鄒育鵬

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

變電站兩臺站用變各帶一段380 V 交流母線，兩段交流母線上各有一組出線經(jīng)交流配電單元整流后變?yōu)橹绷?，其中一部分供給直流負(fù)荷，如電氣的控制、信號、測量和繼電保護(hù)裝置、操作機(jī)構(gòu)直流電動機(jī)、斷路器電磁操動的合閘機(jī)構(gòu)、站內(nèi)交流不停電電源系統(tǒng)及遠(yuǎn)動和事故照明等；另一部分則為操作提供可靠的操作電源。當(dāng)站內(nèi)出現(xiàn)交流失壓時，只有通過蓄電池對恢復(fù)送電所需直流負(fù)荷有效供電，才能對相應(yīng)一次設(shè)備進(jìn)行操作。深圳電網(wǎng)所轄257 個110 kV 及以上變電站中，有蓄電池400 多組。作為變電運(yùn)行人員，只有具備基礎(chǔ)的電力系統(tǒng)、電力電子、微機(jī)原理以及通信等方面的相關(guān)理論知識及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，才能完成對直流充電設(shè)備及直流饋電設(shè)備的運(yùn)維，提高后備電源設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文深入介紹了深圳供電局蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用和效果。

1 蓄電池組在線監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)踐應(yīng)用前設(shè)備運(yùn)維情況

深圳電網(wǎng)所轄變電站均采用高頻開關(guān)模塊型充電裝置，利用脈沖寬度調(diào)制方式原理，經(jīng)高頻變壓器隔離，形成整流電路對蓄電池組充電。深圳供電局對蓄電池的運(yùn)維巡視做了相關(guān)規(guī)定，巡視檢查的項(xiàng)目包括：檢查蓄電池室空調(diào)是否運(yùn)行正常，蓄電池應(yīng)放置在通風(fēng)良好，無陽光直射，溫度在5 ～40 ℃且相對濕度≤80%的場所；蓄電池外殼應(yīng)無破損；蓄電池安全閥應(yīng)無松動；接頭應(yīng)無腐蝕污染，若有應(yīng)及時聯(lián)系電源班作清潔處理；蓄電池的充電電流和充電柜的負(fù)荷電流與浮充電壓或開路電壓應(yīng)在正常范圍內(nèi)；蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)有無異常告警信號等。

由于大多變電站地處偏遠(yuǎn)，蓄電池所處運(yùn)行環(huán)境也較為惡劣。如果室內(nèi)通風(fēng)散熱效果較差，易造成蓄電池性能的惡化。由于性能惡化往往都發(fā)生在兩次定檢周期之間，且查看蓄電池組檢查記錄均為正常；若此時全站失壓，蓄電池?zé)o法正常供電不能正常動作，將會對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成重大影響。傳統(tǒng)的人工維護(hù)費(fèi)時費(fèi)力，檢測手段單一，工作繁瑣，不能實(shí)時監(jiān)控，無法完全杜絕隱患，需要對此進(jìn)行分析并改善。

