变电站直流系统蓄电池运行与维护

廖 勇 张济东

（国家电网重庆市公司 检修分公司，中国 重庆400039）

0 引言

蓄电池在变电站直流系统的储能原件，是系统可靠运行的核心部件，为电力系统中二次系统负载提供安全、稳定、可靠的电力保障，确保保护设备、通信设备、自动化设备的正常运行。 因此，蓄电池的维护也一直是直流系统维护工作的重点和难点。蓄电池则是直流系统的最后一道防线，它是整个系统运行可靠性赖以依存的最后环节，同时也是可靠性最薄弱的环节。 有的蓄电池长期未进行过容量检测，一旦需要蓄电池供电，而被迫投入运行，往往因容量已比额定值大大下降，使蓄电池可供电时间过短，造成系统故障。因此，如何能及时地掌握电池的实际性能，采取什么方法解决好电池的维护、延长电池寿命的问题，是我们运维专业人员最关心的问题。我们就蓄电池的日常维护和蓄电池常见故障分析处理两个方面进行交流。

1 蓄电池的特点与工作原理

阀控式密封铅酸电池，习惯上简称免维护电池，在我国推广应用已有10 多年了，由于其具有体积小、重量轻、自放电小、寿命长、节省投资、安装简便、安全可靠、使用方便、维护工作量少，不溢酸雾、对环境无腐蚀、无污染等优良特性，并可实现无人值守和微机集中监控的现代化管理方式，在电力系统中大量使用。 生产厂家从一开始便把阀控式铅酸蓄电池称为免维护电池， 承诺该电池的使用寿命为10～20年。

按铅酸蓄电池中电解液存在的方式，可分为开口式(富液)和阀控式(贫液)两种。阀控式铅酸蓄电池的工作原理是气体再化合，即正极产生的氧气，通过蓄电池隔板中的孔隙(或胶体的裂缝)与负极活物质和稀硫酸进行反应，再化合成水，同时使负极板的一部分处于放电状态，从而抑制氢气的产生。只要正极板氧气的产生速度不超过负极板对氧气的吸收速度，电池中不会有多余气体产生，电池中的水也不会损失，就可实现密封。蓄电池使用过程中，总有少量的气体不能被再化合，为防止电池内部压力过大，在电池盖上安装单向阀，排除电池内部多余的气体，这就是所谓的阀控。

免维护电池的工作原理，基本上仍沿袭传统的铅酸蓄电池，它的正极活性物质是二氧化铅(PbO2)，负极活性物质是海绵状金属铅(Pb)，电解液是稀硫酸(H2SO4)，其电极反应方程式如下：

正极：PbO2+HSO4-+3H++2e-⇌PbSO4+2H2O

负极：Pb+HSO4-⇌PbSO4+3H++2e-

整个电池反应方程式：Pb+PbO2+2H++2HSO4-⇌2PbSO4+2H2O，即：

PbO2+2H2SO4+Pb⇌PbSO4+2H2O+PbSO4

（+） （-） （+） （-）

普通的铅酸电池在充电过程中，正极析出氧气，负极析出氢气。

正极：2H2O⇌O2+4H++4e-

负极：2H++2e⇌H2

而免维护电池在结构、材料上作了重要的改进，正极板采用铅钙合金或铅镉合金、低锑合金，负极板采用铅钙合金，隔板采用超细玻纤隔板，并使用紧装配和贫液设计工艺技术，整个电池反应密封在塑料电池壳内，出气孔上加上单向的安全阀。这种电池结构中，由于阀控式密封铅酸电池采用无锑的铅钙合金，提高了负极析氢过电位，从而抑制氢气的析出；同时，采用特制安全阀使电池保持一定的内压，采用超细玻璃纤维隔板，利用阴极吸收技术，通过贫液式设计，在正负极之间、隔板之中预留气体通道。因此在规定充电电压下进行充电时，正极析出的氧（O2），可通过隔板通道传送到负极板表面，还原为水（H2O），其反应式如下：

