一種直流蓄電池開路續流與過放告警裝置的研究

林浩勤 吳文健 黃楊明 鄧健強

（1.廣東電網有限責任公司佛山供電局，廣東佛山528300；2.廣州市仟順電子設備有限公司，廣東廣州511400）

0 引言

變電站用直流系統蓄電池維護手段有蓄電池核容放電、內阻測量、電壓測量和定期均充，在眾多手段中，缺少用于蓄電池開路故障在線監測及蓄電池開路故障反措的設備。據統計，近年來不少電力系統的擴大事故是由于蓄電池開路故障引發的，表1列舉了幾個案例。

表1 蓄電池開路引起的電力系統事故

蓄電池開路故障常有發生，且故障可能給電力系統帶來較為嚴重的事故，但目前規程中沒有明確對蓄電池開路故障進行監測與反措的規定。

直流系統在站/廠大修期間，有部分負荷還需繼續運行，在對充電機進行檢修時，充電機需要退出運行，此時蓄電池給直流系統供電。蓄電池長時間工作可能發生過放，過放電會直接損壞蓄電池。目前還沒有對蓄電池放電容量設置專業監測設備，蓄電池放電存在過放損壞的安全隱患。

本文研究了一種直流蓄電池開路續流與過放告警裝置，能夠有效監測蓄電池開路故障并在蓄電池開路故障發生時實現有效續流，同時對蓄電池過放電事故進行告警，從而避免直流系統蓄電池開路故障引起電力系統二次擴大事故和蓄電池過放電損壞帶來的不必要的經濟損失。

1 蓄電池開路故障分析

1.1 導致蓄電池開路故障的原因

很多蓄電池開路故障的發生沒有預見性，而是十分突然，與蓄電池其他故障如酸化、漏液、短路等相比，缺少了性能漸變過程，這是由蓄電池的結構決定的。蓄電池內部結構分為蓋與殼體、溢氣閥、匯流導體（匯流排）、單格與間隔、正極板、負極板以及含電解液的多孔物質。其中極板與匯流排間采用的工藝是焊接，在大電流情況下可能會發生脫落導致蓄電池開路，即浮充狀態下表現良好的蓄電池可能在均充或大電流情況下發生開路故障。在日常維護工作中常遇到蓄電池核容放電能夠正常進行，但往回充瞬間因充電機不受控，電流過大導致蓄電池開路故障發生。所以，蓄電池除了由于漸變老化發生開路故障外，還有可能在大電流沖擊下發生開路故障。

1.2 蓄電池開路故障危害

蓄電池開路故障危害大，不及時處理可能導致電力系統發生重大事故。蓄電池開路故障可能造成的危害有蓄電池損壞、設備失電和電力系統保護拒動等。

1.2.1 蓄電池損壞

蓄電池正常情況下運行在浮充狀態，即蓄電池需要充電機不停地為其補充自放電消耗掉的電能；若某一節蓄電池由于性能原因發生開路故障，而又未能及時發現處理，則可能導致整組蓄電池由于長期沒有得到補充充電而發生損壞的隱患。

1.2.2 直流系統失電

直流系統正常浮充情況下，系統電源由充電機提供；在站用交流電源故障時，直流系統電源需要由蓄電池提供。按照設計要求，蓄電池應能正常提供2 h及以上事故電源；若此時某一節蓄電池發生開路故障，則整組蓄電池將因不能提供事故電源導致直流系統失電。

1.2.3 保護拒動事故

在電力系統一次設備發生故障時，為了避免更大損失，保護裝置檢測到故障發生會啟動重合閘繼電器重合一次，然而重合閘繼電器需要直流電源供電，直流系統充電機由于此時一次設備故障已失去交流電壓，直流充電模塊不能提供浮充電壓；若此時蓄電池組亦發生開路故障，則會引起整個直流系統崩潰，造成二次擴大事故的嚴重后果。

1.3 蓄電池過放電危害

蓄電池組在直流系統中的作用是作為后備電源和在交流電壓失壓后提供事故電源。蓄電池屬于化學儲能體，能夠在化學能和電能之間靈活轉換；但打破某種平衡后，這種相互轉換就不可逆——蓄電池損壞。所以蓄電池在放電時不能過量，過放電會導致蓄電池不能充電，從而發生損壞。一組蓄電池成本從幾萬至幾十萬，損壞蓄電池帶來的損失是不可估量的。

