閥控式密封鉛酸蓄電池的檢測技術與故障預測

梁 宇，王 楠，郭延增

(中國石油吉林石化公司 有機合成廠，吉林 吉林 132000)

閥控式密封鉛酸蓄電池以二氧化鉛和絨狀鉛為正、負極板，以稀硫酸為電解液并吸收于AGM隔膜中，制成氣體復合型貧液式電池，是目前應用最廣泛的二次電池，大量使用于電氣系統備用電源中[1].蓄電池性能參數包括容量、電壓、內阻、存儲性能、充放電特性等，不同品牌型號的蓄電池性能不盡相同，檢測指標也有所區別，但檢測工具和檢測手段基本相同[2].為了深入了解蓄電池結構原理，掌握檢測方法，提高設備維護和故障預測能力，現結合我廠蓄電池實際使用情況，對相應的檢測設備、測量手段、維護及故障預測方法加以闡述.

1 蓄電池常用檢測工具

1.1 蓄電池巡檢儀

電池巡檢儀又叫電池管理器，可對電池充放電運行狀態實時自動檢測，能夠提醒電氣操作人員及時對電池進行預防性維護.下面以我廠EPS設備常用的電池巡檢儀BCS-1241為例，簡要介紹巡檢儀的產品特性和操作方法，BCS-1241電池巡檢儀的操作顯示面板見圖1.

圖1 BCS-1241蓄電池巡檢儀操作顯示面板

該巡檢儀能夠實時在線檢測蓄電池的單體電壓，報警或故障狀態下不會對系統造成影響，具有較強的獨立性.巡檢儀設有開路、短路、反極、低電壓、過電壓等檢測功能，當電池均充電壓≥15VDC,或放電電壓≤10.5VDC時，發出報警聲響.

(綠色LED指示燈)：電源管理器工作指示燈，當有供電電壓時，此燈亮.

(紅色LED指示燈)：計數器指示燈，當計數電路正常工作時，此燈亮.

(黃色LED指示燈)：電池故障指示燈，當檢測到蓄電池狀態異常時，此燈亮.

Battery Voltage：數字電壓表，顯示電池端電壓.

Battery Number：數字計數表，顯示巡檢電池編號.

ON鍵：開機鍵

OFF鍵：關機鍵，也可作為清零鍵

Rescind鍵：解鎖鍵，當巡檢儀發現單節蓄電池異常時，會鎖定該節電池的顯示信息，按住Rescind鍵兩秒，解除屏幕鎖定，巡檢儀繼續對其它節電池進行檢測.

1.2 蓄電池內阻測試儀

我廠采用的內阻測試儀為FLUKE BT510型號，如圖2所示，可用于單體電池或整組電池的內阻、交流電壓、直流電壓、波紋電壓的檢測.能夠自動捕獲、顯示、存儲測量值，具備程序設定、閥值比較和超限報警功能，安全等級較高，操作靈活方便.

圖2 FLUKE BT510電池內阻測試儀

內阻測量方法：

(1)旋鈕調至mΩ檔

(2)用表筆內圈接觸接線端子表面后，按下表筆內圈壓回，直到表筆內圈和外圈同時接觸端子，開始測量.

(3)表筆內圈和外圈同時接觸端子后，儀表才會顯示穩定準確讀數，如圖3所示.

圖3 FLUKE BT510表筆測試方法

④存儲讀數，按保存(F1)功能鍵或按下黑色表筆上保存鍵進行存儲，見圖4.

圖4 FLUKE BT510數據顯示與保存

2 蓄電池常用檢測方法

鉛酸蓄電池的基本性能參數包括充放電特性、內阻、容量等，只有較好掌握電池檢測方法，定期對電池相關參數進行測量、匯總、分析，可有效判斷電池性能變化趨勢，發現并消除故障隱患.蓄電池常用檢測方法包括充放電測試、內阻檢測、容量檢測等[3].

2.1 充放電性能測試

蓄電池充放電試驗是檢測蓄電池性能的重要方法，能對蓄電池運行狀態進行早期預報，對查找落后單體電池效果良好.

2.2 充電性能測試

充電測試主要核對蓄電池的充電效率和最高充電電壓.

基本電路由充電電源(恒流源或恒壓源)、控制開關、蓄電池、電流及電壓檢測設備、記錄儀器等部分組成，充電電路示意圖如圖5所示.

圖5 充電電路示意圖

充電效率受充電電流、充電方法、環境溫度等影響較大.通常來說，在蓄電池充電開始階段，電池充電效率最高，但電池容量接近充滿的后期階段，隨著電池電極極化的不斷增加，充電效率也會越來越低.

檢查蓄電池性能好壞的重要依據是電池最高充電電壓，電壓越低，說明蓄電池的極化越小，充電效率也就越高，蓄電池使用壽命會更長.

2.3 電池內阻檢測

電池內阻是指電流通過電池時受到的阻力，通常來說，相同品牌型號的電池內阻越低說明電池的性能就越好，因為電池工作電壓的上、下限受電池內阻高低的影響，鉛酸蓄電池的內阻值約為10-3Ω.

蓄電池為有源元件，它的內阻用普通萬用表無法測量，必須使用專用測量儀器[4].我廠FLUKE BT510內阻測試儀采用交流測試原理，利用內阻等效為一個有源電阻的特點，對被測電池通以恒定電流源，然后采集電阻兩端電壓、并經過整流和濾波等處理，通過精確計算得出電池內阻值.

