楊橋偉，徐賽梅，袁愿

(1.云南電網(wǎng)公司楚雄供電局，云南 楚雄 675000;2.廈門紅相電力設(shè)備股份有限公司，福建 廈門 361001)

1 前言

蓄電池是電力系統(tǒng)的后備電源，使用數(shù)量較多，但由于使用方法不當(dāng)或未進(jìn)行及時(shí)、有效的維護(hù)，將會(huì)導(dǎo)致蓄電池組中的個(gè)別蓄電池過放電導(dǎo)致提前失效。當(dāng)這些提前失效的蓄電池在后備電源帶負(fù)荷投運(yùn)時(shí)，將會(huì)嚴(yán)重影響到整個(gè)電池組的工作效率以及放電容量，甚至可能導(dǎo)致整個(gè)電力系統(tǒng)的崩潰。因此，為了保證在電力系統(tǒng)出現(xiàn)意外狀況時(shí)，用電設(shè)備依然能夠有序、安全、可靠地運(yùn)行，避免因個(gè)別蓄電池的失效或過放電而帶來的經(jīng)濟(jì)損失與社會(huì)影響，對蓄電池進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)控以及故障診斷成為保障直流系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要內(nèi)容［1］。

2 蓄電池在線監(jiān)測技術(shù)

目前，全國范圍內(nèi)的變電站所使用的蓄電池型號和容量都不盡相同，但大部分為閥控式鉛酸蓄電池。一般情況下，供電企業(yè)110 kV和35 kV變電站的蓄電池均在300 Ah以下，配置1組，其中大部分單體蓄電池電壓為2 V或12 V，安裝在蓄電池屏內(nèi)，要實(shí)現(xiàn)定期的核對充放電試驗(yàn)較難完成。220 kV和500 kV變電站的蓄電池一般為2組，單體蓄電池電壓為2 V，安裝在蓄電池室內(nèi)。同樣難以有效的對每節(jié)蓄電池實(shí)施性能檢查。

目前，各變電站基本上都缺乏有效的在線監(jiān)測手段，即使有些變電站已安裝監(jiān)控系統(tǒng)，其功能也都較為簡單，起不到應(yīng)有的監(jiān)控作用。從各變電站的使用情況看，多數(shù)閥控式鉛酸蓄電池沒有進(jìn)行必要的維護(hù)。由于對這些所謂的“免維護(hù)”電池在認(rèn)識方面的一些誤解，運(yùn)行人員對閥控式鉛酸蓄電池性能的好壞以及蓄電池的容量大小等數(shù)據(jù)無法掌控，日常維護(hù)工作中存在的問題對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成了潛在的巨大威脅。

目前，對電力系統(tǒng)中的蓄電池常用的檢測方法分為單體電池的電壓測量和定期的核對性放電試驗(yàn)兩種，但正常工作時(shí)的電池端電壓并不能準(zhǔn)確地反應(yīng)電池的真實(shí)性能狀況，即使性能不好的電池在浮充狀態(tài)下的電壓也可能是完全合格的，一旦交流電源退出運(yùn)行，蓄電池就可能無法滿足在事故狀態(tài)下的要求，導(dǎo)致事故范圍擴(kuò)大。由于蓄電池容量和電池內(nèi)阻有很大的相關(guān)性，通常情況下，蓄電池的容量越大，內(nèi)阻便越小，故可通過測量蓄電池內(nèi)阻來對電池容量進(jìn)行評估。

目前，先進(jìn)的蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)主要通過實(shí)時(shí)測量變電站中蓄電池組的單體電池的溫度、電壓、內(nèi)阻以及充放電電流，實(shí)時(shí)監(jiān)測蓄電池組運(yùn)行的參數(shù)，并通過通信網(wǎng)絡(luò)將這些信息全部上傳至監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)對蓄電池信息的實(shí)時(shí)采集、預(yù)警和管理，及時(shí)、有效的對蓄電池組的故障進(jìn)行診斷及處理。

