站用VRLA電池組狀態判別及性能校驗技術研究

杜旭浩，李秉宇，苗俊杰，王浩彬，馬建輝

(1.國網河北省電力有限公司電力科學研究院，河北石家莊 050021；2.國網河北省電力有限公司，河北石家莊 050021；3.河北創科電子科技有限公司，河北邯鄲 056107)

閥控式鉛酸(VRLA)電池以其相對成熟的制造工藝和較低的生產成本成為變電站直流電源系統后備電源的首選[1-3]。近期，由于VRLA 電池本身質量缺陷、運行工況不良以及電池回路出口保護電器故障等原因導致的電池回路開路故障時有發生，嚴重影響變電站安全可靠運行[4-5]。能否有效判別浮充狀態下電池組性能，并保證站用直流電源系統交流失電的情況下，電池組能夠可靠供電，成為人們關注的焦點。文獻[6]采用浮充電流法判斷蓄電池運行狀態，具有一定參考價值，但該方法受測量精度影響，且不能檢驗電池組的實時帶載能力；文獻

[7]基于負荷電流放電法對蓄電池容量及運行狀況進行評估，但需要對充電機進行控制并改變充電參數，實用性受到影響；文獻[8-9]分別提出了基于內阻監測的蓄電池故障預警方法和狀態檢修方法，一定程度上提高了電池組的運行可靠性，但是基于電池內阻單一參量的監測，并不能反映電池組回路的整體狀況，且缺乏對電池組性能的有效核驗。

本文分析了VRLA 電池組回路結構，提出了VRLA 電池組回路在線綜合監測方案；研發了電池回路狀態在線判別裝置，實現了電池回路狀態的實時監測和回路故障的可靠告警；開發了VRLA 電池組性能在線校驗裝置，在不改變電池回路結構及充電裝置參數的情況下，基于二極管單相導電降壓電路和電阻智能投切技術，實現了VRLA 電池組帶載性能在線檢測和負荷沖擊性能校驗，并在河北南網某110 kV 變電站進行了試點應用。

1 電池回路結構與監測方案

1.1 電池回路結構

變電站通常采用220 V 直流電源系統，VRLA 電池組作為后備電源，長期處于浮充電狀態[10]，其回路結構如圖1 所示。VRLA 電池組本體由104 節2 V 的單體VRLA 電池串聯組成，每節單體電池之間采用銅質連接條連接，并通過正負極出線電纜經出口保護電器引至直流母線。連接條推薦采用軟質銅線，避免硬質連接條因應力過大損傷電池極柱。出口保護電器目前主要采用熔斷器加隔離刀閘的方式，熔斷器用于回路過流保護，隔離刀閘用于回路檢修時形成明顯的斷開點。在交流失電、故障跳閘或大負荷沖擊等情況下，VRLA電池組應能可靠輸出至直流母線，因此電池回路結構應簡單可靠，避免串接不必要的電子器件，降低電池回路開路或限流風險。

圖1 VRLA電池組回路結構圖

1.2 回路綜合監測方案

由圖1 可知，VRLA 電池組能否可靠輸出，除了電池組本體的性能狀態外，還涉及出口熔斷器、隔離刀閘、出線電纜、連接條等整個電池回路的運行狀態。因此，對蓄電池的狀態監測方案應涵蓋整個電池回路，并結合多種監測量綜合判斷，避免VRLA 電池組脫離直流母線故障發生，主要的監測參量和告警推薦閾值如表1 所示。

