高超

（南方電網(wǎng)深圳供電局有限公司 寶安供電局沙井供電分局，廣東深圳 518000）

0.引言

近年來，隨著科技、民生、工業(yè)等社會領(lǐng)域的發(fā)展，當(dāng)前市場對電力資源供應(yīng)需求不斷增加，給電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成了較大壓力。蓄電池作為電力系統(tǒng)中的二次系統(tǒng)，承擔(dān)著保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要職責(zé)。在各種影響蓄電池性能的因素中，蓄電池本身的容量以及電流負(fù)荷等能夠?qū)π铍姵禺a(chǎn)生巨大的影響。對蓄電池內(nèi)阻在線巡檢與譜分析儀的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，能夠?yàn)楫?dāng)前我國電力系統(tǒng)中蓄電池的應(yīng)用和優(yōu)化提供借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

1.蓄電池內(nèi)阻在線巡檢

1.1 蓄電池的作用

從本質(zhì)上來說，蓄電池是能夠應(yīng)用于電力系統(tǒng)和通信系統(tǒng)中的備用電源，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生運(yùn)行故障時(shí)，蓄電池的應(yīng)用能夠保障整個(gè)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行?，F(xiàn)階段，蓄電池已經(jīng)被納入到電力系統(tǒng)當(dāng)中，在直流供電系統(tǒng)、通信電源系統(tǒng)以及UPS電源系統(tǒng)的運(yùn)行中發(fā)揮著重要的作用[1]。蓄電池在電力系統(tǒng)中能夠與UPS以及開關(guān)電源系統(tǒng)相結(jié)合，防止城市的電網(wǎng)電壓出現(xiàn)涌、浪以及瞬變、欠壓等問題，減少這些問題的發(fā)生對電力系統(tǒng)運(yùn)行安全產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。在當(dāng)前市場電力資源需求逐漸增加的背景下，為了能夠在滿足電力資源供應(yīng)的同時(shí)也能夠保障電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全，需要對蓄電池進(jìn)行恒溫保護(hù)和檢測，以便能夠延長蓄電池的使用壽命，在提高電力系統(tǒng)運(yùn)行效率的同時(shí)，也能夠保證電力系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行[2]。

1.2 蓄電池容量檢測方法

剩余容量大小會對蓄電池本身的應(yīng)用性能產(chǎn)生一定的影響，蓄電池在運(yùn)行中如果存在電量不足的情況，就會使得蓄電池出現(xiàn)自愈失敗的情況，進(jìn)而導(dǎo)致蓄電池發(fā)生故障。在這種情況下，為了能夠有效保障電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全，就需要對蓄電池的容量進(jìn)行及時(shí)檢測[3]?，F(xiàn)階段，我國應(yīng)用于電力系統(tǒng)中蓄電池容量的檢測方法主要包括電解液密度法、放電電壓法、放電統(tǒng)計(jì)法以及內(nèi)阻分析法等[4]。

電解液密度法需要將測量儀器深入到蓄電池內(nèi)部，但蓄電池本身的密閉性很難應(yīng)用該方法獲得準(zhǔn)確的測量結(jié)果；放電電壓法主要是檢測蓄電池在放電時(shí)端電壓的變化情況，并以此來計(jì)算蓄電池中的剩余容量[5]。這種方法會受到蓄電池剩余電量與電壓之間非線性關(guān)系的影響，因而測量結(jié)果的準(zhǔn)確性也比較低；放電統(tǒng)計(jì)法主要是在蓄電池完全放電的情況下對其進(jìn)行測量，需要耗費(fèi)的測量時(shí)間比較長。而內(nèi)阻分析法主要是依據(jù)蓄電池的內(nèi)部阻抗與荷電程度之間的關(guān)系來實(shí)現(xiàn)檢測的，不僅不會對蓄電池本身的性能產(chǎn)生影響，還能夠獲得更加準(zhǔn)確地測量結(jié)果，因而是當(dāng)前蓄電池容量檢測中最具有應(yīng)用前景的方法[6]。

