吳志勇

(國家電網(wǎng)寧夏吳忠供電公司,寧夏 吳忠 751100)

隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展,電力行業(yè)已步入全國聯(lián)網(wǎng)、大機(jī)組、微電網(wǎng)、數(shù)字化時代,逐步向環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、高效、安全的方向邁進(jìn)。變電站直流系統(tǒng)是變電站的關(guān)鍵部分,主要為斷路器控制、繼電保護(hù)裝置提供直流電源,與繼電保護(hù)、故障切除存在直接聯(lián)系,是維護(hù)電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要保障,可以降低發(fā)生事故時的經(jīng)濟(jì)損失。電池組作為變電站直流系統(tǒng)的一部分,主要在變電站突然斷電期間及時為相關(guān)設(shè)備供電,避免造成難以預(yù)估的損失。當(dāng)前多數(shù)變電站不需要專人值班,主站(調(diào)度中心)主要通過遠(yuǎn)程監(jiān)測通信獲取子站的實(shí)時數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀況?，F(xiàn)有變電站直流系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備多數(shù)只能實(shí)時獲取子站充電機(jī)故障、電池電壓故障、熔絲故障、交流電源故障等問題,難以及時將內(nèi)阻、電池溫度等信息上傳到調(diào)度中心,可能擴(kuò)大事故影響。隨著電力產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,變電站分布范圍越來越廣、數(shù)量越來越龐大。為及時準(zhǔn)確掌握變電站電池組電壓運(yùn)行狀況,需要高度重視變電站電池組電壓檢測和維護(hù),以提升變電站日常運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性。

1 變電站直流電源系統(tǒng)基本組成

變電站直流電源系統(tǒng)是變電站中一個相對獨(dú)立的系統(tǒng),主要作用是為變電站安全自動裝置、繼電保護(hù)裝置、應(yīng)急電源等提供穩(wěn)定可靠的直流電源,以滿足變電站設(shè)備的工作需求。直流電源系統(tǒng)運(yùn)行不會受到站用電、發(fā)電機(jī)、系統(tǒng)運(yùn)行等的影響,即便沒有交流電源供電,仍可借助電池組保持運(yùn)行狀態(tài),確保不失電。直流電源系統(tǒng)主要由電池組、直流監(jiān)控系統(tǒng)、充電機(jī)、交流輸入、直流負(fù)荷和直流母線等構(gòu)成。電池組一般由多只電池串聯(lián)而成,是變電站直流電源系統(tǒng)的核心部件,用于儲存能量并在交流電源斷電時為相關(guān)設(shè)備提供直流電源,可以根據(jù)需要增加或減少串聯(lián)的電池數(shù)量。電池組選型和布置需要考慮到變電站的負(fù)載需求、備用時間和可靠性等因素。

電池組的監(jiān)測和維護(hù)是變電站直流電源系統(tǒng)日常管理的重要工作,采取優(yōu)質(zhì)監(jiān)測維護(hù)設(shè)備和最佳維護(hù)方案,可以提高系統(tǒng)運(yùn)維效率,保障系統(tǒng)運(yùn)行安全。相關(guān)資料顯示,電池使用期間實(shí)際容量降到額定容量的90%以下時,會步入半衰期,降到80%以下時,進(jìn)入急劇衰退期。電池的衰退期非常短,進(jìn)入衰退期表明即將失效,存在嚴(yán)重的事故隱患。電池工作機(jī)理非常復(fù)雜,不同電池的結(jié)構(gòu)、工藝、材料各不相同,使用環(huán)境存在較大差異,電池組的監(jiān)測和維護(hù)成為維持變電站穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。需要根據(jù)電池特性選擇合適的維護(hù)方案,實(shí)現(xiàn)變電站直流電源系統(tǒng)電池組的健康管理。

2 變電站電池組

電池作為性能優(yōu)異的便攜儲能設(shè)備,在工業(yè)控制和日常生活中占據(jù)重要地位,變電站、照明設(shè)備、不間斷電源(UPS)、應(yīng)急設(shè)備等都有電池的存在。從本質(zhì)上講,電池工作過程中需要將電能轉(zhuǎn)化并存儲為化學(xué)能,需要時再將存儲的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能輸出,電池的充放電過程即能量轉(zhuǎn)換過程。變電站電池組主要為閥控式密封鉛酸(VRLA)電池。