2 蓄電池開路續流與過放告警裝置的研制

2.1 設備原理

2.1.1 續流原理

單體蓄電池異常故障時，裝置能對該節故障蓄電池自動續流，而不影響整組蓄電池正常對外供電。如圖1所示，在蓄電池組中，每節蓄電池并聯大功率二極管。當外部發生故障使直流模塊斷電，需由蓄電池組供電時，如任意一節電池開路，蓄電池組的放電電流I將自動不間斷地通過并聯二極管（圖1中粗線），可確保蓄電池組正常為負載供給直流電源，杜絕保護、控制裝置等直流負荷失去電源的風險。

圖1 開路續流部分原理圖

2.1.2 防過放原理

蓄電池組單體蓄電池是根據直流系統標稱電壓確定數量（以變電站為例，直流電源系統的標稱電壓為110 V和220 V。2 V標稱電壓的蓄電池浮充電壓為2.23～2.28 V，均充電壓為2.30～2.35 V）[1-2]，蓄電池運行在均充和浮充狀態時，蓄電池組端電壓較高；當給蓄電池組放電時，蓄電池組端電壓隨放電容量的增加而降低。可設計電路采集蓄電池組端電壓，根據現場蓄電池組單體電池節數設置電壓下限，電壓下降到設置值時發出告警并斷開負載。

2.2 設備開發

蓄電池開路續流與過放告警裝置分為開路續流部分和溫度、電壓采樣告警主機部分。

根據蓄電池容量選擇合適的續流二極管，根據續流二極管外形設計散熱鋁型材；在散熱鋁型材上設計安裝溫度開關，所有溫度開關并聯接到蓄電池開路續流與防過放裝置開關量采集電路輸入接口，供裝置采樣告警。單個開路續流器如圖2所示。

圖2 開路續流器

如圖3所示，采樣告警部分設計有CPU邏輯運算電路、電源模塊電路、電壓采樣電路、開關量采集電路、LCD顯示電路、LED指示電路和告警通信電路。CPU邏輯運算電路負責電壓AD轉換、開路續流器溫度開關狀態判斷、LCD顯示與人工交換、LED運行指示及故障指示和告警信號控制等功能。電壓采樣電路負責把蓄電池組端電壓隔離放大，達到CPU AD轉換電壓值。開關量采集電路負責監控開路續流器溫度傳感器狀態，轉化電平信號供CPU監測。LCD顯示電路采用帶觸摸功能的顯示屏，負責顯示設備及系統信息，同時完成人機交換。LED指示電路負責顯示設備運行狀態與系統故障告警狀態。告警通信電路處理通信電平轉換和告警開關量信號輸出。設備外接蓄電池組端電壓和開路續流器溫度傳感器輸出信號線。

圖3 采樣告警部分設計框圖

蓄電池開路續流與過放告警裝置分為開路續流和采樣告警主機兩個部分，開路續流部分安裝在每一節蓄電池正負極之間，如圖4所示，在蓄電池開路故障時起到續流作用，有開關量信號接到采樣告警主機。可以將采樣告警主機安裝在蓄電池架上，采集蓄電池組端電壓，端電壓過低時發出告警信息，防止蓄電池過放電損壞；同時采集開關量信號，從而對蓄電池開路故障進行有效告警。

圖4 蓄電池開路續流與過放告警裝置原理圖

3 運行效果分析

本次研制的蓄電池開路續流與過放告警裝置在本地區選取了一個變電站在運蓄電池組進行安裝試驗運行，試驗期間模擬了一節及多節蓄電池開路故障，裝置均能正常續流及告警，未造成整組蓄電池開路引起直流系統失壓的事故。另外，模擬蓄電池過放電故障，告警裝置能可靠告警，達到了預期運行效果，性能良好。

4 結語

通過本次研究，有成果蓄電池開路續流與過放告警裝置，能夠解決電力系統直流蓄電池開路故障的檢測問題，其還具備蓄電池開路故障反措及續流功能，并能針對蓄電池組過放電事故進行告警，避免蓄電池故障給電力系統造成嚴重損失。研究成果有現場運行案例，運行情況良好，成果可以在電力系統推廣使用，可保障電力系統更加可靠地運行。