2.蓄電池內(nèi)阻在線巡檢與譜分析儀的具體設(shè)計(jì)分析

蓄電池內(nèi)阻在線巡檢方法需要依靠譜分析儀這種專業(yè)的工具來實(shí)現(xiàn)，基于當(dāng)前電力系統(tǒng)對蓄電池性能和運(yùn)行安全的需求，在應(yīng)用內(nèi)阻法來對蓄電池容量進(jìn)行檢測時(shí)，主要可以從以下幾個(gè)方面入手：

2.1 蓄電池內(nèi)阻測試儀

應(yīng)用內(nèi)阻法對蓄電池的剩余容量大小進(jìn)行檢測，首先需要考慮到當(dāng)前常用蓄電池的內(nèi)阻大小。由于當(dāng)前蓄電池的內(nèi)阻大多為毫歐級，應(yīng)用原有的兩端子測量技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)對蓄電池剩余容量的精確檢測，因而在對蓄電池內(nèi)阻測試儀進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主要應(yīng)用四端子測量方式[7]。依據(jù)蓄電池內(nèi)阻法的測量原理（如圖1所示），在給運(yùn)行中的蓄電池施加一個(gè)交流電信號之后，對蓄電池兩端的電壓進(jìn)行測量，再對通過蓄電池的電流進(jìn)行測量，借助蓄電池兩端瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)電流的相位差來對交流信號的內(nèi)部阻抗值進(jìn)行計(jì)算[8]。

圖1 蓄電池內(nèi)阻法測量原理圖

由于這種內(nèi)阻法主要是借助交流電信號來實(shí)現(xiàn)蓄電池容量測量的，因而也可以被稱為交流檢測法。這種方法在實(shí)際應(yīng)用中不依靠蓄電池的放電操作，就可以實(shí)現(xiàn)對蓄電池剩余容量的測量，并且可以多次進(jìn)行測量，也不會對蓄電池本身的運(yùn)行狀態(tài)和性能產(chǎn)生影響。但由于這種方法在實(shí)際應(yīng)用中需要借助相位法來實(shí)現(xiàn)容量的測量，因而會比較容易受到外界噪聲的影響。在這種情況下，就需要對內(nèi)阻法進(jìn)行持續(xù)的改進(jìn)和優(yōu)化，借助快速傅里葉變換來對交流電信號進(jìn)行幅度譜和相位譜的分析，能夠有效減少噪聲對測量結(jié)果產(chǎn)生的影響。

當(dāng)前應(yīng)用于蓄電池容量檢測的內(nèi)阻測試儀，以ITB-712系列型號為主，這種蓄電池內(nèi)阻測試儀的設(shè)計(jì)中應(yīng)用了更先進(jìn)、技術(shù)難度更大的交流內(nèi)阻技術(shù)方案。這種內(nèi)阻測試儀在實(shí)際應(yīng)用中不僅能夠保障蓄電池在線并機(jī)充放電狀態(tài)下測試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定，還融合了蓄電池故障的預(yù)警技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對蓄電池故障的及時(shí)預(yù)警。

2.2 蓄電池巡檢

在依據(jù)內(nèi)阻法完成蓄電池內(nèi)阻測試儀的設(shè)計(jì)之后，就可以應(yīng)用該測試儀來實(shí)現(xiàn)對蓄電池的巡檢工作。在對蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行巡檢時(shí)，首先要確定交流信號源的頻率。在保障城市電網(wǎng)安全運(yùn)行的前提下，選擇50Hz的市電源作為用于蓄電池安全巡檢的交流信號源頻率，并將該電流利用變壓器進(jìn)行降壓供電。在對蓄電池的剩余容量進(jìn)行測量時(shí)，首先需要將兩個(gè)開關(guān)閉合，然后對電池組施加一個(gè)正弦交流電流，對經(jīng)過蓄電池的電流有效值進(jìn)行測量。在閉合另外2個(gè)開關(guān)之后，借助兩個(gè)采樣電容來實(shí)現(xiàn)對蓄電池中交流電壓有效值的測量，再依據(jù)測量值計(jì)算出蓄電池的電阻?；诋?dāng)前電力系統(tǒng)中蓄電池組的運(yùn)行情況，依據(jù)這種方法對每一個(gè)蓄電池上的交流電壓有效值進(jìn)行計(jì)算，就能夠得到每個(gè)蓄電池的內(nèi)阻值。