VRLA 電池是一種常見的電池,結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單,主要由正負(fù)極板、隔板、電解液、極柱、安全閥、蓋板和外殼等組成。正負(fù)極板通常由鉛錫合金制成,通過隔板進(jìn)行隔離;隔板通常由聚乙烯或玻璃纖維材料制成,絕緣性能良好;電解液通常由硫酸和蒸餾水混合而成,主要作用是提供離子導(dǎo)電路徑,使正負(fù)極板能夠進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng);極柱是連接正負(fù)極板的組件,通常由鉛或鉛合金制成,極柱設(shè)計會影響電池性能,如電流傳導(dǎo)性能和耐腐蝕性能;安全閥是電池的重要安全裝置,可在電池內(nèi)部產(chǎn)生過高壓力時自動釋放壓力,防止電池爆炸;蓋板是用于封閉電池的上部結(jié)構(gòu),通常由塑料或金屬制成,有連接電極的孔,以及安全閥和其他配件的安裝孔;外殼是電池的外部保護(hù)結(jié)構(gòu),通常由塑料或金屬制成,主要作用是保護(hù)內(nèi)部組件,同時防水和防塵。總之,每個組件都起著重要的作用,正負(fù)極板、隔板和電解液共同構(gòu)成電池的電化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng),極柱和安全閥保證了電池的安全性能,蓋板和外殼則起到保護(hù)和封裝的作用。組件的合理設(shè)計和優(yōu)質(zhì)材料選擇,可提高電池的性能和壽命,確保電池組安全可靠。

電池組的電壓涉及電池端電壓、開路電壓、浮充電壓和放電終止電壓。這些電壓參數(shù)可反映電池組的工作狀態(tài)和性能,對電池的選擇、使用和維護(hù)具有重要意義。實(shí)際應(yīng)用中,需要根據(jù)具體需求和電池特性,合理設(shè)置和調(diào)整電壓參數(shù),以保證電池組的安全運(yùn)行和延長使用壽命。首先,電池端電壓,又稱工作電壓,指在電池正負(fù)極之間的電壓差。電池組端電壓主要受電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)和外部負(fù)載的影響,當(dāng)電池組處于放電狀態(tài)時,端電壓會逐漸降低,直至達(dá)到放電終止電壓;而在充電狀態(tài)下,端電壓則逐漸增加,直至達(dá)到浮充電壓。其次,開路電壓指電池在沒有外部負(fù)載下的電壓,主要取決于電池的化學(xué)成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。正常工作溫度下,開路電壓可作為電池的電量指示,即開路電壓越高,電量越充足。再次,浮充電壓指在電池組充電完成后,通過恒定電壓充電方式維持電量的電壓,旨在保持電池組的電量滿足需求,避免過度充電造成損壞。一般來說,浮充電壓略高于開路電壓,以保證電池組的穩(wěn)定工作。最后,放電終止電壓指電池組在放電過程中,停止放電時的電壓。放電終止電壓的設(shè)定與電池的類型和用途有關(guān),一般會根據(jù)電池的額定電壓和使用要求進(jìn)行合理設(shè)置,以避免過度放電造成損壞,是評估電池性能和壽命的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

監(jiān)測電池組的電壓可以幫助運(yùn)營人員及時發(fā)現(xiàn)電池組存在的問題,并采取必要的維修或更換措施,以保證可靠性和穩(wěn)定性。此外,電池組電壓監(jiān)測有助于預(yù)測電池組的壽命和性能,并實(shí)施合理的維護(hù)計劃,以延長使用壽命、降低維護(hù)成本,提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性。

3 變電站電池組電壓監(jiān)測

整組電池電壓監(jiān)測裝置問世已久,主要通過監(jiān)測電池組電壓確定電池運(yùn)行狀況,直觀觀察變電站直流電源系統(tǒng)的電壓,但電池組在變電站正常運(yùn)行期間處于浮充狀態(tài),電池組電壓變化并不明顯,即便其中某只電池出現(xiàn)問題,也無法及時發(fā)現(xiàn),可能造成潛在安全隱患。近年來,相關(guān)領(lǐng)域優(yōu)化了整組電池電壓監(jiān)測功能,裝置具備了監(jiān)測電池組溫度、電流、電壓,實(shí)時容量管理,以及充放電管理等功能,且能在電池放電期間電壓低于下限時發(fā)出警報,并基于環(huán)境溫度對電池組進(jìn)行溫度補(bǔ)償,及時調(diào)整電池組浮充電壓。雖然整組電池電壓監(jiān)測功能在先進(jìn)技術(shù)的支撐下日益豐富,但仍難發(fā)現(xiàn)因個別電池老化或單體電池一致性引起的積累效應(yīng),單只電池產(chǎn)生的信號會被電池組信號掩蓋,無法準(zhǔn)確篩選老化電池。