正极上：2H2O⇌O2+4H++4e-

负极上：O2+2Pb⇌2PbO

PbO+H2SO4⇌PbSO4+H2O

即电池在充电时，正极板产生的氧气又复合为H2O，重新回到系统中，实现电池内部氧的循环复合。 而负极亦因生成PbSO4而使极化电位降低,从而达到负极不析氢，同时电池在充电过程中负极生成的PbSO4被重新还原成海绵状铅，因而阀控式密封铅酸电池可以实现密封，无需添加水。这就是免维护电池特有的内部氧循环反应机理，在这种理想情下，在电池的充电过程，电解液中的水几乎不损失，因此在电池的使用过程中可达到不需要加水的目的。

2 影响阀控式铅酸蓄电池电池寿命的关键因素

在实际应用中，导致铅酸蓄电池失效和损坏的主要原因就是硫化和失水。

2.1 环境温度

过高的环境工作温度是导致密封免维护电池使用寿命缩短的重要原因。 环境温度超过25℃时，温度每增加10℃，就会导致电池的实际使用寿命缩短一半。

2.2 深度放电

电池放电深度越深，其循环使用次数就越少，按厂家的数据，当电池放电深度为100%时，电池实际使用寿命约为200～250 次充放电循环；放电深度为50%时，电池实际使用寿命约为500～600 次充放电循环。

2.3 长期处于浮充状态

蓄电池(组)长期处于浮充状态，天长日久，电极将被厚厚的氧化膜所覆盖，造成电池的阳极极板钝化，电池的内阻急剧增大，电池的实用容量大大低于其标称容量。

2.4 过高的充电电压

充电电压过高对正常的电池来说， 将不可避免造成电池的失水、电解液的干枯。 最终结果就是电池的失效。

3 蓄电池的日常维护——蓄电池的“温饱运动”

阀控式密封铅酸蓄电池的主要优点是在充电时在正极板上产生的氧气，通过隔离栅板到负极，在负极上与铅、硫酸进行化学反应还原成水，使用时在规定浮充寿命期内不必加水维护，所以俗称免维护蓄电池。可见，免维护只是与普通蓄电池相比，运行中免去了添加纯水或蒸馏水、调整电解液液面的项目，并非免去一切维护工作。蓄电池的维护工作可以概括为四个字——“温饱运动”。

3.1 “温”即温度问题

蓄电池是一种对温度极为敏感的装置，电池容量会随着温度的变化而改变。 蓄电池的标准环境温度范围是20℃-30℃，一般取25℃为最佳。 温度越高，放电能力也越强，容量会有一定的增加。 例如温度从25℃升高到35℃时，容量将上升到额定容量的105%左右，温度如继续上升，容量的增加会很缓慢，最终容量将不会继续增加。但是当温度超过25℃以后，每增加10℃，电池的电化学寿命也将随之缩减一半。 并且，过高温度充电容易导致热失控，使电池变形、鼓包、失效。而温度降低时，则电池活性减弱，放电能力降低，电池容量将减少。 实际研究发现，当温度从25℃下降到0℃时，容量将下降到额定容量的80%左右；当电池温度从25℃下降到-10℃时，只能放出额定容量的50%左右。

所以，维持电池房合适的温度，对延长电池寿命，确保系统安全可靠性具有重要意义，我们主要是要防止电池房高温。

3.2 “饱”即充电问题

大多数电池损坏与不能及时充电有着很大关系。 市电中断后，电池不断放电，电量放完后不能及时充电，导致极板结晶而活性物不能还原，使电池受损，若过放电则会造成电池不可修复的损坏。因此及时对电池充电非常重要。 选择正确的浮充电压、均充电压、充电电流、充电周期是蓄电池能否“吃饱吃好”的关键。

3.2.1 关于充电电压

充电有浮充、均充之分。蓄电池平时处于浮充状态，在交流停电后电池容量下降至设定值或电池组里有落后电池时,需要对电池组均衡充电。选择特定的的浮充电压和均充电压是为了使电池在最好的状态下运行。浮充电压过高，电池的浮充电流随之增大，加快板栅的腐蚀速度，降低电池使用寿命；浮充电压过低，电池不能维持充足电的状态，引起硫酸盐化，降低电池容量，也会减少电池使用寿命。均充电压比浮充电压高，因此要控制均充时间，不能长时间均充。