表1 VRLA 電池組回路監測主要參數

2 電池回路狀態在線判別技術

為有效檢測電池回路運行狀態，提出了一種綜合多監測參量的電池回路狀態在線判別方法。第一步是浮充電流監測，高精度采集浮充狀態下的回路電流，通過監測分析浮充電流的異常變化，判斷電池回路是否存在開路或異常接地。當浮充電流為零時，應排查電池回路是否開路，當浮充狀態下回路電流異常增大時，應排查回路是否有接地故障。第二步是出口熔斷器狀態監測，傳統方法依靠出口熔斷器輔助觸點來實現熔斷器故障報警，但輔助觸點經常由于氧化接觸不良或卡死無法動作等原因，導致無法可靠報警。為此采用出口保護電器兩側電壓差對比來判斷熔斷器狀態。正常情況下，熔斷器狀態良好，其電池側電壓與母線側電壓基本一致，電壓差為零。而熔斷器一旦異常熔斷時，熔斷器電池側電壓為電池組開路電壓，熔斷器母線側電壓為充電裝置浮充電壓，因此熔斷器母線側電壓將高于熔斷器電池側電壓，兩者之間形成電壓差。第三步是電池組帶載測試，通過定期自動通訊調低充電裝置輸出電壓，使電池組短時承擔負荷電流，根據電池單體電壓、內阻等變化趨勢，有效監測電池組的實際帶載能力，及時發現電池內部極柱或匯流排斷裂、電池虛接開路等隱性致命缺陷。

開發的電池回路狀態在線判別裝置硬件結構如圖2 所示，通過高精度分流器采集電池組出口浮充電流，分流器測量誤差不大于5 mA，電壓監測單元分別采集正負極出口熔斷器兩側的電壓，并實時監測隔離刀閘的狀態，一旦監測到異常狀況，告警燈亮，并傳至本地監控終端。此外，裝置預留有與充電裝置的通訊接口。

圖2 電池回路狀態在線判別裝置示意圖

3 VRLA 電池組在線校驗技術

3.1 技術原理與裝置開發

帶載測試是檢驗VRLA 電池組性能的重要手段，傳統方法需要與充電裝置通訊來調低充電裝置的輸出電壓，其受限于充電裝置通訊協議是否一致并是否留有通訊接口。在電池回路狀態在線判別技術研究的基礎上，進一步提出了VRLA 電池組在線校驗技術方案，保證充電裝置和VRLA 電池組均不脫離直流母線的前提下，且無需改變電池回路結構、充電裝置參數及通信設置，智能完成對VRLA 電池組性能的在線校驗。具體的技術方案為：在保證充電裝置不退出運行的前提下，利用二極管硅鏈的單向導通和自動降壓特性，對充電裝置直流輸出電壓進行適當降低，從而使VRLA電池組承擔站用直流常規負荷，通過判斷母線電壓的下降速率，來有效驗證VRLA 電池組的正常帶載能力；通過電阻智能投切技術，定量投入模擬負載，模擬變電站多個斷路器同時保護跳閘或合閘動作電流，并動態檢測母線電壓波動和壓降，從而驗證VRLA 電池組的耐負荷沖擊性能；定時啟動VRLA 電池組帶載和沖擊性能測試，可一定程度上抑制電池的硫酸鹽化，并通過檢測分析歷次電池回路電阻變化，根據其變化趨勢進行提前預警和異常告警。

開發了VRLA 電池組在線校驗裝置，裝置由二極管硅鏈D、電壓傳感器TV1 和TV2、電流傳感器TA、直流接觸器K1、模擬負載電阻R、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)模塊M、控制處理器(CPU)及接線端子M1+、M2+、M1－組成，結構原理如圖3 所示。測試前，直流接觸器K1 主觸點處于閉合狀態，二極管硅鏈D 被短接，通過電壓傳感器TV2 先檢查充電裝置及直流母線電壓，判斷直流系統的運行狀況是否正常，確認正常后，方可進行測試。CPU 驅動直流接觸器K1 線圈，使K1 主觸點斷開，二極管硅鏈D 投入運行，降低充電裝置輸出至母線電壓，VRLA 電池組帶直流常規負荷，考察電池組帶載性能。之后，CPU 驅動IGBT 模塊M 自動投入模擬負載電阻R，增大VRLA 電池組的放電電流，考察VRLA 電池組的耐負荷沖擊性能。測試過程中，通過電壓傳感器TV1、TV2，實時在線監視充電裝置的輸出直流電壓和直流母線電壓，一旦充電裝置或電池組出現異常狀況，立即結束放電，恢復至正常運行狀態。測試結束，CPU 驅動IGBT 模塊M 斷開模擬負載電阻R，控制直流接觸器K1 主觸點閉合，短接二極管硅鏈D，充電裝置自動向負荷及電池組供電，系統恢復正常運行。