蓄電池內阻與電池標稱容量存在密切關系，通常容量越小的蓄電池內阻值越大[5].

我廠常用蓄電池在額定電壓下的內阻值標準見表1：

表1 蓄電池標準內阻值

3 蓄電池維護與故障預測

蓄電池故障機理是非常復雜的，早期故障原因包括電池內部缺陷、極板存在隱患、安裝接線錯誤等.只有蓄電池處于充滿電的優良狀態才能保證負載的不間斷供電[6].常規巡檢手段不能全面掌握閥控式密封鉛酸蓄電池的運行狀態，必須加強對鉛酸蓄電池維護和故障預測[8]，常見的維護和故障檢測方法有電壓測量法、內阻測量法、核對放電法[8].

3.1 電壓測量法

電池放電開始階段，蓄電池的兩端電壓沒有明顯變化，當放電到一定容量后，電池電壓開始顯著下降，電池的容量與電壓落后程度能夠最終體現電池的性能狀態，在實際應用中通常采用浮充電壓法和放電電壓法用來判斷電池故障[7].

測量浮充電壓可有效判斷鉛酸蓄電池故障.例如，一般設定電池組平均電壓的±50 mV為該組蓄電池的極限電壓值，當某節電池電壓偏離該值時，可能是由于該節電池內部出現故障或未到達充分充放電狀態引起的.對該組電池進行長時間浮充電后，再進行單體電池電壓測量，如電壓仍然偏低，表示這節電池已經存在故障，需進一步檢查其電解液密度，如果電解液密度低于正常值，說的電池已經損壞，無法繼續使用.

測量電池放電時的電壓也是檢查蓄電池故障的常用方法.狀態良好的電池在放電時兩端電壓的下降較為平穩，經過較長時間才能下降到極限值.而故障電池的電壓下降的速度很快，很短時間就能達到極限值.我廠2I-UPS設備采用24節NP65-12蓄電池，電池電壓12 V，容量65 Ah.在檢修時采用KYD-220H放電儀，以6.5A電流進行放電試驗，正常電池放電5 h后剩余電量50%，電池電壓不低于10.8 V.其中多節故障電池放電1 h后，電壓已下降到10 V以下，測量電池內阻遠超過標準值11.2 mΩ，后經拆檢發現因使用時間過長，部分電池極板腐蝕變形導致電池容量變小，內阻增大.可見根據電池放電時電壓的變化情況可有效判斷電池故障狀態如圖6.

表6 2I-UPS蓄電池放電記錄

3.2 內阻測量法

利用蓄電池內阻預測單體電池故障是非常有效的手段.若蓄電池存在極板腐蝕、板柵增長、硫化、電解液干枯等各類隱患，都會導致電池的金屬內阻和化學內阻增大[8].內阻的好壞對電池性能的影響最為嚴重，當內阻值增大時，蓄電池的兩端電壓會大幅下降，并造成電池儲能容量的縮減，甚至在運行中突然中斷供電，電池內阻對電池性能的影響如圖7所示.

圖7 電池內阻對電池性能的影響

由上圖可知，在蓄電池內阻值增大情況下，電池兩端電壓下降到終止電壓時，電池的放電時間明顯減少，放出的容量未到達電池100%額定容量.內阻越大，電池放出的實際容量越少，與額定容量差值就越大.

我廠10A-EPS設備蓄電池采用41節海智AGM HZB12-100型號電池，電池容量113 Ah，電池內阻范圍5～6.5 mΩ.在2017年12月電池內阻檢測過程中，發現有5節蓄電池內阻值超過正常范圍，得到20 mΩ以上.通過持續監控檢測，在2018年12月測量時發現12節蓄電池內阻超過正常范圍，最大內阻值已超過500 mΩ.2019年1月部分故障電池發生外殼膨脹破裂，電池燃燒事故，經分析判斷因電池極板活性物質脫落及排氣閥失效等原因，在長期充電情況下電池外殼碳化變形，電解液泄露造成接地短路引起燃燒.因此可知，當電池內阻值長時間遠超造成范圍時，經常預示該電池內部存在嚴重隱患.

3.3 核對放電法

采取核對性放電試驗時，可利用電阻箱或放電儀，實時監控電池組放電電壓的變化情況，有針對性的調整放電負載阻值，確保到達恒流放電效果[9]，不僅能精準測量電池的實際容量，而且對蓄電池可以起到較好的維護作用，具備其它維護方法沒有的技術優勢.

但核對放電法在應用中的缺點主要表現為：

(1)電池組必須斷電后才能進行核對放電，而且放電時間較長.只有利用裝置檢修長時間停電機會才能開展.

(2)核對放電只能測試整組電池容量，以容量最低的一節電池作為整組容量,不能測試單節電池容量[10].

4 結 論

本文主要介紹我廠UPS、EPS、直流電源等電氣系統備用電源所用閥控式密封鉛酸蓄電池的基本情況、檢測手段、維護和故障預測方法.實踐證明，只有熟練掌握儀器操作方法，不斷豐富電池檢測手段，定期開展基本參數測量，并對數據進行記錄、匯總、分析，就能夠發現電池性能變化趨勢，提早發現潛在故障，及時消除設備隱患，保證備用電源系統安全平穩運行.