變電站蓄電池組運(yùn)行年限的影響因素分析

崔辰晨，齊振忠，郭 麗，吳潔珊，劉小紅

(國(guó)網(wǎng)長(zhǎng)治供電公司，山西 長(zhǎng)治 046011)

1 概述

直流系統(tǒng)是變電站二次設(shè)備的生命線,是變電所二次設(shè)備的重要組成部分[1],而蓄電池組又是直流系統(tǒng)的“心臟”。當(dāng)變電站交流電源出現(xiàn)故障時(shí)，將由蓄電池組直接對(duì)分、合閘操作及其他重要負(fù)載提供電力。目前,長(zhǎng)治供電公司所轄的69座變電站均為閥控式密封鉛酸蓄電池組,常由17節(jié)或104節(jié)蓄電池串聯(lián)構(gòu)成。通過開展直流系統(tǒng)專業(yè)化巡視及定期對(duì)蓄電池組進(jìn)行核對(duì)性放電試驗(yàn)來精準(zhǔn)確定其實(shí)際容量，進(jìn)而判斷蓄電池組的運(yùn)行工況及壽命。但由于工作人員疏于日常規(guī)范管理和維護(hù)等原因，導(dǎo)致蓄電池組在正常使用中經(jīng)常出現(xiàn)容量不足或過早失效現(xiàn)象，大大縮短了其正常的運(yùn)行年限。

2 閥控式密封鉛酸蓄電池

2.1 工作原理

閥控式密封鉛酸蓄電池具備密封和免維護(hù)兩大特點(diǎn)。鉛酸蓄電池充電時(shí)，正極發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)：PbSO4+2H2O→PbO2+H2SO4+2H++2e，H2O→1/2O2+2H++2e

負(fù)極上發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)：PbSO4+2H+→Pb+H2SO4，2H++2e→H2

純鉛的化學(xué)反應(yīng)：Pb+1/2O2→PbO，PbO+H2SO4→PbSO4+H2O

由于正負(fù)極的充電接受能力存在差別，當(dāng)正極板充電至70%時(shí)，開始析出氧，而負(fù)極板充電至90%時(shí)，才開始析出氫。為此，閥控式密封鉛酸蓄電池采用負(fù)極活性物過量設(shè)計(jì)，保證蓄電池內(nèi)只有正極產(chǎn)生的氧，沒有負(fù)極產(chǎn)生的難以復(fù)合的氫。閥控式密封鉛酸蓄電池通過采用貧電解液設(shè)計(jì)，解決了氧的傳輸問題，完成氧的再化合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了密封和免維護(hù)兩大性能。

2.2 相關(guān)規(guī)定

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)布的《直流電源系統(tǒng)管理規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定及十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施要求，本文對(duì)各變電站蓄電池組定期進(jìn)行核對(duì)性放電試驗(yàn)及更新。

a．新安裝的閥控式密封鉛酸蓄電池，在驗(yàn)收時(shí)應(yīng)進(jìn)行核對(duì)性放電試驗(yàn)。以后每隔2年進(jìn)行1次，運(yùn)行4年后，每年做1次核對(duì)性放電試驗(yàn)[2]。

b.蓄電池更新原則

個(gè)別故障蓄電池?zé)o法繼續(xù)修復(fù)或達(dá)不到規(guī)定要求時(shí)，應(yīng)予以個(gè)別更換；當(dāng)故障蓄電池?cái)?shù)量達(dá)到整組蓄電池的20%及以上時(shí)，應(yīng)整組更換；蓄電池組達(dá)不到額定容量的80%及以上時(shí)，應(yīng)整組更換。

3 蓄電池組壽命的影響因素及防控措施

3.1 單個(gè)電池電壓落后

運(yùn)行中由于各方面原因，會(huì)出現(xiàn)大部分蓄電池已充滿電，而個(gè)別電池電壓偏低，也就是單個(gè)電池電壓落后情況，這些電壓偏低的電池會(huì)在絕大多數(shù)電池性能良好時(shí)提前損壞或發(fā)生故障，導(dǎo)致蓄電池報(bào)廢。建議提高該單體落后電池的浮充電壓，目前主要采用2種措施。

a.采用落后電池電壓均衡裝置

在1組蓄電池組個(gè)別電池特性發(fā)生劣化、電壓偏低需要更換時(shí)，在落后電池兩端并接落后電池電壓均衡裝置，以達(dá)到提高電壓的目的。本設(shè)備主要包括外部電源適配器、微控制器、數(shù)字式溫度傳感器以及十大電路(內(nèi)部電源電路、顯示電路、微控制器監(jiān)控復(fù)位電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、電壓基準(zhǔn)電路、負(fù)電壓發(fā)生電路、電池電壓分壓電路、充電電流采樣電路、模擬開關(guān)電路、脈寬調(diào)制電池充電電路)等組成[2]，結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過本設(shè)備減少了運(yùn)維人員對(duì)蓄電池的更換工作，保證了落后蓄電池的正常工作，從而延長(zhǎng)了蓄電池運(yùn)行年限。

圖1 落后電池電壓均衡裝置結(jié)構(gòu)

b.利用大功率二極管直接更換

本措施是在不切斷充電機(jī)及電池組供電情況下，對(duì)落后電池進(jìn)行直接更換。利用二極管、導(dǎo)線、夾子及絕緣膠布制作即可，其原理是利用二極管的正向?qū)ā⒎聪蚪刂沟脑恚?只硅元件將被更換蓄電池兩側(cè)相鄰的2節(jié)蓄電池反向相連，從而使硅元件與蓄電池組的充放電回路形成一個(gè)完整的回路，從而將被更換蓄電池完全斷開，同時(shí)不影響剩余N-1個(gè)蓄電池組成的蓄電池組的容量充足且正常帶電運(yùn)行，如圖2所示。

