變電站VRLA蓄電池斷格事件分析及預判措施研究

孔圣立，陳 宇，郭志克，趙光金，劉 昊

（1.國網河南省電力公司電力科學研究院，河南 鄭州 450052；2.國網河南省電力公司平頂山供電公司，河南 平頂山 467000）

0 引 言

蓄電池作為變電站備用直流電源，長期浮充運行。當突發交流電源失去或電壓降低時，充電裝置無輸出，蓄電池應為直流負荷提供持續可靠電源。此時若蓄電池發生斷格，則可能導致變電站保護和開關發生拒動，擴大故障范圍[1]。近期某110 kV變電站發生一起因蓄電池斷格造成變電站故障擴大事件，造成變電站設備燒損，帶來了巨大的經濟損失。經調查，在事故發生半年前，該組蓄電池剛完成核對性放電試驗，并根據試驗結果更換了容量不足的單體蓄電池。本文旨在查明事件原因，并探索診斷蓄電池實際運行情況的有效方法。

1 事件簡述

1.1 設備配置情況

110 kV甲變電站電氣主接線如圖1所示。110 kV甲變電站10 kV出線開關均為電磁型操作機構。甲#1站用變帶動全站交流負荷（401開關為合位），甲#2站用變處于備用狀態（402開關為分位）。直流電源系統配置一套充電機和一組蓄電池。蓄電池組由108只VRLA蓄電池（密封式閥控鉛酸蓄電池）串聯構成，容量為200 Ah，運行不足4年。

圖1 110 kV甲變電站電氣主接線圖

1.2 事件過程

10 kV甲I線發生三相短路故障，甲10 kV II母電壓隨之跌落。因站用變低壓側開關不具備電動分合閘功能，也未配置備自投裝置，甲#2站用變未能及時投入，造成直流充電裝置因欠壓閉鎖輸出，由蓄電池組帶動全站直流負荷運行。

10 kV甲I線保護出口跳閘后，1.5 s后重合。在重合閘電流沖擊下，蓄電池發生斷格，站內直流電源系統失電[2]。10 kV甲I線桿塔弓子線熔斷后造成同桿的10 kV甲II線三相短路。因甲變電站直流失去，保護拒動，只能經上一級保護動作切除故障，造成變壓器和開關柜燒損等設備損失。需要說明的是，曾發生過同類事件，10 kV丙IV線路發生故障，速斷保護動作，重合后報出電池異常，但18 min后未經處理，該告警信號自行消失。

2 事故前電池組核對性放電試驗情況及分析

《電力系統用蓄電池直流電源裝置運行與維護技術規程》（DL/T 724—2000）6.3.3條文規定：“發電廠或變電所中只有一組電池，不能退出運行，也不能作全核對性放電，只能用I10電流恒流放出額定容量的50%，在放電過程中，蓄電池組端電壓不得低于2 V×N”。從VRLA蓄電池放電特性曲線圖來看，以0.1 C電流放電，5 h后蓄電池電壓為2 V，可知2 V截止電壓與滿容量VRLA蓄電池放電特性是相符的。圖2為VRLA蓄電池放電特性曲線圖。事故發生前6個月，運維人員對甲變蓄電池組進行核對性放電試驗。因該站僅有1組蓄電池組，將放電截止電壓設置為2 V，放電5 h，符合《電力系統用蓄電池直流電源裝置運行與維護技術規程》規定。

圖2 VRLA蓄電池放電特性曲線圖

在這次核對性放電試驗中，發現3只蓄電池容量不足并予以更換。它的放電時間如表1所示。5 h后，除這3只電池外，甲變電站的其他蓄電池單體電壓均在2 V以上。根據相關規程和運行經驗，甲變電站蓄電池過壓告警定值為15 V（6只為一組，平均單只為2.5 V），過壓告警定值偏高。電池欠壓告警定值10.5 V（6只為一組，平均單只為1.75 V），欠壓告警定值偏低。核對性放電試驗后半年內，多次報出蓄電池電壓異常信號，均持續很短時間后自行恢復。事故發生后，經檢查發現有2只蓄電池發生斷格。甲變電站蓄電池電壓告警定值設置寬泛后仍出現多次告警情況。放電試驗后至事故發生前，蓄電池組處于“帶病”運行狀態。可見，通過該種核對性放電試驗方式并不能排查出所有斷格蓄電池，且放出50%容量也不能真正核算出蓄電池容量[3]。此外，目前放電截止電壓根據滿容量蓄電池組放電特性確定，對于甲變電站蓄電池性能較差的情況，顯然放電深度不夠。

表1 甲變電站不合格蓄電池放電試驗數據表

3 事故后蓄電池解體測試分析

事故發生后，對甲變電站故障斷格蓄電池進行解體，發現斷格電池負極存在腐蝕斷裂現象，耳板和匯流排焊縫腐蝕斷裂，匯流排與接線端子連接焊縫存在燒熔現象。顯微鏡觀察斷裂的耳板，發現斷口上覆蓋致密硫酸鉛層，斷口具有腐蝕斷裂特征，匯流排上覆蓋硫酸鉛，斷口上有腐蝕減薄和燒熔現象。因此，可推斷故障電池內部發生了過電流短路現象。內部過電流能量在負極匯流排上以大量熱的形式釋放，超過負極匯流排材料承受范圍，將負極匯流排燒熔而留下殘渣。

測得斷格蓄電池正極板厚度為3.5 mm。根據《DL/T 637—1997 閥控式密封鉛酸蓄電池訂貨技術條件》4.2.4條文“蓄電池正極板厚度不得低于3.5 mm”可知，故障電池正極板厚度僅為行業標準下限。此外，測得它的內阻較大，超出內阻測試儀量程（3.1 Ω）。