深圳電網(wǎng)所轄變電站均采用閥控式密封鉛酸蓄電池。該類蓄電池具有兩大優(yōu)點(diǎn)。其中一大優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)電池內(nèi)部氣壓過高時，通過單向排氣閥釋放內(nèi)部壓力，待壓力值正常后排氣閥閉合，防止外部氣體進(jìn)入，從而保持內(nèi)部氣壓正常，因此其密閉性良好。但日常的巡檢工作中很難通過觀察外殼判斷其密閉性的好壞。例如，巡檢時發(fā)現(xiàn)，額定電壓為6 V 的蓄電池單體實(shí)際測量電壓約為6.75 V，測量值正常。但對該蓄電池核容時卻發(fā)現(xiàn)實(shí)際容量僅為額定值的33%，說明密閉性是否完好與蓄電池端電壓的大小無關(guān)。當(dāng)使用內(nèi)阻測試儀對蓄電池單體內(nèi)阻進(jìn)行測量時發(fā)現(xiàn)，大多蓄電池單體內(nèi)阻遠(yuǎn)超正常值500 μΩ（以蓄電池組容量 400 Ah，單體標(biāo)稱電壓2 V 的蓄電池為例），達(dá)到上千甚至幾千微歐姆。由于蓄電池的內(nèi)阻是隨著其容量的減少而不斷增加的，因此可以推斷出該站大多蓄電池密閉性下降，已呈老化狀態(tài)。為避免蓄電池老化影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，深圳供電局規(guī)定，110 kV 變電站蓄電池組每3 年進(jìn)行1 次全容量核對性充放電，220 kV 及以上變電站蓄電池組每2 年應(yīng)進(jìn)行1 次全容量核對性充放電，運(yùn)行6 年以上的蓄電池組，應(yīng)每年進(jìn)行1 次全容量核對性充放電[4]。對僅有一組蓄電池的變電站，采用備用蓄電池組替換，該組蓄電池應(yīng)進(jìn)行全容量核容。

另一大優(yōu)點(diǎn)是免補(bǔ)加水維護(hù)。讓電池負(fù)極容量冗余，通過陰極吸收原理，即充電時正極釋放的氧氣通過微孔橡膠隔板與負(fù)極釋放的氫氣通過鉛共同反應(yīng)生成水與硫酸鉛：O2+2Pb →2PbO+2H2SO4→H2O+2PbSO4，因此后期免補(bǔ)加水加酸。此時負(fù)極由于欠充電，不會額外釋放氫氣。

2 蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)測試內(nèi)阻準(zhǔn)確性分析

2.1 蓄電池內(nèi)阻特性分析及測試相關(guān)要求

蓄電池內(nèi)阻由于制造工藝、材料等因素的影響，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大致由連接部分（含極群總線和端柱）、電極活性物質(zhì)、隔離板、極板以及電解液共5 部分組成。影響蓄電池內(nèi)阻的因素很多。例如，蓄電池充放電過程中，其內(nèi)阻大小會發(fā)生變化；蓄電池的內(nèi)阻會隨著內(nèi)部的水損失而逐漸變大；當(dāng)蓄電池內(nèi)部的活性物質(zhì)隨著硫酸鹽化而變少時，內(nèi)阻也會增大；蓄電池的極板隨著年限的增長而腐蝕時，其內(nèi)阻也將增大。

理論證明，組成蓄電池的所有零部件電阻之和，特性是符合歐姆定律的，能反映蓄電池自身的性能狀態(tài)，稱為歐姆電阻。將蓄電池接入直流回路，在實(shí)際測量中發(fā)現(xiàn)其內(nèi)阻不是一個常數(shù)，原因在于實(shí)際內(nèi)阻不僅包括歐姆電阻，還包括極化電阻。極化電阻又包含電化學(xué)極化電阻和濃差極化電阻。濃差極化是電解液中反應(yīng)粒子的濃度變化產(chǎn)生的，而電化學(xué)極化是反應(yīng)過程中電極上積聚電荷產(chǎn)生的。由于極化電阻值的不穩(wěn)定，因此想要精確測量歐姆電阻變化會有很大妨礙。

為了解決這一難題，多年來國內(nèi)外一直致力于這方面的研究，推出了一系列內(nèi)阻測量技術(shù)，各種測量方法之間差異很大，大致可分為直流放電法、交流注入法。直流放電法是將蓄電池接入直流回路中，通過測量負(fù)載兩段電壓及負(fù)載電流，從而計(jì)算出電池內(nèi)阻。由于阻值很小，單位電流情況下電壓變化太小，造成測量準(zhǔn)確性不足10%。為了精確測量壓差，一般使用直流大電流放電法，但大電流會對蓄電池的性能狀態(tài)造成一定影響。交流注入法是在蓄電池兩極施加交流信號，此法測出的是蓄電池阻抗，并非實(shí)際電阻。為了規(guī)避阻抗（電容與電抗）對實(shí)際電阻值的影響，需要采用四線測量法。此法相比于直流放電法，準(zhǔn)確度、靈敏度均更高，且電信號很小不會對蓄電池性能狀態(tài)造成影響；缺點(diǎn)是容易受到變電站內(nèi)的電磁場以及工頻信號的影響，抗干擾性能較差。

