基于電池修復技術的變電站電池組管理策略

紀哲夫 謝歡歡 郭興強

摘 要：為降低變電站管理的運維成本，延長蓄電池組的實際使用壽命，降低因蓄電池過早報廢造成的資源浪費和對環(huán)境的污染，文章通過對變電站閥控式鉛酸蓄電池的修復試驗，研究蓄電池容量狀態(tài)與蓄電池的修復效果及修復時長的關系，以及對比不同的運維管理策略下的蓄電池年使用成本，確定了基于蓄電池修復技術的蓄電池組最實用的運維管理策略，該策略在生產(chǎn)實踐中具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益，值得在電網(wǎng)大力推廣和應用。

關鍵詞：閥控式鉛酸蓄電池；修復；環(huán)保；使用壽命；降低成本；管理策略

中圖分類號：TM912 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）28-0001-05

Abstract： In order to reduce the operation and maintenance cost of substation management， prolong the service life of batteries， reduce the waste of resources caused by premature scrapping of batteries and the pollution to the environment， this paper makes a repair test of valve regulated lead acid battery（VRLA battery） in substations. The relationship between the capacity state of the battery and the repair effect and time of the battery was studied， and the annual operating cost of the battery under different operation and maintenance management strategies was compared. The most practical operation and maintenance management strategy of battery group based on battery repair technology is determined. The strategy has good economic and social benefits in production practice and is worth to be vigorously promoted and applied in power grid.

Keywords： valve regulated lead acid battery（VRLA battery）； repair； environmental protection； service life； cost reduction； management strategy

1 概述

對變電站直流系統(tǒng)蓄電池日常運行維護數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，投入電網(wǎng)使用的蓄電池通常在使用3-5年后，放電容量已經(jīng)低于標稱容量80%。閥控式鉛酸蓄電池的設計壽命為10-12年，而大部分的蓄電池的實際使用壽命只有6-8年。失水和硫酸鹽化是引起閥控式鉛酸蓄電池容量下降的主要原因，而且是蓄電池運行過程中無法避免的[1-7]。隨著閥控式鉛酸蓄電池活化修復技術研究的日趨成熟，針對無物理結(jié)構(gòu)損傷的蓄電池，由失水和硫酸鹽化引起失效的閥控式鉛酸蓄電池進行修復已驗證可行[8-10]。本文通過對變電站閥控式鉛酸蓄電池進行修復試驗，對比不同放電容量情況下其修復效果、修復時間及成本，確定將蓄電池修復技術納入變電站蓄電池組運維管理能夠有效解決蓄電池實際使用中壽命短的問題。結(jié)合修復效益分析，制定合理的蓄電池組管理策略，能夠延長蓄電池使用壽命，降低蓄電池全生命周期的使用成本。

2 蓄電池組修復試驗

本文所選用的蓄電池修復技術為修復液修復技術，在待修復電池中添加一種能夠促進大顆粒硫酸鉛結(jié)晶分解蓄電池修復液，加載安全的充放電電壓及電流，可使附著在負極板上的大顆粒硫酸鉛結(jié)晶分解為化學反應活性物質(zhì)鉛和二氧化鉛（如圖1），降低電池的內(nèi)阻，提升電池容量。

2.1 試驗方法

試驗對象：變電站在役核容不合格電池6只，型號為SNS-300，核容放電容量分別為額定容量的1#：79%、2#：75%，3#：66%，4#：60%，5#：58%，6#：20%。

蓄電池修復液：型號HBDL-2，廠家為廣州泓淮能源科技有限公司。

蓄電池智能修復系統(tǒng)：型號：HBRS-2V，廠家為廣州泓淮能源科技有限公司。

試驗環(huán)境：環(huán)境溫度22°C～25°C；環(huán)境濕度：45%RH～62%RH

試驗過程[11]：以1mL/2V.AH的比例添加蓄電池修復液后靜置1h；再以先恒流（0.1C）再恒壓（2.55V）的方式充滿電后進行核對性放電；若核容放電容量未達到額定容量的80%，則再次進行上一步的充電放電過程，最多進行3次循環(huán)，對于3次循環(huán)后容量仍不滿足要求的，可深放電至0.5V。