圖2 利用大功率二極管更換蓄電池原理

蓄電池的使用壽命與環(huán)境溫度關(guān)系很大[4-5]。閥控型蓄電池電解液的溫度按不同廠家規(guī)定，應(yīng)該在15～30 ℃。但在25 ℃時(shí)為最佳，蓄電池在溫度25 ℃下,其壽命與浮充電壓的關(guān)系如圖3所示。而蓄電池浮充電壓均控制在2.25 V左右，故電池的環(huán)境溫度才是影響其壽命的關(guān)鍵因素之一。如110 kV故驛站冬天蓄電池室溫度過低，不能滿足要求。建議蓄電池室應(yīng)裝設(shè)溫控設(shè)備或采取其他采暖、降溫措施，在通風(fēng)良好的情況下，使溫度盡量保持在25 ℃左右。

圖3 蓄電池壽命與浮充電壓的關(guān)系

3.2 未進(jìn)行核對(duì)性試驗(yàn)和過放電現(xiàn)象

分析原因：一是蓄電池投運(yùn)前施工工程混亂，可能未及時(shí)進(jìn)行核對(duì)性試驗(yàn)，使后期接管的運(yùn)維人員不能充分了解蓄電池容量真實(shí)情況。二是由于電池存放期不能超過6個(gè)月，一般電池存放3～6個(gè)月就應(yīng)進(jìn)行充電試驗(yàn)，而新建變電站建設(shè)周期較長(zhǎng)，蓄電池廠家從發(fā)貨到施工安裝又需要一段時(shí)間，安裝完成后已經(jīng)超過6個(gè)月，一旦直流裝置供電電源失電，蓄電池就要開始對(duì)負(fù)荷供電，加上之前本身自放電，蓄電池很快會(huì)達(dá)到極限電壓，若不能對(duì)蓄電池及時(shí)進(jìn)行充電，會(huì)造成蓄電池過放電，嚴(yán)重影響蓄電池組使用壽命，甚至導(dǎo)致蓄電池報(bào)廢，例如110 kV聰子峪、里信站均發(fā)生過此類情況。建議投運(yùn)前必須進(jìn)行試驗(yàn)，并有真實(shí)的試驗(yàn)報(bào)告，不能單純以廠家給出的試驗(yàn)報(bào)告為準(zhǔn)。另外，施工人員應(yīng)加強(qiáng)對(duì)直流裝置運(yùn)行情況的巡視，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)上報(bào)、處理。

3.3 蓄電池柜結(jié)構(gòu)缺陷

110 kV變電站蓄電池組均放置于主控室專用柜內(nèi)。但部分蓄電池柜結(jié)構(gòu)存在缺陷：一是部分所使用的蓄電池柜都沒有合理的通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)；二是缺少溫度監(jiān)測(cè)，柜內(nèi)無溫度計(jì)；三是柜體空間設(shè)計(jì)不合理，影響蓄電池?cái)[放，不便于維護(hù)，不利于散熱，造成電池使用壽命縮短。例如110 kV歐亞園站蓄電池組柜內(nèi)上、下層隔板間距離過小；城西站蓄電池現(xiàn)為臥式排列，正常應(yīng)為立式等。建議蓄電池柜體結(jié)構(gòu)要有良好的通風(fēng)、散熱設(shè)計(jì)，蓄電池?cái)[放整齊且留有適當(dāng)?shù)拈g距，保證蓄電池間不小于15 mm，與上層隔板間不小于150 mm。建議日常運(yùn)行巡視時(shí)，打開柜門通風(fēng)、散熱。同時(shí)加裝溫度傳感裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池柜內(nèi)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.4 未進(jìn)行周期容量核對(duì)性試驗(yàn)

長(zhǎng)期處于浮充電運(yùn)行方式的蓄電池，只是充電裝置內(nèi)定期均衡充電是不夠的，而且無法判斷蓄電池實(shí)際容量、內(nèi)部是否失水或干涸。不按周期進(jìn)行蓄電池容量試驗(yàn)，蓄電池內(nèi)部的電化學(xué)物質(zhì)得不到活化，容易形成硫酸鉛，且不能再還原成氧化鉛，成為有害物質(zhì)，嚴(yán)重影響蓄電池的壽命。通過周期性試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)蓄電池容量缺陷，并且可以通過每次試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，橫向比較掌握蓄電池運(yùn)行狀況。建議嚴(yán)格按照規(guī)定定期對(duì)蓄電池進(jìn)行容量核對(duì)性試驗(yàn)。

3.5 蓄電池整體質(zhì)量存在差別

現(xiàn)階段長(zhǎng)治主網(wǎng)變電站蓄電池組廠家分別為：山東圣陽、長(zhǎng)沙豐日、英國(guó)霍克、哈爾濱光宇、深圳理士、德克、銀杉、廣東湯淺、東北沈陽、江蘇雙登、海志、非凡等，通過每年直流設(shè)備檢查和蓄電池組容量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)使用壽命較長(zhǎng)、質(zhì)量較好的產(chǎn)品廠家為山東圣陽、東北沈陽、廣東湯淺，較差的為深圳理士、海志。建議變電站在進(jìn)行技術(shù)改造、大修等工程項(xiàng)目時(shí)，優(yōu)先選用質(zhì)量較好的蓄電池廠家產(chǎn)品。

4 結(jié)束語

為確保直流系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，運(yùn)維人員應(yīng)充分了解蓄電池的工作機(jī)理，通過合理的維護(hù)手段及科學(xué)的維護(hù)方法，有效地提高變電站蓄電池的運(yùn)行效率，從而延長(zhǎng)其使用壽命，打造更加堅(jiān)強(qiáng)的智能電網(wǎng)。