一種變電站蓄電池組開路續流裝置的研制

羅 璐 羅海云

（昆明鐵道職業技術學院電氣工程學院）

0 引言

智能閥控式鉛酸蓄電池因其安全穩定、占地小、免加液等優點被變電站廣泛的作為應急備用電源應用于直流系統中。但對蓄電池組運行情況統計研究表明，由于設備自身的質量問題和運維不及時、不全面，大部分國產蓄電池在運行5-7 年就會出現缺陷，存在開路風險［1］。

隨著我國電網系統的快速發展完善，變電站數量以及相應的蓄電池組配置的快速增長，由于變電站基本都實現無人值守，直流系統為變電站內的一次設備、繼電保護、信號傳送、自動安全保護裝置提供電源，所以直流電源應具有高度的可靠性和穩定性，因此如何及時維護蓄電池組已成為電力系統的棘手問題。

直流電源系統內各設備根據運行維護規范，需要定期維護，而隨著變電站數量的增加和人員的調整，近年來變電站直流電源系統維護的工作壓力逐年增大，改變現有維護模式，改變直流蓄電池組缺陷處理方式，提高運維效率成為近年來探索的焦點。

1 現狀分析

變電站內蓄電池電源是確保設備正常運行的最后直流電源，一套完整的蓄電池使用壽命，會受到環境、溫度、浮充電壓等因素的影響，蓄電池長期通過充電機掛在直流系統上運行，其中單只蓄電池容易出現內阻過大、端電壓降低或內阻過大等異常，也可能所在運行環境的影響，使電池受外力破壞、外殼破裂等，這就要求把故障的單只電池從系統中脫離出來進行更換。如果有備用電池組，則系統可以并列運行的，直接將故障電池組退出進行更換；若沒有備用蓄電池組的情況下，更換故障蓄電池的工作就顯的較為困難，對直流系統也較為危險。目前通常的做法是：一、待停電檢修時更換；二、采用外接備用蓄電池組并列后，再更換故障電池；三、采用傳統二級管進行跨接［2］。

變電站直流電源系統的蓄電池組是由多個額定電壓為2V左右的電池串聯運行的，當其中任意某節電池發生開路及故障時，輕則影響整組電池的使用壽命，重則使整組蓄電池組斷開，不能給變電站控制設備提供直流電源，從而導致設備失電，控制回路失控，電力系統中發生過多次直流系統停電引起的事故，嚴重威脅電力系統的安全穩定運行。

目前，對變電站蓄電池組的運行維護主要通過試驗儀器測量蓄電池的端電壓、內阻、溫度等參數進行分析判斷電池能否正常運行，常規的定期對蓄電池組的維護檢查非常耗時耗力，對于檢查周期內發生的電池開路及故障不能及時的發現，特別是單個蓄電池開路時，蓄電池組無法繼續為負載提供工作電流的問題，導致直流系統停電，大大降低了變電站運行的穩定性和可靠性。

目前變電站蓄電池組做為直流電源后備系統，一旦發生某一個單體電池開路故障將造成整體蓄電池組失壓，會導致保護拒動風險。并且日常運行過程中易因為單節電池電壓虧損影響整組蓄電池，甚至拖垮該組蓄電池導致直流系統崩潰［3］。

本文主要研發一種蓄電池開路續流裝置，當變電站蓄電池組在一個和數個蓄電池在運行中發生開路故障時，能夠確保蓄電池組進行可靠供電。在蓄電池組正常工作時，續流裝置不產生作用，一旦發生開路故障，不會產生時間延遲，即自行導通。改善蓄電池可能出現的硫化現象，使蓄電池恢復到正常浮充電狀態。

2 本文提出的方法

目前國內更換失效電池的辦法一般采用斷開蓄電池的直流電源空氣開關或切換把手，然后把備用電池組并到充電機上，再退出待更換或維修的蓄電池，這樣的操作一方面大大降低了更換速度，其次嚴重影響直流系統運行的安全性。綜上原因，則需要研究一種不需蓄電池組停電可直接更換故障蓄電池的跨接裝置，原理如圖1所示。

圖1 蓄電池組開路續流裝置內部原理圖

蓄電池的開路自動續流技術在變電站直流系統維護中的應用：當蓄電池組開路續流裝置在出現開路故障時，可通過能量轉移將容量較高的蓄電池電量轉移到故障蓄電池上或建立虛擬蓄電池替代開路蓄電池。在沒有開路電池故障時可以通過均衡方式提高蓄電池組的容量一致性，延長蓄電池組的放電時間；在蓄電池出現開路保障時，能夠保障直流電源繼續工作，提高直流系統的可靠性，進而提高變電站的安全可靠性。

