羅 璐 羅海云

（昆明鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院）

0 引言

智能閥控式鉛酸蓄電池因其安全穩(wěn)定、占地小、免加液等優(yōu)點(diǎn)被變電站廣泛的作為應(yīng)急備用電源應(yīng)用于直流系統(tǒng)中。但對(duì)蓄電池組運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)研究表明，由于設(shè)備自身的質(zhì)量問題和運(yùn)維不及時(shí)、不全面，大部分國產(chǎn)蓄電池在運(yùn)行5-7 年就會(huì)出現(xiàn)缺陷，存在開路風(fēng)險(xiǎn)［1］。

隨著我國電網(wǎng)系統(tǒng)的快速發(fā)展完善，變電站數(shù)量以及相應(yīng)的蓄電池組配置的快速增長，由于變電站基本都實(shí)現(xiàn)無人值守，直流系統(tǒng)為變電站內(nèi)的一次設(shè)備、繼電保護(hù)、信號(hào)傳送、自動(dòng)安全保護(hù)裝置提供電源，所以直流電源應(yīng)具有高度的可靠性和穩(wěn)定性，因此如何及時(shí)維護(hù)蓄電池組已成為電力系統(tǒng)的棘手問題。

直流電源系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備根據(jù)運(yùn)行維護(hù)規(guī)范，需要定期維護(hù)，而隨著變電站數(shù)量的增加和人員的調(diào)整，近年來變電站直流電源系統(tǒng)維護(hù)的工作壓力逐年增大，改變現(xiàn)有維護(hù)模式，改變直流蓄電池組缺陷處理方式，提高運(yùn)維效率成為近年來探索的焦點(diǎn)。

1 現(xiàn)狀分析

變電站內(nèi)蓄電池電源是確保設(shè)備正常運(yùn)行的最后直流電源，一套完整的蓄電池使用壽命，會(huì)受到環(huán)境、溫度、浮充電壓等因素的影響，蓄電池長期通過充電機(jī)掛在直流系統(tǒng)上運(yùn)行，其中單只蓄電池容易出現(xiàn)內(nèi)阻過大、端電壓降低或內(nèi)阻過大等異常，也可能所在運(yùn)行環(huán)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(tǒng)中脫離出來進(jìn)行更換。如果有備用電池組，則系統(tǒng)可以并列運(yùn)行的，直接將故障電池組退出進(jìn)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(duì)直流系統(tǒng)也較為危險(xiǎn)。目前通常的做法是：一、待停電檢修時(shí)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(tǒng)二級(jí)管進(jìn)行跨接［2］。

變電站直流電源系統(tǒng)的蓄電池組是由多個(gè)額定電壓為2V左右的電池串聯(lián)運(yùn)行的，當(dāng)其中任意某節(jié)電池發(fā)生開路及故障時(shí)，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(shè)備提供直流電源，從而導(dǎo)致設(shè)備失電，控制回路失控，電力系統(tǒng)中發(fā)生過多次直流系統(tǒng)停電引起的事故，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

目前，對(duì)變電站蓄電池組的運(yùn)行維護(hù)主要通過試驗(yàn)儀器測(cè)量蓄電池的端電壓、內(nèi)阻、溫度等參數(shù)進(jìn)行分析判斷電池能否正常運(yùn)行，常規(guī)的定期對(duì)蓄電池組的維護(hù)檢查非常耗時(shí)耗力，對(duì)于檢查周期內(nèi)發(fā)生的電池開路及故障不能及時(shí)的發(fā)現(xiàn)，特別是單個(gè)蓄電池開路時(shí)，蓄電池組無法繼續(xù)為負(fù)載提供工作電流的問題，導(dǎo)致直流系統(tǒng)停電，大大降低了變電站運(yùn)行的穩(wěn)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(tǒng)，一旦發(fā)生某一個(gè)單體電池開路故障將造成整體蓄電池組失壓，會(huì)導(dǎo)致保護(hù)拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。并且日常運(yùn)行過程中易因?yàn)閱喂?jié)電池電壓虧損影響整組蓄電池，甚至拖垮該組蓄電池導(dǎo)致直流系統(tǒng)崩潰［3］。

本文主要研發(fā)一種蓄電池開路續(xù)流裝置，當(dāng)變電站蓄電池組在一個(gè)和數(shù)個(gè)蓄電池在運(yùn)行中發(fā)生開路故障時(shí)，能夠確保蓄電池組進(jìn)行可靠供電。在蓄電池組正常工作時(shí)，續(xù)流裝置不產(chǎn)生作用，一旦發(fā)生開路故障，不會(huì)產(chǎn)生時(shí)間延遲，即自行導(dǎo)通。改善蓄電池可能出現(xiàn)的硫化現(xiàn)象，使蓄電池恢復(fù)到正常浮充電狀態(tài)。