4 蓄電池斷格相關因素分析

4.1 蓄電池電壓

運維人員每月對甲變電站蓄電池端電壓進行測試，在事故發生前2個月兩只斷格蓄電池端電壓分別為2.3 V和2.29 V，普遍偏高。運行期間，對于蓄電池電壓告警應予以高度重視。

4.2 蓄電池內阻

甲變電站事故發生后對其開展了蓄電池內阻研究分析，以探索內阻與容量之間的對應關系。

對乙、丙兩變電站近兩年蓄電池內阻變化率和放電試驗結果進行對比分析。測試結果顯示，所有容量不合格電池均有一顯著特征，即內阻變化率較大。采用聚類法對蓄電池內阻變化率和容量關系進行繪圖，結果如圖3所示。可以發現，不滿足容量要求的電池單體內阻變化率都大于30%。

分析可知，電池內阻變化率可作為判斷蓄電池容量的重要參數。當電池內阻變化率大于30%時，蓄電池容量不合格，應對蓄電池進行核對性放電檢查。

4.3 正極板厚度

甲變電站蓄電池組正極板厚度為行業標準下限，而正極板的腐蝕是常見的失效模式之一[4]。按照圣陽蓄電池廠家培訓手冊，正極板厚度決定電池壽命。正極板柵厚度為3.4 mm時，預計浮充壽命為6年；正極板柵厚度為4.5 mm時，預計浮充壽命為12年。

圖3 電池內阻變化率聚類圖

4.4 核對性放電試驗

首先，對蓄電池進行50%放電并不能據此判斷蓄電池容量是否合格，只能對蓄電池起到活化作用[3]。其次，對蓄電池進行50%放電并不能排查出所有故障電池。最后，甲變蓄電池放電50%出現3只蓄電池不合格現象，應引起足夠重視。建議采用備用蓄電池組代用后做全核對性放電試驗，根據試驗情況進一步決定更換單只或整組。

4.5 斷格與VRLA蓄電池關系

甲變電站VRLA蓄電池組在受到較大合閘沖擊電流后發生異常并進而發生斷格，雖未見斷格與VRLA蓄電池相關性的公開報道，但從近些年VRLA蓄電池運行情況來看，發生斷格現象較多。VRLA蓄電池斷格與其結構更易發熱有關[5]。

5 運維過程中判斷蓄電池斷格的實例

某供電公司蓄電池運維工作開展到位，蓄電池壽命均能保證8年以上壽命。該公司重視直流電源系統運檢管理工作，特別是針對斷格蓄電池采取了一系列排查措施，保障了電網安全穩定運行。

5.1 排查方法

5.1.1 核對性充放電試驗

用0.1 C電流進行蓄電池核對性充放電試驗，測量蓄電池電壓，對電壓降為0的蓄電池判斷為斷格。但是，對于內部匯流排腐蝕嚴重和似接非接的蓄電池，采用0.1 C電流放電很難判斷斷格，因其端電壓會在短時間內波動后維持穩定。此時，可采用0.2 C放電電流進行沖擊性試驗，分組測量蓄電池電壓，逐漸縮小故障范圍排查故障電池。也可開閥檢查，觀察蓄電池匯流排是否存在腐蝕現象，從而及時發現存在開路隱患的蓄電池。

5.1.2 蓄電池端電壓測量

蓄電池端電壓是判斷蓄電池好壞的重要因素。巡檢發現蓄電池電壓遠低于正常值，要用萬用表進行測量核實。確實電池電壓低時，進行蓄電池組核對性充放電試驗或用活化儀對單只蓄電池放電。均充過程中發現蓄電池電壓偏高時，需進行開閥或放電，以及時發現存在斷格隱患的蓄電池。

5.1.3 蓄電池內阻測試

通過測量蓄電池內阻，將蓄電池歷年內阻值進行對比，對可能存在斷格問題的蓄電池進行開閥檢查，及時發現存在斷格隱患的蓄電池。

5.1.4 測 溫

開閥檢查溫度過高的蓄電池，消除斷格隱患。

5.2 排查實例

110 kV丁變電站蓄電池為2 V/200 Ah，2012年8月投運。對該站開展蓄電池充放電試驗工作發現，蓄電池電壓瞬間消失。采用分組測量和逐漸縮小排查范圍的方法查找，發現2只蓄電池電壓為0 V。更換故障蓄電池后，再次進行蓄電池充放電工作，發現蓄電池端電壓波動異常，認為仍存在異常蓄電池。由于20 A（0.1 C）電流放電已無法排查出故障蓄電池，采用35 A大電流進行放電，發現一只蓄電池電壓為0 V。再次更換后進行放電工作，蓄電池端電壓仍存在異常波動。再次升高放電電流，采用40 A（0.2 C）大電流進行放電，排查出一只異常蓄電池，更換后，隱患消除。

6 結 論

蓄電池組在交流電源失去后，其性能影響變電站的安全穩定運行。近年來入網蓄電池產品質量下降，對于仍然配置電磁操動機構開關的老舊變電站，蓄電池組運行時間較短易發生斷格情況。本文通過對發生斷格的蓄電池組核對性放電試驗和解體測試等進行分析，剖析斷格相關因素，提出了供電公司檢查斷格的運維經驗。實踐證明，通過內阻變化率和適度提高核對性放電試驗等措施，能提前排查出斷格蓄電池，確保蓄電池組以良好的狀態運行。