3 蓄電池在線監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀

目前，閥控式鉛酸蓄電池的監(jiān)測問題逐漸受到關(guān)注，特別是在電力系統(tǒng)、移動(dòng)通信系統(tǒng)中對蓄電池的在線監(jiān)測技術(shù)有了更高的要求，以便使系統(tǒng)的安全性、可靠性得到保障。

為提高系統(tǒng)的可靠性，蓄電池在線監(jiān)測應(yīng)從三個(gè)方面來考慮:首先，在線監(jiān)測可以使蓄電池的正常運(yùn)行得到保證，如對蓄電池的欠充與過充狀態(tài)能夠給出警告或提示;其次，可以發(fā)現(xiàn)即將失效的蓄電池，如蓄電池短路、容量下降等問題，及時(shí)提供預(yù)警信息;第三，利用在線監(jiān)測功能對蓄電池進(jìn)行就地維護(hù)，如對異常蓄電池進(jìn)行定期核對性放電、活化處理等措施，檢修人員不用攜帶多種工具就能解決相關(guān)問題，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

蓄電池的網(wǎng)絡(luò)化管理就是將幾個(gè)區(qū)域的蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)通過光纖通信介質(zhì)組網(wǎng)，建立起遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，如圖1，對蓄電池各項(xiàng)信息進(jìn)行智能監(jiān)控，使檢修、運(yùn)行人員和決策管理層都能通過局域網(wǎng)上的終端瀏覽器實(shí)現(xiàn)對蓄電池的運(yùn)行狀況及變化趨勢實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，在面臨事故時(shí)及時(shí)維護(hù)處理。同時(shí)，也為直流系統(tǒng)的狀態(tài)檢修提供參考依據(jù)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)化管理，保障系統(tǒng)的可靠性、安全性［1］［2］。

圖1 蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化管理

4 蓄電池監(jiān)測技術(shù)的方法

由上述介紹可知，蓄電池的電壓值并不能直觀地反映出其實(shí)際性能，目前較為先進(jìn)的蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)大多數(shù)以蓄電池內(nèi)阻值作為蓄電池性能的主要判斷參數(shù)，該技術(shù)的主要理論依據(jù)是:隨著電池性能的不斷劣化，電池的自身內(nèi)阻值將出現(xiàn)變化很大的拐點(diǎn);同時(shí)，其充放電曲線的電壓、電流、容量等參數(shù)的差值也將逐步變大。

目前，蓄電池在線監(jiān)測技術(shù)主要基于核對性放電、直流內(nèi)阻測試、交流內(nèi)阻測試及其他方法。

4.1 直流內(nèi)阻測試法

直流內(nèi)阻測試法是指短時(shí)間內(nèi)對蓄電池進(jìn)行大電流放電，測量放電過程中蓄電池兩端的電壓跌落和恢復(fù)，計(jì)算出蓄電池的內(nèi)阻值。該方法的優(yōu)點(diǎn)為抗干擾能力強(qiáng)、放電電流大，如圖2為直流內(nèi)阻測試法原理框圖［3］。同時(shí)，該方法也存在一定的缺陷，主要表現(xiàn)為:

1)大電流放電會(huì)在一定程度上損傷蓄電池。由于放電電流較大，為40～70 A之間，往往比蓄電池的標(biāo)稱放電電流要大很多，多次頻繁測試有可能降低蓄電池的運(yùn)行特性。

2)使供電系統(tǒng)的安全性受到影響。首先，內(nèi)阻測試時(shí)蓄電池組內(nèi)各節(jié)蓄電池按照一定順序分別進(jìn)行瞬時(shí)放電，如果測試設(shè)備出現(xiàn)問題，就會(huì)使影響整組蓄電池的性能。如果測試過程中一旦出現(xiàn)停電事件，就會(huì)影響到備用電源的保護(hù)與投切。此外，過大的放電電流也可能干擾繼電保護(hù)裝置，使其產(chǎn)生誤動(dòng)作。

3)測量蓄電池內(nèi)阻時(shí)采用的直流放電法會(huì)在電池內(nèi)部發(fā)生極化現(xiàn)象，產(chǎn)生極化內(nèi)阻，使內(nèi)阻的測量值誤差變得較大。

