圍廣，有些變電站、機(jī)房、基站在非常偏遠(yuǎn)的區(qū)域，一般情況下一年做一次深度放電，一個季度做一次內(nèi)阻測試，但這期間，蓄電池各個單體的變化是很大的，有些蓄電池容量進(jìn)退化區(qū)會突然下降。應(yīng)用蓄電池在線智能監(jiān)控系統(tǒng)后，可以輕松解決偏遠(yuǎn)地區(qū)蓄電池的維護(hù)和管理問題，從定期維護(hù)提升到全天候的監(jiān)測、有針對性的維護(hù)，消除了維護(hù)中的盲點(diǎn)時間，提高了系統(tǒng)的可靠性。

3.3 延長蓄電池壽命，節(jié)約投資

使用在線智能監(jiān)控系統(tǒng)以后，可實(shí)時監(jiān)控蓄電池的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，及時調(diào)整參數(shù)，排除故障，使每個蓄電池組時刻運(yùn)行在最佳狀態(tài)，可以有效延長蓄電池的運(yùn)行壽命。

4 鉛酸蓄電池的數(shù)學(xué)模型

蓄電池的電化學(xué)測試手段出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，在此基礎(chǔ)上，發(fā)展出把電池作為由傳統(tǒng)電子元件——電阻電容構(gòu)成的電路系統(tǒng)的概念，見圖1.電阻R是指蓄電池內(nèi)部的歐姆降，這是由電流通過電解質(zhì)、接觸電阻等引起的。Rct和Cd是用來表示電荷在內(nèi)部界面間的傳遞，Rct表示電荷傳遞電阻中的法拉第電阻部分，電池的電化學(xué)反應(yīng)的難易程度可通過改變Rct實(shí)現(xiàn)；Cd是假設(shè)電容，用于表示物質(zhì)的限制。這些參數(shù)的變化可以體現(xiàn)放電過程中理想電池V0的變化。

5 鉛酸蓄電池的失效機(jī)理

鉛酸蓄電池模型中包含以下反應(yīng)：

正極：PbO2+HSO4-+3H++2e-→PbSO4+2H2O.

負(fù)極：Pb+HSO4-→PbSO4+H-+2e-.

在反應(yīng)過程中，在每個電極上都遵循物質(zhì)守恒的規(guī)律，但反應(yīng)產(chǎn)物（比如PbSO4）的體積遠(yuǎn)大于反應(yīng)物，導(dǎo)致充放電過程電極孔隙率出現(xiàn)變化，圖2是整個電極厚度上的孔隙率分布圖。

圖2 整個電極厚度上的孔隙率分布圖

從圖2中可以看出，鉛酸蓄電池在放電過程中，整個電極厚度上孔隙率分布隨時間的變化而變化，這是由PbSO4引起的，PbSO4會造成電極表面阻塞，使電池內(nèi)反應(yīng)速率不均衡，直接限制了整個電極體積內(nèi)電極與電解質(zhì)的接觸，從而造成內(nèi)部電阻Rct增加，容量開始衰減。

由此可見，蓄電池的失效模式可能引發(fā)性能惡化，且這種失效是不可逆的。

6 蓄電池在線監(jiān)測新技術(shù)

6.1 內(nèi)阻測試方法

蓄電池內(nèi)阻能準(zhǔn)確地反映電池的健康狀態(tài)，各標(biāo)準(zhǔn)中都明確了蓄電池內(nèi)阻測試方法二次放電法，尤其是IEC 60896-21—2004明確定義了直流內(nèi)部電阻。所謂“二次放電法”，是通過瞬間控制2個不同放電電流，同時測量蓄電池端電壓的變化，然后計(jì)算內(nèi)阻的大小。蓄電池內(nèi)阻測試如圖3所示。所以，建議蓄電池的內(nèi)阻測量采用瞬間放電原理的測試法檢測。在放電過程中，短時間快速控制等電流放電（方波），同步檢測來自蓄電池本身能量層的蓄電池電壓的響應(yīng)，從而測量內(nèi)阻。該測量方法的優(yōu)點(diǎn)是可以以更低的成本實(shí)現(xiàn)蓄電池內(nèi)阻的精確測量，線路的諧波對其測量過程影響小。經(jīng)過大量測試，測量的內(nèi)阻準(zhǔn)確性和重復(fù)性比較好。此外，相比交流注入法，能直接地反映蓄電池的內(nèi)阻大小。具體如圖4所示。