由于當(dāng)期應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的蓄電池具體型號不同，因而蓄電池的內(nèi)阻表接線方式也存在一定的差別，而這種差別又會對內(nèi)阻法的測量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。造成這種現(xiàn)象的主要原因是測量線在應(yīng)用中可能會與電池的連接電纜發(fā)生串聯(lián)，將電極樁在內(nèi)的附加歐姆電阻引到了電池內(nèi)阻當(dāng)中。這種現(xiàn)象雖然不會對蓄電池的性能產(chǎn)生一定的影響，但會造成最終的測量結(jié)果與實(shí)際產(chǎn)生偏差。在這種情況下，就需要對蓄電池進(jìn)行多次測量，用以多次不同測量結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。從當(dāng)前應(yīng)用的蓄電池性能來看，蓄電池原本的使用壽命以5年左右為標(biāo)準(zhǔn)，蓄電池內(nèi)的電阻不會產(chǎn)生較為快速的變化，因而應(yīng)用內(nèi)阻法的頻率以每月一次為主要標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 蓄電池內(nèi)阻與剩余容量的關(guān)系

在應(yīng)用內(nèi)阻法來對蓄電池的剩余容量進(jìn)行測量之后，就可以依據(jù)內(nèi)阻的變化情況與剩余容量的變化情況來對二者之間的關(guān)系進(jìn)行分析。

如表1所示得知，在蓄電池的剩余容量超過40%時(shí)，蓄電池的內(nèi)阻值大小不會受到放電電流的影響；在蓄電池的剩余容量小于40%時(shí)，蓄電池的內(nèi)阻值則會逐漸增大，且受到放電電流的影響，在放電電流越小的情況下，蓄電池的內(nèi)阻值增加速度越快。

表1 蓄電池內(nèi)阻與剩余容量之間的關(guān)系

從這一實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果來看，蓄電池內(nèi)阻與剩余容量之間的關(guān)系主要可以總結(jié)出以下幾個(gè)特點(diǎn)：首先，蓄電池在初始循環(huán)的狀態(tài)下本身容量會增加；其次，在蓄電池產(chǎn)生低倍率放電的情況下，內(nèi)阻不會對蓄電池的性能產(chǎn)生較大的影響，而當(dāng)蓄電池產(chǎn)生高倍率放電的情況下，內(nèi)阻則會對蓄電池的性能產(chǎn)生較為顯著的影響；最后，盡管內(nèi)阻法能夠?qū)崿F(xiàn)對單個(gè)蓄電池內(nèi)置以及剩余容量的測量，但仍無法實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)中整個(gè)蓄電池組內(nèi)阻以及剩余容量的測量。在蓄電池的內(nèi)阻突然增大或電導(dǎo)的數(shù)據(jù)突然減小時(shí)，就可以判斷蓄電池的剩余電量為0，因而需要對其進(jìn)行及時(shí)的更換，以便能夠保障電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。與此同時(shí)，應(yīng)用內(nèi)阻法對蓄電池的性能進(jìn)行檢測，還能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)蓄電池在運(yùn)行中存在的一些故障問題。