目前，國內(nèi)依舊沒有一套對蓄電池的內(nèi)阻參數(shù)作出規(guī)范的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，只有IEEE Std-1188—1996《站用閥控鉛酸（ VRLA）蓄電池的維護(hù)、測試和更換方法》中對此做了簡要說明，蓄電池單體內(nèi)阻受物理連接內(nèi)阻、電解液的離子傳導(dǎo)性及電極上發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)影響；在蓄電池內(nèi)阻測量儀廠商未做特殊說明情況下，內(nèi)阻值變化超過額定值20%即認(rèn)為變化明顯[1]。

2.2 蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)測試蓄電池內(nèi)阻原理分析

深圳電網(wǎng)目前使用型號為BDS-256 系列的蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)，其利用直流大電流放電法，即純直流瞬間大電流放電法對蓄電池內(nèi)阻進(jìn)行測試（見圖1）。對蓄電池兩極施加瞬間大電流，電流大小為40 ～70 A（低于20 A 會嚴(yán)重影響測量精確性）。為了避免初始放電過程中電壓電流的下降變化階段的影響，放電持續(xù)時間設(shè)定為3 ～5 s，測量蓄電池兩極的瞬間電壓降U1和放電負(fù)載模塊（RTM）開路瞬間電壓恢復(fù)電壓差U2以及瞬間電流值I，運(yùn)用歐姆定律計(jì)算出蓄電池內(nèi)阻R=（U1-U2）/I。

純直流瞬間大電流放電法是美國Albér 公司的專利技術(shù)[2]，其利用零瞬間技術(shù)（ZERO TIME）在回路中加入純阻性負(fù)載，考慮到蓄電池?cái)嚅_負(fù)載模塊（RTM）后其電動勢，即蓄電池開路電壓會即刻增大，在斷開瞬間同時讀取蓄電池兩級的瞬間電壓差與瞬間電流差，從而計(jì)算出精確的內(nèi)阻。相比于交流注入法，該方法不受充放電回路影響，具有完好的獨(dú)立性；不受電磁場以及工頻信號的影響，具有良好的抗干擾性能；不受電路紋波以及噪聲環(huán)境的影響，具有不錯的重復(fù)性。

圖1 測試原理圖

該在線監(jiān)測系統(tǒng)利用高速采集技術(shù)能準(zhǔn)確采集電池兩極的瞬間電壓降U1和放電負(fù)載模塊（RTM）開路瞬間電壓恢復(fù)電壓差U2，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對直流參數(shù)的讀取，并實(shí)時精確計(jì)算出內(nèi)阻。該在線監(jiān)測系統(tǒng)還對蓄電池的電流、電壓、阻抗、浮充與均充電壓及充放電等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，是目前比較領(lǐng)先的監(jiān)測技術(shù)。

3 蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用

3.1 蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的安裝供電模式

為了更靈活地配合變電站的現(xiàn)場情況，設(shè)定了兩種運(yùn)行方式。當(dāng)直流系統(tǒng)配置有UPS 逆變電源屏?xí)r，通過直流電源輸入，經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換為交流信號為蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)供電。當(dāng)直流系統(tǒng)未配置UPS 逆變電源屏，直接通過交流電源供電。