2 本文提出的方法

目前國內(nèi)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(guān)或切換把手，然后把備用電池組并到充電機(jī)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(yán)重影響直流系統(tǒng)運(yùn)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(xù)流裝置內(nèi)部原理圖

蓄電池的開路自動(dòng)續(xù)流技術(shù)在變電站直流系統(tǒng)維護(hù)中的應(yīng)用：當(dāng)蓄電池組開路續(xù)流裝置在出現(xiàn)開路故障時(shí)，可通過能量轉(zhuǎn)移將容量較高的蓄電池電量轉(zhuǎn)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(shí)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(shí)間；在蓄電池出現(xiàn)開路保障時(shí)，能夠保障直流電源繼續(xù)工作，提高直流系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)而提高變電站的安全可靠性。

3 開路續(xù)流裝置技術(shù)特征

在變電站蓄電池維護(hù)中，很難發(fā)現(xiàn)單一蓄電池開路故障，一旦直流系統(tǒng)出現(xiàn)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(jìn)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(fēng)險(xiǎn)，而且在工作過程中為保證安全，更換工作在技術(shù)和管理上都較為復(fù)雜，而本文的變電站蓄電池組開路續(xù)流裝置為簡單的電池更換提供了技術(shù)支持。

1）安裝了開路續(xù)流裝置的電池組不需要退出運(yùn)行中的故障蓄電池組，通過檢測(cè)可無延時(shí)自動(dòng)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(shí)現(xiàn)單人電池更換作業(yè)。

3）實(shí)現(xiàn)大電流、大余量跨接電流設(shè)計(jì)，滿足持續(xù)工作100A、峰值工作300A電流時(shí)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(shí)用。

5）跨接裝置內(nèi)部的電壓降＜0.7V，基本不會(huì)對(duì)蓄電池組電壓產(chǎn)生影響。

6）跨接裝置設(shè)計(jì)動(dòng)作報(bào)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(hù)。

表1 蓄電池組開路續(xù)流裝置技術(shù)參數(shù)表

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證

測(cè)試按照技術(shù)參數(shù)列表進(jìn)行條件限定，參照下圖2所示的接線原理進(jìn)行接線，嚴(yán)禁跨接裝置輸出線與蓄電池的正負(fù)電源接反。

圖2 蓄電池組開路續(xù)流裝置跨接示意圖

分以下幾種情況進(jìn)行測(cè)試：

1.在蓄電池室內(nèi)，給每只蓄電池跨接一個(gè)開路續(xù)流裝置，正常運(yùn)行的情況下有監(jiān)測(cè)作用，不影響直流系統(tǒng)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(xù)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(xù)流裝置，蓄電池停止工作，無電源向外輸出，驗(yàn)證了該裝置能自動(dòng)檢測(cè)開路故障蓄電池，并實(shí)現(xiàn)電流跨接，確保電池組能夠?qū)ν獬掷m(xù)供電，大幅度的提升了直流電源系統(tǒng)的安全可靠性。

3.在有蓄電池組開路續(xù)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(tǒng)開關(guān)，根據(jù)續(xù)流裝置跨接動(dòng)作指示燈找到故障蓄電池并在線跟換，過程中直流系統(tǒng)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(xù)流裝置測(cè)試結(jié)果表

5 成果應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

該研究成果應(yīng)用于變電站直流電源的維護(hù)，其對(duì)目前蓄電池組的維護(hù)現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)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(xù)流裝置，根據(jù)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(yùn)行中的蓄電池組，可以在線更換單一劣化蓄電池，模塊會(huì)自動(dòng)檢測(cè)到失效電池，并實(shí)現(xiàn)超低功耗的大電流跨接，確保電池組能夠?qū)ν獬掷m(xù)供電，大幅提升直流電源系統(tǒng)的安全可靠性。

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

（3）本裝置結(jié)構(gòu)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(hù)。

（4）本裝置元件少，無軟件邏輯判定，裝置動(dòng)作反應(yīng)快，可實(shí)現(xiàn)無延時(shí)跨接續(xù)流。本裝置能在個(gè)別蓄電池容量虧損（或電池開路）的情況時(shí)，在蓄電池兩端增加大功率二極管回路，能夠?qū)⑷萘枯^高的蓄電池的容量通過電量轉(zhuǎn)移的技術(shù)轉(zhuǎn)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(shí)間，保障直流電源的有效供給，提高直流系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)而提高變電站的安全可靠性，可廣泛運(yùn)用于變電站直流系統(tǒng)。

6 結(jié)束語

本論文基于傳統(tǒng)直流系統(tǒng)維護(hù)技術(shù)的研究，針對(duì)蓄電池組開路故障研發(fā)出一種可以自動(dòng)跨接、保障直流電源有效供給的裝置，能夠確保蓄電池組進(jìn)行可靠供電，該裝置要求結(jié)構(gòu)簡單，安裝實(shí)施便捷，可靠性高，預(yù)期應(yīng)用和推廣成果較優(yōu)。