在蓄電池組進(jìn)行放電之前，對蓄電池的內(nèi)阻變化情況進(jìn)行巡檢之后，可以得到表2所示，依據(jù)圖表可以看出，這一蓄電池組中共包含18個(gè)蓄電池，而在對蓄電池的內(nèi)阻進(jìn)行檢測之后可以發(fā)現(xiàn)，R4、R11、R13、R16、R17的內(nèi)阻與其他蓄電池的內(nèi)阻大小之間有著明顯的差別。由此可以看出，這幾節(jié)電池的性能已經(jīng)發(fā)生了較為嚴(yán)重的變化。在這種情況下，就需要對這些內(nèi)阻存在異常的蓄電池進(jìn)行及時(shí)維護(hù)和檢修，用以保障整個(gè)蓄電池組在電力系統(tǒng)中的運(yùn)行安全。

表2 蓄電池內(nèi)阻的變化情況

除此之外，在應(yīng)用內(nèi)阻法來對蓄電池的剩余容量進(jìn)行測量時(shí)，還可以采用半荷內(nèi)阻法來實(shí)現(xiàn)。通過前面的分析可以得知，放電實(shí)驗(yàn)法在實(shí)際應(yīng)用中會對蓄電池本身的性能產(chǎn)生一定的損害。相比之下，應(yīng)用半荷內(nèi)阻法，能夠有效減輕這一情況對實(shí)際測量結(jié)果和蓄電池性能造成的影響。在應(yīng)用這種方法來對蓄電池的電阻進(jìn)行測量時(shí)，主要是依據(jù)蓄電池內(nèi)阻測試儀測量出的數(shù)據(jù)來進(jìn)行蓄電池組放電的電壓曲線來實(shí)現(xiàn)的。

如表3所示依據(jù)得到的電壓和標(biāo)準(zhǔn)放電比，能夠繪制出電池放電的二折線法電壓曲線，并以此來對蓄電池的內(nèi)阻和剩余容量進(jìn)行理論上的分析。在完成以上分析之后，就可以對蓄電池的等效內(nèi)阻進(jìn)行測量，并以等效電阻的相關(guān)數(shù)值來繪制蓄電池組放電的內(nèi)阻曲線圖，進(jìn)而更好的研究蓄電池內(nèi)阻曲線之間的變化規(guī)律。

表3 電池放電下的電壓與標(biāo)準(zhǔn)放電比

蓄電池內(nèi)阻檢測儀在檢測蓄電池的內(nèi)阻和剩余容量大小的過程中發(fā)揮著重要的作用。借助蓄電池內(nèi)阻在線巡檢與譜分析儀來實(shí)現(xiàn)對蓄電池性能的檢測和分析，不僅能夠有效減少噪聲對檢測結(jié)果造成的影響，還能夠獲得更準(zhǔn)確地測量數(shù)據(jù)，并檢測出蓄電池組中的失效電池，進(jìn)而保障整個(gè)蓄電池組的安全運(yùn)行?；诒Ｕ衔覈娋W(wǎng)安全運(yùn)行的主要要求，作為電力系統(tǒng)中的重要組成部分，需要對電力系統(tǒng)中的蓄電池進(jìn)行及時(shí)的安全檢測，才能夠盡量減少蓄電池故障問題對整個(gè)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行造成的影響。舉例來說，F(xiàn)luke BT500系列蓄電池內(nèi)阻分析儀是一種能夠有效實(shí)現(xiàn)蓄電池內(nèi)阻分析的儀器，這種分析儀能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)中心、電信網(wǎng)絡(luò)以及配電系統(tǒng)等情況下蓄電池的維護(hù)、故障排除以及性能測試功能。

3.結(jié)語

應(yīng)用內(nèi)阻在線巡檢法來保障蓄電池的應(yīng)用安全，對保障電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行和電力資源的供應(yīng)起到了重要的作用。在對蓄電池進(jìn)行巡檢時(shí)，不僅要考慮到蓄電池由于本身容量和運(yùn)行等方面產(chǎn)生的故障問題，還要重視周邊環(huán)境對蓄電池產(chǎn)生的影響，是否會造成蓄電池性能的損壞和使用壽命的縮短。借助內(nèi)阻在線巡檢與譜分析儀來對蓄電池進(jìn)行檢測，能夠有效保障電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。