变电站通信电源蓄电池维护若干问题浅析

2013-05-11邓成兰

通信电源技术 2013年2期

常荣，邓成兰

（1.云南电网公司玉溪供电局，云南玉溪653100；2.云南电网公司昆明供电局，云南昆明650011）

1 电力通信直流电源系统概述

在电力通信系统中，通信设备采用－48 V直流电源。电力通信直流电源系统中蓄电池为阀控式密封铅酸蓄电池（简称VRLA），充电装置采用高频开关电源。正常情况下，蓄电池组以浮充电方式运行（连续浮充），即将充足电的蓄电池与高频开关电源并联运行（图1）。高频开关电源除了给通信设备供电，同时，还以小电流向蓄电池组浮充，以补偿蓄电池自放电的损耗，使蓄电池处于充满电的状态。但交流失电时，全部直流负荷由蓄电池供电。如果蓄电池的性能不满足要求，将导致电力通信系统的中断，从而威胁到电网安全运行。大量的研究和运行经验［1－4］表明：蓄电池长期处于只充电，不放电的工作状态，会造成蓄电池阳极极板钝化，导致蓄电池内阻增大，蓄电池可用容量远低于其标称容量，从而导致蓄电池提供的实际后备供电时间减少。一旦交流失电，蓄电池组只能向负载提供极短的供电时间。因此，对于长期处于“浮充”状态的蓄电池，应定期进行充放电试验，保持蓄电池长期活性。

此外，充电方式、环境温度、老化等因素都会对蓄电池的容量造成影响，使蓄电池组的实际容量比其标称额定容量小［5］。对蓄电池定期进行充放电试验，可以准确掌握蓄电池可供使用的容量，发现蓄电池容量衰减引起的后备供电时间缩短，消除隐患。从这两个方面来说，定期对蓄电池进行充放电试验，是电力通信运行维护中一项重要的工作，但在实际的运行维护中也存在着一些误区。

图1 电力通信直流电源系统

2 核对性放电试验和全核对性放电试验

为了规范通信电源的管理，提高通信电源的维护水平，《南方电网通信电源技术规范》［6］中对蓄电池的定期充放电做了如下的规定：新安装或大修后的阀控蓄电池组，应进行全核对性放电试验，以后每隔2～3年进行一次核对性试验，运行6年以后的阀控蓄电池，应每年作一次核对性放电试验。《南方电网通信电源技术规范》中没有对全核对性放电试验和核对性试验的区别进行详细的说明。然而，对这两个概念是否理解，会影响到对蓄电池进行定期充放电的方法。

目前，玉溪供电局对蓄电池的定期充放电一般按每3年／2年／1年一次的规程周期进行，一般采用3 h率放电，放出额定容量的70%～80%，实际上，这是全核对性放电试验而不是核对性放电试验。核对性放电试验一般放出额定容量的30%～40%（10 h率）［7］。因此，应理解全核对性放电试验和核对性试验这两个概念的区别，科学地对蓄电池进行定期充放电，避免频繁地对蓄电池进行全核对性放电试验，这不仅造成了人力物力等资源的浪费，而且也会缩短了蓄电池使用寿命。

3 蓄电池的放电方法

无论是全核对性放电试验，还是核对性试验，其本质都是对蓄电池进行定期充放电，目的是为了活化蓄电池和测量蓄电池的容量。因此维护人员有必要了解蓄电池方法的原理及优缺点，这将有助于提高蓄电池的运行维护水平。目前，常用的蓄电池的放电方法有离线式、在线评估式、全在线放电三种方法［7］。