圖3 VRLA電池組在線校驗裝置結構原理圖

3.2 測試標準與結果判定

VRLA 電池組在線校驗裝置的測試標準及判定流程如圖4 所示。

圖4 VRLA電池組在線校驗裝置測試流程圖

3.2.1 測試前檢測

首先進行數據采集，分別采集直流母線與充電裝置輸出電壓差Uy、直流母線電壓Um、充電裝置輸出電流Id。當Uy、Um和Id均滿足以下條件后，方可啟動測試。

站用220 V 的直流電源系統中，VRLA 電池組浮充狀態下充電裝置輸出電壓在235 V 左右，而DL/T637-2019 標準中規定沖擊放電時蓄電池組端電壓不應低于202 V，因此測試過程中，一旦出現Uy大于33 V 的情況，自動默認VRLA 電池組失效。裝置二極管硅鏈D 設定壓降為35 V，一方面保證VRLA 電池組帶載測試的正常開展，同時保證在VRLA 電池組失效的極端情況下，直流母線電壓不低于200 V。同時裝置具備VRLA 電池組失效快速恢復功能，檢測到Uy大于33 V后能夠快速恢復充電裝置正常供電狀態。

檢測直流母線電壓Um是否滿足測試啟動條件，裝置設定可啟動測試的Um電壓范圍為正常母線浮充電壓上下浮動5 V。正常母線浮充電壓為235 V 時，低于230 V 可判定為充電裝置故障或交流失電，VRLA 電池組在對負荷供電，不應啟動測試；高于240 V 可判定為VRLA 電池組處于均充狀態，容量不足，不應啟動測試。

檢測充電裝置輸出電流Id是否滿足測試啟動條件，裝置設定可啟動測試的Id不應大于禁測電流，禁測電流設置值為母線負荷正常投入運行并且VRLA 電池組處于浮充狀態時的電流值。

3.2.2 啟動測試

滿足測試條件后，裝置立即斷開直流接觸器K1，投入降壓硅鏈。若電池回路存在開路故障，直流母線電壓將急速跌落至200 V，負荷電流通過裝置內部的二極管硅鏈供電，中斷保護啟動，快速閉合K1 中斷測試，并告警。若電池回路正常狀態，負荷從充電裝置輸出轉移到直接由VRLA 電池組輸出，此時直流母線電壓Um將平緩下降，Um等同于VRLA 電池組電壓，其隨時間的下降速率可以很好地表征VRLA 電池組性能優劣，典型的直流母線電壓下降曲線如圖5 所示。

圖5 直流母線電壓下降曲線圖

參照圖5，性能劣化電池1 s 壓降，裝置設定1 s 壓降設置值為10 V，檢測1 s 后Uy值，若Uy＜10 V，繼續下一步測試，否則立即告警，閉合K1，測試完成；性能劣化電池6 s 壓降，裝置設定6 s 壓降設置值為15 V，檢測6 s 后Uy值，若Uy＜15 V，繼續下一步測試，否則立即告警，閉合K1，測試完成；性能劣化電池30 s 壓降，裝置設定30 s 壓降設置值為20 V，檢測30 s 后Uy值，若Uy＜20 V，繼續下一步測試，否則立即告警，閉合K1，結束測試。

之后90 s 內監測直流母線電壓Um變化率，并等待VRLA電池組進入穩定階段，當Um變化率＞100 mV/s 時則繼續等待，如果等待時間超過90 s 或監測過程中Um變化率＜100 mV/s，則可繼續進行下一步電池回路電阻測試。

3.2.3 回路電阻測試

通過直流放電法對VRLA 電池回路進行電阻測試，若實際站用負載電流小于10 A，則通過投切負荷電阻加大負荷電流至10 A，若實際站用負載電流大于10 A，則以實際負荷電流進行測試。測試過程中檢測充電裝置狀態，一旦充電裝置自動轉為均充狀態，其輸出電壓經降壓硅鏈后將有10 V 左右的電壓抬升，并對放電負荷供電，此時不能有效考察電池回路電阻，應直接中斷保護并恢復正常運行，等待充電裝置浮充狀態時再進行電阻測試。