2.2 試驗結(jié)果

修復試驗結(jié)果如表1所示，圖2為修復前核容放電曲線，圖3為修復后核容放電曲線：

修復成功后的電池在水貝直流實驗室模擬站內(nèi)浮充運行15天后進行核對性放電試驗，重復進行6次，各項指標均符合要求，最后1次核容放電曲線如圖4所示。修復后電池重新投入站內(nèi)運行，投運時間已經(jīng)超過2年，未出現(xiàn)任何異常，最近1次核對性放電曲線如圖5所示。

2.3 試驗結(jié)果分析

如表1所示，當蓄電池放電容量在額定容量66%以上時，在添加修復液之后進行核容放電即可恢復容量至100%，修復效率非常高。而在66%以下，則必須要完成1個以上的充放電循環(huán)修復過程才能恢復容量至80%以上，且修復前容量越差，修復難度越高。

綜上，蓄電池修復前容量狀況越好，修復效果越好，修復過程的耗費時長也越短。綜合考慮蓄電池修復效果及修復時長，可以得出如下結(jié)論：蓄電池最佳的修復時機是蓄電池容量在標稱容量的70%-80%時，此種情況視為輕度修復。蓄電池單體容量下降至30%-70%時，通過幾個充放電循環(huán)可成功修復，此種情況視為中度修復；蓄電池單體容量下降到蓄電池標稱容量的30%以下時，修復難度增加，修復效率低，此種情況視為深度修復。

3 蓄電池組管理策略

3.1 蓄電池修復技術應用優(yōu)化

為進一步優(yōu)化蓄電池修復技術在變電站的應用，對于需輕度修復的蓄電池，我們采取加入修復液后利用直流系統(tǒng)充電機充電在線活化的方式進行，對3種電網(wǎng)常用電池型號共6組電壓等級為110V的蓄電池組進行在線活化試驗，均成功修復，修復時長接近為0，修復結(jié)果如表3，在線活化試驗前后的放電曲線如圖6-11所示。

蓄電池修復液：型號HBDL-2，廠家為廣州泓淮能源科技有限公司。

遠程充放電管理系統(tǒng)：型號：HBDC-110，廠家為廣州泓淮能源科技有限公司。

試驗環(huán)境：環(huán)境溫度22°C～25°C；環(huán)境濕度：45%RH～62%RH

試驗說明蓄電池在容量為70%-80%之間能夠通過在線活化的方式進行容量恢復。但是在變電站實際應用中容量下降到80%及以下就應該更換，為了提高變電站的運維效率，建議在發(fā)現(xiàn)蓄電池容量下降到接近80%時就可以添加蓄電池修復液進行在線活化。經(jīng)優(yōu)化設計后對變電站容量下降的蓄電池進行修復可參考標準如表3。

3.2 經(jīng)濟效益分析

根據(jù)實際情況對蓄電池全生命管理周期成本建模如下[12-13]：LCC=CI+CO+CM+CF+CD。

即全生命周期成本=投入成本+運行維護成本+檢修成本+故障成本+廢棄成本。

以容量為300Ah電壓等級為110V的蓄電池組為例，根據(jù)鉛酸蓄電池的特性，容量下降至標稱容量80%以下時電池性能急劇下降，合理假設電池在使用X年后容量下降至80%，則在X+0.25年以后容量下降至70%以下。年維護成本平均0.15萬元，投入成本平均7萬元，中度修復檢修成本為投入成本的九分之二，輕度修復檢修成本為投入成本的八分之一，平均廢棄成本為-0.35萬元，修復一次后延長使用壽命3年。則根據(jù)年均使用成本C=全生命周期成本/使用年限得到不同類型的運維策略下蓄電池組的年均使用成本：