為解決上述問題,變電站運(yùn)維人員設(shè)計了電池組單體電池實(shí)時監(jiān)測方案。該方案實(shí)現(xiàn)了部分與整體信息數(shù)據(jù)的同步,與整組電池電壓監(jiān)測相比有所進(jìn)步,但實(shí)用時發(fā)現(xiàn),單體電池監(jiān)測預(yù)警性較差。雖然在電壓過低或過高時可及時發(fā)現(xiàn)早期失效電池,但有時電壓數(shù)據(jù)顯示正常,有些電池性能仍明顯降低。為此,相關(guān)科研機(jī)構(gòu)推出了電池組內(nèi)阻監(jiān)測和在線監(jiān)測系統(tǒng),能主動精確監(jiān)測電池內(nèi)部狀態(tài),實(shí)時獲取電池組變化數(shù)據(jù),提升了變電站電池組的穩(wěn)定性和可靠性。

例如,某變電站現(xiàn)場有2 組208 只12 V 電池,為維持變電站穩(wěn)定運(yùn)行,該電池長期運(yùn)行,其中可能存在老化電池,導(dǎo)致健康電池壽命急速下降,最終導(dǎo)致變電站電池組整體報廢。為此,可根據(jù)變電站電池組運(yùn)行需求確定對應(yīng)的組網(wǎng)方案,以YX-S121 電池參數(shù)傳感器為采集設(shè)備,在線采集變電站直流電源系統(tǒng)電池的電壓、內(nèi)阻、溫度、總電壓和充放電電流,實(shí)現(xiàn)電池均衡管理功能;以YX-SBUS-485 通信轉(zhuǎn)換裝置配合電池智能參數(shù)傳感器使用,將電池實(shí)時信息轉(zhuǎn)化發(fā)送到用戶局域網(wǎng)Web 瀏覽器,相關(guān)責(zé)任人能夠?qū)崟r掌握電池的健康狀態(tài),實(shí)現(xiàn)總體電池統(tǒng)一管理,維護(hù)電池電壓穩(wěn)定,為變電站安全、持續(xù)運(yùn)行提供保障。

4 變電站電池組的維護(hù)

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示,超過50%的VRLA 電池故障是由電池組維護(hù)不當(dāng)或電池組故障引起的。為確保變電站電池組在日常工作中發(fā)揮作用,要加強(qiáng)對電池組電壓的維護(hù)和管理。首先,變電站應(yīng)根據(jù)變電站負(fù)荷需求和備用時間要求選擇電池類型,綜合考慮變電站的負(fù)荷需求、備用時間要求和電池組壽命等因素,合理配置電池組,確保能夠滿足變電站的供電需求。其次,在電池投入使用前,需要進(jìn)行安裝檢查,檢查安裝地面的平整度、安裝固定件的牢固程度、連接線路的接觸性能等,確保電池組安裝正確、可靠;需要進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試,檢查電池組的電壓、電流、溫度等參數(shù)是否正常,調(diào)整保護(hù)參數(shù),確保電池組可正常工作;投入使用前,需要進(jìn)行試運(yùn)行,觀察電池組的放電情況和電池電壓變化情況,確保能夠正常供電。最后,變電站電池組日常工作期間,需要借助在線監(jiān)測系統(tǒng)等定期對電池組的溫度、電壓等進(jìn)行監(jiān)測,確保電池組在正常溫度范圍內(nèi)工作;若在線監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出警報,發(fā)現(xiàn)電池組溫度、電壓相關(guān)數(shù)據(jù)異常,應(yīng)及時檢查電池組的充放電情況,采取措施進(jìn)行處理;變電站運(yùn)維人員需要定期對電池組進(jìn)行充電,保持電量充足,充電時需控制電流和電壓,避免過充電;運(yùn)維管理人員需定期對電池組進(jìn)行清潔維護(hù),包括清理電池組表面的灰塵和污垢,檢查連接線路的接觸性能等,以及對電池組進(jìn)行放電測試,準(zhǔn)確評估性能和壽命,以便及時更新電池組個別老化電池,確保電池組性能。

5 結(jié)語

電池組在變電站中扮演著重要角色,用于提供備用電源,保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。為保證電池組正常運(yùn)行,需要對電壓進(jìn)行監(jiān)測與維護(hù)。隨著技術(shù)的更新與發(fā)展,變電站電池組電壓監(jiān)測系統(tǒng)不斷更新和完善,在線實(shí)時監(jiān)測成為當(dāng)前變電站電池組電壓監(jiān)測的主要方式,可實(shí)時監(jiān)測電池組的電壓、電流、溫度等,并將相關(guān)數(shù)據(jù)反饋到調(diào)度中心,還能及時發(fā)現(xiàn)電池組的電壓變化,在出現(xiàn)異常時發(fā)出報警,以便及時采取措施進(jìn)行維修或更換。為進(jìn)一步提升變電站運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性,運(yùn)維人員需定期對電池組進(jìn)行維護(hù)、充電和放電,檢查和補(bǔ)充電解液,清潔電池組的表面和連接器等,以提高電池組的使用壽命和可靠性,保證變電站的正常運(yùn)行。