3.2 蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接模式

蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)先經(jīng)RS232 將各項(xiàng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)上傳至站內(nèi)監(jiān)控屏，后通過光纖轉(zhuǎn)接屏傳至通信轉(zhuǎn)換設(shè)備，設(shè)備使用標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS 通信協(xié)議向上傳送數(shù)據(jù)和接收控制命令，通過電話線連接VDSL 路由器，再經(jīng)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)與終端的互聯(lián)[3]。每個站點(diǎn)一個IP 地址，數(shù)據(jù)讀取由Albér 提供終端軟件完成[4]。深圳供電局在系統(tǒng)內(nèi)率先運(yùn)用蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)，為蓄電池在線監(jiān)測和管理的網(wǎng)絡(luò)自動化提供了很好的解決路徑。

3.3 蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集分析功能

浮充狀態(tài)下，監(jiān)測系統(tǒng)能實(shí)時捕捉各類參數(shù)，包括浮充電壓電流、放電電流及環(huán)境溫度等，電壓準(zhǔn)確度誤差0.2%，電流準(zhǔn)確度誤差2%。對于內(nèi)阻監(jiān)測，系統(tǒng)自動每月對蓄電池內(nèi)阻值進(jìn)行一次掃描，依據(jù)蓄電池內(nèi)阻模型自動運(yùn)算分析，與初始數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，內(nèi)阻分辨率可達(dá)0.001 mΩ，若放電電壓越下限或容量異常會發(fā)告警信號。運(yùn)行人員可在主控室通實(shí)時監(jiān)控屏了解各站蓄電池運(yùn)行情況，利用蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)機(jī)對各站的蓄電池組進(jìn)行遠(yuǎn)程在線內(nèi)阻測試，對蓄電池的容量進(jìn)行趨勢分析。

4 蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用效果

4.1 在設(shè)備性能的分析判斷方面

以某站蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)為例，可知內(nèi)阻與容量之間的大致相關(guān)特性（見圖2 和圖3）。由圖2 可知，隨著放電容量的增大，內(nèi)阻應(yīng)逐漸增大，其中7 號與20 號電池離散性高，需額外關(guān)注其性能狀態(tài)。從圖3 可知，在無放電情況下，蓄電池內(nèi)阻值已經(jīng)比初始值（1 500 μΩ）高出50%以上，因此整組電池均不符合運(yùn)行要求，尤其是16 號和32 號電池已明顯失效。通過這個系統(tǒng)對蓄電池組的檢測和分析，并結(jié)合核容試驗(yàn)，將運(yùn)行表面單體電壓正常、但是實(shí)際內(nèi)阻超標(biāo)的的蓄電池組進(jìn)行了更換。例如，500 kV 深圳站、220 kV 中航站及110 kV 田面站等的蓄電池及時

圖2 電池內(nèi)阻與放電容量關(guān)系圖（新電池）

圖3 電池內(nèi)阻與放電容量關(guān)系圖（舊電池）

更換都得益于在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用。

4.2 在設(shè)備的維護(hù)及時性方面

通過實(shí)時監(jiān)測電池?cái)?shù)據(jù)，能對各站點(diǎn)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測、收集、分析；數(shù)據(jù)自動保存、自動生成報(bào)告，大大提高了生產(chǎn)效率。因此，可以準(zhǔn)確對不良電池有針對性地實(shí)行處理措施，消除了電池故障影響直流母線電壓異常的隱患。

5 結(jié) 論

從最初引進(jìn)蓄電池遠(yuǎn)程在線智能監(jiān)測技術(shù)對重要變電站的蓄電池組進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和維護(hù)，到目前大量投入使用，深圳供電局已在全國電力系統(tǒng)中處于領(lǐng)先位置。在線智能監(jiān)測系統(tǒng)的使用，極大地提高了深圳供電局設(shè)備維護(hù)水平，為實(shí)現(xiàn)不發(fā)生站用電源失壓或因站用電源設(shè)備故障導(dǎo)致裝置誤動事故提供了有力的保證。