回路電阻測試結束后，對檢測結果進行判斷，若測試結果在電阻設定范圍內則繼續下一步沖擊負荷測試，否則立即告警，閉合K1，結束測試，并逐步檢查電池螺絲、連接線、電纜接頭、電池保險、電池開關等環節是否出現銹蝕、接觸不良、虛接等異常情況。回路電阻設定范圍應參照安裝后初次實測值和估算值進行設定，首先根據電池和電纜情況進行回路電阻估算，初次實測值應與估算值接近，否則檢查回路連接是否異常，無問題后按首次實測值上浮10%為回路電阻最大設定范圍，一般不超過1 Ω。

3.2.4 沖擊放電測試

回路電阻測試正常后，進行4 個循環沖擊放電測試，每個循環為30 s，施加0.5 s 6 倍I10的沖擊負荷電流，然后等待29.5 s，重復下一循環。施加0.5 s 沖擊負荷電流是考察VRLA 電池組在承擔變電站正常負荷的情況下能否承擔如斷路器跳閘等沖擊負荷的要求。在4 個循環沖擊過程中始終檢查直流母線電壓Um是否符合條件，任一循環中若Um小于202 V 則立即停止測試，并告警，閉合K1，結束測試。

3.2.5 測試結束

沖擊放電測試結束后，整個測試完成，閉合K1，使系統完全恢復到正常運行狀態。通過設置自動啟動時間來實現定期自動啟動，一般建議設置為7 天左右，也可人工啟動測試。裝置定時啟動時會自動等待測試條件允許后進行測試，避免此次周期測試失效。以上測試步驟，任一步驟出現告警及測試中斷，均判斷為VRLA電池回路異常，檢修人員應盡快處理。

4 試點應用

選取河北電網某110 kV 變電站進行了試點應用，該站直流電源系統采用單直流母線分段供電方式，兩段直流母線各帶一組充電裝置和一組VRLA 電池。兩組VRLA 電池為同一廠家同一批次產品，每組容量為200 Ah，均于2019 年6 月投產運行。2019 年7 月，將開發的電池回路狀態在線判別裝置和VRLA 電池組在線校驗裝置應用于1 號VRLA 電池組回路，2 號VRLA 電池組回路未安裝，如圖6 所示。

圖6 裝置現場實際安裝圖

為驗證成果有效性，進行了極端狀況下的VRLA 電池組失效故障模擬，斷開1 號VRLA 電池組出口保護電器，電池回路狀態在線判別裝置監測到回路異常，及時發出了蓄電池組失效告警，本地監控告警界面如圖7 所示。此時，按下VRLA電池組在線校驗裝置人工測試按鈕，裝置中斷保護正確啟動，并在90 ms 內快速恢復了充電裝置正常供電，能夠保障直流母線供電連續性和穩定性不受裝置測試影響，直流母線電壓實時波形如圖8 所示。

圖7 蓄電池組失效告警圖

圖8 直流母線電壓實時波形圖

VRLA 電池組在線校驗裝置設定為7 天自動檢測一次，并保存歷次的電池回路測試數據，裝置自運行以來，狀況良好。2019 年9 月，裝置安裝前對兩組VRLA 電池進行內阻測試，1號VRLA 電池組內阻最大偏差為12.45%，2 號VRLA 電池組內阻最大偏差為11.48%，兩組VRLA 電池的內阻一致性相差不大，如圖9(a)所示。試點運行一年后，2020 年7 月，采用同一內阻測試儀對兩組VRLA 電池再次進行內阻測試，1 號VRLA 電池組內阻最大偏差為13.85%，2號VRLA 電池組內阻最大偏差為19.46%，如圖9(b)所示，1 號VRLA 電池組內阻一致性明顯好于2號VRLA 電池組，周期性的帶載和沖擊試驗一定程度上為1號VRLA電池組起到了活化除硫的作用。

圖9 VRLA電池組內阻值

5 結論

為了提高站用直流電源系統VRLA 電池回路供電可靠性，本文提出了VRLA 電池組回路在線綜合監測方案，基于綜合多參量監測、二極管單相導電降壓和電阻智能投切技術，研發了電池回路狀態在線判別裝置和VRLA 電池組在線校驗裝置，實現了VRLA 電池回路的在線監測預警和VRLA電池組的性能校驗。通過試點變電站的應用，驗證了裝置的有效性。試點經驗表明：電池回路實時監測和定期帶載測試有助于及時發現電池組脫離母線；定期進行適度放電沖擊一定程度上可以減緩VRLA 電池硫酸鹽化。