圖3 蓄電池內(nèi)阻測試

圖4 瞬間放電原理測試法

6.2 配電自動化終端蓄電池遠(yuǎn)程監(jiān)測

配電自動化終端具有現(xiàn)成的通信網(wǎng)絡(luò)，將蓄電池的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過通信接口上傳，遠(yuǎn)程監(jiān)控所有蓄電池的電壓、內(nèi)阻、溫度等參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)電池異常告警保護(hù)、電池自動維護(hù)。

7 內(nèi)阻測試的必要性

7.1 防突變要求

配電自動化終端蓄電池在運(yùn)行過程中，只要電池組中的某一個單體電池內(nèi)阻逐漸變大或突變，且容量變小時，則會很快“拖垮”其他電池，所以，蓄電池內(nèi)阻檢測可避免電壓檢測盲區(qū)出現(xiàn)，滿足規(guī)程中的防突變、防短路、防開路要求。

7.2 容量趨勢管理要求

蓄電池的內(nèi)阻與蓄電池容量雖然沒有一一對應(yīng)的關(guān)系，但內(nèi)阻的趨勢變化規(guī)律同容量密切相關(guān)。當(dāng)電池容量下降到80%或以下時，蓄電池便進(jìn)入急劇的衰退期，使整組電池容量迅速下降，放電能力大大降低。此時，電池組已存在極大的事故隱患。

7.3 電池一致性要求

因?yàn)樾铍姵貑误w串聯(lián)使用，所以，如果各電池內(nèi)阻不一致，則在充電時各單體的充電電壓會不一致，易造成電池的欠充或過充現(xiàn)象。所以，在蓄電池的工程驗(yàn)收和日常維護(hù)中，檢測蓄電池的內(nèi)阻一致性是必要項(xiàng)目。

7.4 標(biāo)準(zhǔn)要求

保持蓄電池時刻處于良好運(yùn)行的狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)退化電池，是我們直流電源系統(tǒng)專業(yè)人員的職責(zé)要求，在IEC60896-2、GB/T 19638.2—2005等多個行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，明確規(guī)定了蓄電池的內(nèi)阻檢驗(yàn)方法或要求。

8 結(jié)束語

在現(xiàn)有的配網(wǎng)系統(tǒng)中配置具備蓄電池內(nèi)阻檢測功能的蓄電池在線監(jiān)測單元，可以完善對配網(wǎng)自動化系統(tǒng)蓄電池的科學(xué)管理和維護(hù)，及時發(fā)現(xiàn)隱患和預(yù)防事故，提前消除隱患，提升配電自動化終端的穩(wěn)定性，滿足配電自動化終端蓄電池的狀態(tài)監(jiān)測要求。

［1］徐海明，王全勝.變電站直流電源設(shè)備使用與維護(hù)：閥控密封鉛酸蓄電池［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［2］王輝.發(fā)電廠及變電站二次設(shè)備分布式直流電源系統(tǒng)探討［J］.電力自動化設(shè)備，2004，24（07）.

［3］楊莉敏.淺談變電站直流系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（35）.

〔編輯：張思楠〕

TM643

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.19.068

2095－6835（2017）19－0068－03

深圳市供電局有限公司2016科資0016科研項(xiàng)目

吳藝，男，工程師，長期從事電力系統(tǒng)配網(wǎng)自動繼電保護(hù)技術(shù)研究與運(yùn)維管理方面的工作。時亨通，男，工程師，長期從事電力系統(tǒng)配網(wǎng)自動繼電保護(hù)技術(shù)研究與運(yùn)維管理方面的工作。彭岳云，男，工程師，長期從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、自動控制系統(tǒng)、直流電源系統(tǒng)的技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)管理方面的工作。