新材料在750kV超高壓變電站VRLA直流電源容量恢復領域的應用前景

摘 要：通過特殊儀器和設備將一種多元混合功能高分子膠體材料導入作為變電站直流電源的VRLA（閥控式密閉鉛酸蓄電池），能有效消除單體蓄電池因累積容量差異導致可靠性降低的狀況，使直流電源各單體蓄電池的容量水平趨于一致，大幅提升系統運行可靠性。

關鍵詞：蓄電池；容量；維保

中圖分類號：TN86 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）35-0048-02

前言：104只2V800Ah的VRLA蓄電池單體串聯作為750kV超高壓變電站的直流電源，在投運期按規程《電力系統用蓄電池直流電源裝置運行與維護技術規程》（DL/T724-2000）以整組80A恒流放電10h標準進行全核對性放電實驗終止時，若有單體容量低于80%或電壓低于1.8V情形出現時，須整組退出投運以保證電網安全運行。

圖1是我們對1個750kV變電站投運5年期的104只VRLA直流電源進行全核對性放電實驗的數據對比。該實驗我們定義為蓄電池的容量恢復作業（屬于維保作業范疇）。

通過80A恒流10h放電實驗，放電終止時我們得到了圖1的（上邊）折線，可以看出各單體蓄電池的性能差異表現較為明顯，其中有4只已經出現了電壓低于1.8V的情形，另有幾只的電壓也已接近1.8V直線（下邊）。

我們將新疆大西越能源科技有限公司提供的一種特殊材料，通過該公司特殊的儀器和設備導入這批蓄電池腔體，并依照該公司的作業方法進行了為期10d的系統實驗。作業完成后我們按照國家電網《直流電源系統運行規范》進行了驗收，通過80A恒流10h放電終止時，得到了圖2的（上邊）折線。

根據圖2可以看出，各單體蓄電池的性能差異表現趨于一致，電壓均分布在1.9～1.95V之間。

我們將實驗前后每只蓄電池的數據逐一比對后，得到了圖3的維保前后對應蓄電池的數據折線對比圖。

根據圖示，我們發現如下現象：

（1）通過容量恢復作業，104只蓄電池的整體電壓水平均有提升并趨于一致，基本在0.025V的電壓基準線上下波動，波動率2.7%。這一數據與維保前相比，差異極其明顯。

（2）（上邊）折線并不是將（下邊）折線進行整體復制提高，而是拉平在一個相對穩定的高位區間。該現象說明導入到蓄電池腔體內的材料和配套的維保儀器設備以及操作工藝，有能力將這些投運5年的蓄電池所出現的累積性能差異予以消除，且整體性能均得到了提升。

（3）維保之前性能落后的單體蓄電池，通過維保后其性能有大幅提升，但是維保之前性能較好的蓄電池通過維保后，性能并未能大幅提升，而是與其他的蓄電池性能接近一致，這一現象說明維保工作已經將蓄電池的容量恢復到了最佳狀態。這一結論可以理解為這批已經使用了5年的蓄電池通過這次維保，可以繼續投運使用多年而不必退役報廢。

原因分析：VRLA的正極板活性物質伴隨著充放電，會發生PbSO4和PbO2的相互轉化，由于PbSO4分子的空間占位比PbO2大，從而產生了正極板活性物質在正常電化學反應中的體積膨脹與收縮，成為極板活性物質松軟脫落的潛在隱患。電力系統長期在線浮充的VRLA直流電源，除了具有表現出負極板硫酸鹽化結晶的負極失效特征外，還表現出正極板晶格泥化現象的正極失效特征。該材料通過運用同價晶體化合物滲入極板阻止重復結晶的持續細化，使之形成粗晶型交叉點陣結構，使源于正極失效的VRLA蓄電池能夠恢復正常容量。