4)可能使內(nèi)阻測量的重復(fù)性變差。從本質(zhì)上來看，蓄電池可以看作是一個(gè)大電容，在測量回路中也存在著電感和電容，因此，在放電的整個(gè)過程中，電路產(chǎn)生的暫態(tài)效應(yīng)非常的明顯，尤其是在開始和結(jié)束的時(shí)候。這將使其在不同時(shí)刻的采樣值的大小差別變化很大，使內(nèi)阻測量的重復(fù)性變差。

圖2 直流內(nèi)阻測試法原理框圖

4.2 交流內(nèi)阻測試法

交流內(nèi)阻測試法的原理是:將電池等效于一個(gè)有源電阻的，在電池上施加一個(gè)固定電流和固定頻率 (目前一般使用的是50 mA，1 kHz)，對電壓進(jìn)行采樣，經(jīng)過處理后測量蓄電池內(nèi)阻。交流內(nèi)阻測試法的時(shí)間極短，一般只有100毫秒。

其優(yōu)點(diǎn)是:交流內(nèi)阻測試法不受極化的內(nèi)阻影響，可測量所有電池，甚至是小容量電池，同時(shí)對電池?zé)o損害，可進(jìn)行頻繁地在線測量。但缺點(diǎn)在于:該方法注入的交流電流較小，容易受到充電機(jī)交流紋波的干擾，產(chǎn)生較大的誤差，對蓄電池內(nèi)阻測量值有一定的影響。同時(shí)，在正常工作狀態(tài)下，蓄電池處于充滿狀態(tài)。若此時(shí)對蓄電池注入電流，就有可能產(chǎn)生蓄電池的過充，對蓄電池造成損傷。雖然注入電流很小，時(shí)間很短，但仍然存在著過充的風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 核對性放電法

核對性放電法綜合了直流內(nèi)阻測試法和交流內(nèi)阻測試法的優(yōu)點(diǎn)。其原理是通過功率放大電路對被測蓄電池接入一個(gè)低頻交流信號，同時(shí)利用被測蓄電池對功率放大電路供電，使蓄電池以特定的交流方式進(jìn)行放電。用同步放大電路對蓄電池在給定頻率下的內(nèi)阻進(jìn)行測量，得到蓄電池在線內(nèi)阻［4］。其放電電流大于交流注入法而小于直流放電法。主要優(yōu)點(diǎn)有:抗干擾性強(qiáng)，由于其對充電機(jī)紋波不敏感，在在線檢測中非常適用;測量精度高，其測量在幾秒鐘內(nèi)就可以達(dá)到幾十甚至幾百次，使精度大大提高;重復(fù)性好，測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定;因?yàn)槭褂玫臏y量電流都是小電流 (2～5A)，從而使其對供電主回路的影響得以避免，也不會(huì)損傷蓄電池;同時(shí)，由于采用的是放電測量法，不會(huì)導(dǎo)致蓄電池過充。

圖3 核對性放電法原理框圖

但是核對性放電主要用于蓄電池的年度性或季度性的檢修上，無法做到實(shí)時(shí)監(jiān)控。因此在適用范圍上可作為檢測方法，而不是監(jiān)測方法。圖3為核對性放電法的原理框圖。

5 結(jié)束語

通過上述分析可知，蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)在供電系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。本文介紹的三種方法是技術(shù)發(fā)展過程中出現(xiàn)的有效方法，但各有一定的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性，需要在實(shí)際應(yīng)用中，合理取舍，綜合利用。

［1］史相玲.蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究［D］.河北:河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009(12).

［2］郝曉光，李秉宇，等.直流電源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化狀態(tài)檢修模式的研究 ［J］.電源技術(shù)，2011，35(9):1142－1145.

［3］李文琦.變電站蓄電池的內(nèi)阻測試與分析 ［J］.能源與環(huán)境，2008，(5):37－38.

［4］常榮，鄧成蘭.變電站通信電源蓄電池維護(hù)若干問題淺析［J］.通信電源技術(shù)，2013，30(2):72－75.