3.1 离线式放电法

离线式放电法是将其中一组电池脱离系统，加以负载箱放电的方式。目前玉溪供电局对蓄电池放电时，均采用该方法。而且大多数维护人员认为，这是一种安全可靠的放电方式，其原因是假如交流失电，另外一组电池还能继续给设备供电。在进行该项作业风险分析时，认为最大的风险点在于若操作不慎，会造成电池两极短路，导致电池损坏，烫伤作业人员。事实上，这种放电方式事故风险是比较高的，主要表现在：一旦市电中断或整流模块故障，系统备用电池供电时间明显缩短，而此时尚不清楚另一组在线电池是否存在质量问题，如果该组电池存在质量问题，将造成设备失电，导致通信的中断。在目前玉溪供电局蓄电池放电作业风险分析书中没有充分考虑到该风险，缺少相应的控制措施，因此有必要进一步完善玉溪供电局蓄电池充放电作业风险分析书，对该风险制定控制措施，提供该风险的预控能力。此外，从节能降耗的角度来说，该方法是通过假负载以热量的形式消耗电池存储的电能，造成电能的浪费，同时造成室内温度升高，增加空调负担，不利于节能。

3.2 在线评估式放电法

在线评估式放电法是以实际负荷对蓄电池进行放电的方式。通过调整流模块输出电压至保护低压值（如－46 V），使所有后备电池组直接对实际的负荷进行放电至整流模块输出电压保护设置值。但目前玉溪供电局所属的二级电网通信网负载较小，采用该放电方法，存在这样的问题：

负载较小，导致放电时间较长，对于实际负载的放电时间掌握比较困难；

放电深度有限，评估电池容量难以准确，对保持电池组活性这一放电测试目的难以达到维护预期工作效果。

采用这种方法放电时，两蓄电池组之间放电电流不均衡。各组蓄电池将根据自身情况自然分摊系统的负荷电流来放电，落后电池，内阻大，分摊电流小；而健康的电池组，内阻低，分摊电流大，造成某些落后电池因放电电流过小而无法查出，达不到测量蓄电池真实容量的目的。

这种放电方法也存在着风险。如果两组电池都有失容或欠容、落后等质量问题，在其放电至整流模块输出保护值的时间内，不易被维护人员及时发现，此时可能后备电池容量所剩无几，存在风险。在线评估式放电方法，只能大概评估电池组的性能，或检测此电池组可以放电至此保护电压的时间长短，而无法检测出蓄电池的最长放电时间。但与离线式放电法相比，该方法蓄电池储能被负载利用，是一种节约能源的放电方法。

3.3 全在线放电技术

前面介绍的两种蓄电池放电方法各有特点，又各有弊端。离线放电方法虽然可以达到蓄电池容量测试的目的，但是工作量大，风险高，浪费能源；而在线评估式放电方法虽然工作量较小，节约能源，但达不到蓄电池容量测试的目的，存在安全隐患。全在线放电技术是一种全新的、科学的容量测试技术，在确保电池放电容量测试达到预期的维护质量检测效果的同时，操作简单安全，工作效率高，达到安全节能维护效果。全在线放电技术通过在被测电池组的正极串联电池组全在线放电设备，使被测电池组所在支路的电压略高出整流模块输出或另一组电池的电压，这样能使该电池组对实际负荷进行放电。在放电过程中，随着放电时间的延长，蓄电池组电压将逐渐下降，此时，全在线放电设备对蓄电池组电压自动补偿调整，使被测电池组以恒流或恒定功率的方式进行放电。通过设定蓄电池组放电终止电压、时间、容量、单体电压阀值，完成放电测试，实现该电池组在线放电测试目的和预期维护效果［10］。

被测蓄电池组完成放电测试后，全在线放电设备将自动进入充电程序，自动调整整流模块的输出，等电位控制保护电路以限流方式对被测蓄电池组进行充电，充电结束后，全在线放电测试设备自动退出服务，实现蓄电池组全在线放电、充电恢复等电位正常连接全过程。另一组电池以同样的方式进行在线放电容量测试。这里需要特别指出的是，为了确保电池放电测试的安全性，电池组全在线放电设备在串联接入电池组正极时需要采用无缝连接方式。表1比较了这三种放电方法的特点。