3 開路續流裝置技術特征

在變電站蓄電池維護中，很難發現單一蓄電池開路故障，一旦直流系統出現問題，則采用斷開直流電源，逐一排查找到損壞的蓄電池，再進行備用蓄電池并接替換，每一步都面臨可能的直流電源故障帶來的風險，而且在工作過程中為保證安全，更換工作在技術和管理上都較為復雜，而本文的變電站蓄電池組開路續流裝置為簡單的電池更換提供了技術支持。

1）安裝了開路續流裝置的電池組不需要退出運行中的故障蓄電池組，通過檢測可無延時自動跨接開路單體蓄電池，保障電池組不間斷正常工作。

2）安全可靠，小巧輕便，攜帶靈活，可以實現單人電池更換作業。

3）實現大電流、大余量跨接電流設計，滿足持續工作100A、峰值工作300A電流時的正常工作。

4）最大故障電池電壓Vn：1.5V≤Vn≤15V，滿足多種不同額定電壓蓄電池的實用。

5）跨接裝置內部的電壓降＜0.7V，基本不會對蓄電池組電壓產生影響。

6）跨接裝置設計動作報警指示燈，可快速定位開路電池位置以便檢修更換。

7）外殼采用防腐阻燃ABS材料，防爆阻燃無明火，可靠性高，免維護。

表1 蓄電池組開路續流裝置技術參數表

4 現場測試驗證

測試按照技術參數列表進行條件限定，參照下圖2所示的接線原理進行接線，嚴禁跨接裝置輸出線與蓄電池的正負電源接反。

圖2 蓄電池組開路續流裝置跨接示意圖

分以下幾種情況進行測試：

1.在蓄電池室內，給每只蓄電池跨接一個開路續流裝置，正常運行的情況下有監測作用，不影響直流系統供電。

2.將一只開路故障的蓄電池串到蓄電池組中，將蓄電池組開路續流裝置跨接在該故障蓄電池的兩端，蓄電池組能正常工作，拆除續流裝置，蓄電池停止工作，無電源向外輸出，驗證了該裝置能自動檢測開路故障蓄電池，并實現電流跨接，確保電池組能夠對外持續供電，大幅度的提升了直流電源系統的安全可靠性。

3.在有蓄電池組開路續流裝置跨接于開路故障蓄電池兩端的情況下，不斷開直流系統開關，根據續流裝置跨接動作指示燈找到故障蓄電池并在線跟換，過程中直流系統供電正常，蓄電池組可不間斷正常工作。

表2 蓄電池組開路續流裝置測試結果表

5 成果應用優勢

該研究成果應用于變電站直流電源的維護，其對目前蓄電池組的維護現狀和技術發展具有以下作用：

（1）在蓄電池兩端跨接變電站蓄電池組開路續流裝置，根據指示燈可以很容易找出開路故障的蓄電池組故障單體電池，不需要退出運行中的蓄電池組，可以在線更換單一劣化蓄電池，模塊會自動檢測到失效電池，并實現超低功耗的大電流跨接，確保電池組能夠對外持續供電，大幅提升直流電源系統的安全可靠性。

（2）相比以往此類裝置設計，本裝置體積更小巧靈活，最佳體積性能比及美感設計，在電池極柱就近直接安裝，方便快捷，無需單獨布線。

（3）本裝置結構簡單，制造成本低，外殼采用防腐阻燃絕緣材料，防爆阻燃無明火，可靠性高免維護。

（4）本裝置元件少，無軟件邏輯判定，裝置動作反應快，可實現無延時跨接續流。本裝置能在個別蓄電池容量虧損（或電池開路）的情況時，在蓄電池兩端增加大功率二極管回路，能夠將容量較高的蓄電池的容量通過電量轉移的技術轉移到容量較差的蓄電池上（或建立虛擬蓄電池替代開路蓄電池），從而提高蓄電池組的容量一致性，延長蓄電池組的放電時間，保障直流電源的有效供給，提高直流系統的可靠性，進而提高變電站的安全可靠性，可廣泛運用于變電站直流系統。

6 結束語

本論文基于傳統直流系統維護技術的研究，針對蓄電池組開路故障研發出一種可以自動跨接、保障直流電源有效供給的裝置，能夠確保蓄電池組進行可靠供電，該裝置要求結構簡單，安裝實施便捷，可靠性高，預期應用和推廣成果較優。