策略一：容量下降至80%時更換整組電池，則C1=（7萬元+0.15X萬元+0萬元-0.35萬元）/X=（6.35/X+0.15）萬元。

策略二：容量下降至70%以下時中度修復后使用，則C2=（7萬元+0.15（X+3.25）萬元+7*2/9萬元-0.35萬元）/（X+3.25）=（8.05/（X+3.25）+0.15）萬元。

策略三：容量下降至接近80%是加修復液輕度修復后使用，則C3=（7萬元+0.15（X+3）萬元+7/8萬元-0.35萬元）/（X+3）=（7.525/（X+3）+0.15）萬元。

對比不同使用年限不同類型運維策略的年均使用成本如圖12所示，可見C3為最優(yōu)策略即在蓄電池組容量降到接近80%時，對其進行輕度修復的成本最低，為蓄電池修復的最優(yōu)策略。

因不同容量不同電壓等級其投入成本成比例增加或減少，因此上述方法同樣適用于大部分變電站蓄電池組。

該最優(yōu)管理策略使蓄電池組購置、安裝、運行、維修、技改、再生、更新直至報廢回收整個壽命期內(nèi)所涉及的總成本最低。

3.3 基于蓄電池修復的運維管理策略

鑒于蓄電池組修復技術的有益效果及顯著的經(jīng)濟效益[14-15]，要將此運維管理策略推廣普及，需要根據(jù)變電站現(xiàn)有的運維管理模式，進行多因素的綜合考慮，才能做出更合理更優(yōu)的運維管理決策。

（1）蓄電池修復的時間點的多因素評價方法

a.通過不同品牌/型號的蓄電池組使用年限和容量下降的關系，建立數(shù)學模型，以獲得根據(jù)使用年限來確定蓄電池修復時間點的參考數(shù)據(jù)。

b.通過不同品牌/型號的蓄電池容量下降程度與修復效果關系，獲得根據(jù)容量來確定蓄電池修復時間點的參考數(shù)據(jù)。

c.通過現(xiàn)有的核對性放電試驗所獲得的容量數(shù)據(jù)，形成蓄電池容量變化曲線，確定蓄電池的最佳修復時間點。

（2）蓄電池修復規(guī)范化管理機制

a.規(guī)范蓄電池修復的要求，將蓄電池修復納入常規(guī)的運維管理。

b.建立蓄電池修復篩選指引，幫助篩選具備修復價值的蓄電池。

c.建立蓄電池修復指南，對篩選出的具備修復價值的蓄電池，進行在線修復或采用專用設備修復。

d.建立蓄電池集中修復統(tǒng)一管理的方案，以深圳市的變電站為模型，考察深圳市各變電站的蓄電池性能，統(tǒng)計需要修復的蓄電池情況，確定物流運輸機制，修復地點，修復流程，各變電修復時間表等。

e.建立修復后蓄電池狀態(tài)的檢驗與考察機制，加強巡視及維護，保證修復后的蓄電池可以安全有效地工作。

（3）蓄電池報廢的合理化建議

a.不具備修復價值的蓄電池才能申請報廢。

b.根據(jù)蓄電池維修成本和更換成本分析，制定科學合理的蓄電池組報廢期限和報廢標準。

4 結(jié)束語

（1）通過對不同容量狀態(tài)的蓄電池修復效果及修復時長，得出在蓄電池容量在標稱容量在下降至接近80%或不低于70%時進行輕度修復效率最高，值得在電網(wǎng)內(nèi)推廣和應用。

（2）通過比較分析不同管理策略下的蓄電池年使用成本，得出在蓄電池組容量降到80%左右時，展開輕度修復的年均使用成本最低，為蓄電池修復的最優(yōu)策略，即為企業(yè)節(jié)省運維成本，同時延長電池使用壽命，減少蓄電池報廢帶來的環(huán)境污染。

（3）闡述了蓄電池修復技術在變電站中推廣時，在制定相應的運維管理決策時應綜合考慮多方面的因素，與現(xiàn)有運維管理結(jié)合構(gòu)成完整的新的蓄電池組管理策略。

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