4 蓄电池的充电方式

在电力通信电源中，对蓄电池的充电方式主要有浮充和均衡充电两种方式，理解这两种不同充电方式的特点和要求，对延长蓄电池的使用寿命是很有益处的。

表1 蓄电池放电技术比较

4.1 浮充

蓄电池和其它直流电源并联供电，称为浮充，浮充可分为半浮充和全浮充两种方式［11］。当负荷较大时进行浮充供电，而负荷较小时由蓄电池组单独供电的工作方式，称为半浮充工作方式，或称定期浮充工作方式。若无论负荷较大或较小均由电源线路与蓄电池组并联浮充供电，则称为全浮充工作方式，或称连续浮充工作方式。电力通信系统中均采用全浮充。

浮充电压的高低会直接影响到蓄电池的使用寿命。持续过高的浮充电压会造成浮充电流增大而使蓄电池过充，加速蓄电池水份蒸发，缩短蓄电池使用寿命，最坏的情况可能导致电解液干涸而损坏蓄电池；持续过低的浮充电压会造成浮充电流减小而使蓄电池欠充，导致电解液导电率下降，内阻增大，两极活性物质中不能复原的硫酸盐增加，使蓄电池容量下降。因此，浮充电压和浮充电流的选择对蓄电池的使用寿命，对直流系统的安全可靠运行都具有十分重要的作用。文献［12，13］对阀控式铅酸蓄电池浮充电运行问题进行了探讨。文献［14］在分析目前铅酸蓄电池浮充电运行中存在的极板氧化问题，提出在充电周期中，通过加入短暂的逆变放电，且使逆变放电的时间和次数可控、可调，来改善浮充电运行中的极板氧化问题。

4.2 均衡充电

为补偿蓄电池在使用过程中产生的电压不均衡现象，使蓄电池组中所有单体电池的电压达到均衡一致而进行的充电，以及大容量放电后的补充充电，称为均衡充电，简称均充［11］。合适的均充电压和均充频率是提高蓄电池使用寿命的基础。均充时，通常采用恒压限流的方式。充电电压的设置也要根据电池的结构特点和环境温度来确定。《南方电网通信电源技术规范》［6］给出了环境温度25℃时，蓄电池浮充和均充电压取值见表2。

表2 浮充电压和均充电压

5 重视放电数据的分析

目前玉溪供电局对蓄电池放电试验中，采用设置放电时间及蓄电池单体终止电压来检测是否存在落后电池。在放电的过程中，通过放电时间和蓄电池单体终止电压来判断是否终止放电。也就是说，蓄电池单体电压先达到终止电压，则停止放电，否则继续放电，直到放电时间到。这是一种检测落后蓄电池简单而有效的方法。如果蓄电池在放电过程中放电时间先达到，蓄电池单体终止电压未到时，就认为蓄电池全部合格，而不会进一步去分析蓄电池组的实际容量是多少。但对蓄电池进行定期核对性放电试验其目的之一是测量蓄电池的实际容量，如果不重视蓄电池定检数据分析，就达不到蓄电池放电的目的。

蓄电池在一定放电条件下所能给出的总电量称为蓄电池的容量，常用C表示［15］。由于蓄电池的端电压是一个变量，为更准确地表示蓄电池的电源特性，实际工作中一般用安时（Ah）来表征蓄电池的容量，其值为恒定电流与时间的乘积，可用公式（1）定义如下：

文献［16－20］对VRLA蓄电池容量计算方法进行了研究，但总体可以归纳为两类。一类是研究VRLA内部的电化学反应，分析蓄电池容量的隔板、正负极板等材料属性及电池内部结构，计算蓄电池容量。另一类研究则通过测量蓄电池的工作电压、电流、温度等参数，总结出一定规律和算法，来计算蓄电池容量。由于外部参数比较容易测量到，而且这些参数与电池的剩余电量之间也是有一定规律性，目前大多数研究者采用该方法计算蓄电池容量。因此，对蓄电池进行放电试验，测量蓄电池工作电压、电流、温度等参数来计算蓄电池的容量是目前最可靠的方法之一［17］，其原理如图2所示。