據新疆大西越能源科技有限公司技術人員介紹，本次作業中導入蓄電池腔體的材料是一種多元混合功能高分子膠體，這是一種介觀物質（以分子團簇的形式運動的物質），它遵循的力學規律是介于量子力學和經典力學之間的力學——介觀力學。該材料是由功能高分子有機膠脘與復合碰撞性無機膠脘混制形成的電解質溶液，在電場激發條件下，對引起鉛蓄電池硫酸鉛結晶體具有干擾重組作用，結晶點陣會隨著外加電場的變化而出現規律性的分解與凝聚，對用于制造鉛電池的二氧化硅膠體具有熱溶作用，使常規以顆粒懸浮狀分布的二氧化硅膠體轉變為準溶液，在電場作用中轉變為膠體，其在鉛蓄電池應用方面體現的主要功能是能夠有效提高電解質溶液的綜合內能，改善觸變性無機膠脘在鉛蓄電池應用中的電解液離子傳輸能力低、電極滲透力差及電極反應速度慢等核心問題。

同時，本次實驗使用的設備及工藝可以理解為與材料配套的一種“微擾共振能量激發系統”，該系統是根據膠體能量結構的基本數據而建立的一個“由梯度勢能場、振動微擾場和轉動微擾場結合的共振磁場”系統，該共振磁場系統可以對介觀功能膠體中的“囊態”物質、功能高分子和水的復合分子團簇的電極矩以及磁極矩產生作用。

由于稀硫酸電解液中的內能系數（活性系數γ±和滲透系數？準）與電解液的二極電離常數K2有以下的關系：

活性系數γ±=0.46+23.10K2；滲透系數=2.06+2.16K2

經過“微擾能量共振激發系統”激發后的多元混合膠體電解液的“囊式膠態”分子團簇由于其結合能由基態激發到亞穩態，能級產生了躍遷，二級電離常數K2予以增大，使得電解液由水態變成油包水膠態（囊式膠態），導致“囊”內可包容大量的硫酸根離子，在削弱硫酸的表面腐蝕力的同時，使硫酸根離子形成有序的“團簇”形態，實現電解液粘度降低、滲透力增強的效果。

因此在材料上通過施加能量激發系統，可以使功能膠體的能量從基態躍遷到亞穩態，能量等級增加，分子團簇的活性增強，且分子團簇由大變小且有序排列，最終使混合了該材料的VRLA電解液呈現出內能增加、分子團簇活性增大、粘度減小、離子定向運動所受的阻力減小、溶解度和離子的濃度增大、電極反應能力增強等特點。即凡因極板硫酸鉛結晶鹽化引致失效的鉛電池，都有可能運用這類功能高分子材料恢復正常容量。

因充電時的電量C存在﹝m﹢n（T標稱額定-T0）/T標稱額定﹞C標稱的數值對應關系（m和n均為放電過程表現的系數，T0是以標規額定電流Ie放電至終止電壓V0的時間值）。因此在容量恢復維保作業時，與材料配套使用的能量激發和釋放極板殘存二級能量平臺的專用設備是保證材料能夠發揮預期功效的重要條件。

這次作業，我們特意將原來分為1組和2組的208只蓄電池進行了重新混合配組，通過維保作業我們發現各單體蓄電池的恢復效果均趨于一致。因此從技術角度來講，可將不同組的單體蓄電池重新混配成一組性能趨于一致的備用直流電源，當某個站的直流電源出現需要整體維保時使用該備用直流電源循環周轉，即節省維保作業時間，也能降低公司運營成本。

結論：

從提升系統運行安全性角度來講，對投運5年左右的變電站直流電源進行一次系統性容量恢復作業，能有效消除單體鉛蓄電池因投運多年導致可靠性降低的狀況，使直流電源組內各單體鉛蓄電池的容量水平趨于一致，大幅提升系統運行可靠性。

其次，從運營經濟角度考慮，因個別幾只性能落后鉛蓄電池導致直流電源整組退役更換，會使運營成本大幅上升；若推廣該維保方案，相當于既延長了變電站直流電源的投運期，也大幅降低了運營成本。

參考文獻

[1]《電力系統用蓄電池直流電源裝置運行與維護技術規程》（DL/T724-2000）.

[2]劉粵榮.《多元混合膠體電解液的研究與應用》（發表于歐洲《蓄電池》國內《電池》2008）.

本次實驗所使

收稿日期：2018-11-7