在25℃时，一般选择电池的单体浮充电压为2.25v，单体均充电压为2.35v。充电电压还需要随环境温度进行调整，浮充时温度补偿系数为－3mv/℃/只，均充时为－5mv/℃/只。

3.2.2 关于充电电流

除充电电压参数外， 充电电流也是一个影响电池性能的重要参数。阀控式铅酸蓄电池的充电电流应采取严格限制，合理的建议是：充电采用相对小电流充电，尽量避免大电流充电，大电流充电容易使得生成气体堵塞氧气通道，导致板栅腐蚀，极板变形，电池失效。 小电流则有利于氧的再化合反应进行，提高氧的还原率。 所以在开关电源上要对充电电流、充电限流值进行正确设置（充电电流：0.1-0.15C10A，最大充电限流值：0.25C10A）。

3.2.3 开关电源容量

除了设置正确的充电电压、充电电流外，若开关电源容量不够，蓄电池同样“吃不饱”。开关电源要给负载供电，而且要给蓄电池充电，因此开关电源的容量至少要大于负载电流与蓄电池均充电流之和(均充电流以蓄电池组容量的10%估算)。 否则，开关电源需扩容。 在平常使用时，若新增用电设备，开关电源容量一定要同步增加，以免蓄电池欠充电甚至放电现象的发生。

3.3 “运动”即放电

在运维规程中， 明确规定了蓄电池的核对放电和容量试验要求，但是，实际上，很多电池没有实施放电。对于电池来说，越不放电，就越不能掌握它的实际容量， 也就越不能把握机房供电的安全可靠性，而且时间越长，心里就越没有底。

我们对于电池的放电不能简单的理解，不能仅停留于一个放电检测的问题，核对放电的重要意义还在于它是一种有效地维护手段。 长期处于浮充状态的铅酸蓄电池由于长期浮充电，电池硫化加深，通过适当的放电、充电循环，可以有效去除硫化，达到提升电池性能和容量的目的。

大量的研究、试验表明，长期处于浮充状态的电池，进行一次深度放电后，容量一般都能提高5%-15%左右，有的还更高。 由此可见，为了确保机房后备系统的安全可靠性， 必须对电池进行定期核对性放电。

但在放电时，一定要注意设置好放电下限电压（最低1.80v）和放电电流（小电流放电：硫化物结晶体难以恢复，大电流放电：容易造成极板软化，）并及时充电，另外，为保证电池的使用寿命，每次放电的深度不能太大，最好不要超过80%。

以上提到的一些需要设置的数值，由于蓄电池的种类不同，其结构、配液比例等也有差异，大家应根据各种蓄电池的说明书的要求进行。

蓄电池的日常维护除了“温饱运动”外，还有其它一些工作，如外观检查、清扫除污、连接条检查、单体端电压测量等等。

4 蓄电池常见故障分析及应对措施

4.1 全组蓄电池浮充状态下蓄电池端电压差大于行业标准（±50mv）

蓄电池一般用品牌相同、出厂时间相同、容量相同的48 只蓄电池组成两组，每组24 只与整流模块输出端、通信负载并联在一起使用。浮充状态下通信电源系统电压依据蓄电池制造厂给出的浮充电压（2.23V/只——2.27V/只）范围进行设定，一般设定在54V（2.25V/只），结合整流系统对电池电压的温度调节系数，决定不同温度下电源浮充状态下蓄电池组端电压的具体值。 在蓄电池刚投入使用的几年内，全组蓄电池中浮充的端电压差基本小于行业标准（±50mv），蓄电池使用几年后就出现了超标现象，并且使用的时间越长这种现象越明显。 造成全组中蓄电池浮充的端电压差超标主要有以下原因:

4.1.1 建设时就埋下了隐患

在建设变电站时，由于工程时间紧、任务重，有时一次购买的蓄电池不能够满足多个站点的使用，就造成某些站的电源系统使用两个批次生产出来的蓄电池，或电源系统的两组蓄电池由两个品牌的产品组成。由于不同品牌蓄电池制造工艺不同、极板配方不同、自身内阻不同等因素，随着使用时间的延长就会产生浮充状态下蓄电池电压差超标的问题。 由于这种原因造成的超标很难通过后天的维护来消除。

因此，建设新的变电站时，蓄电池组的组成一定要使用同品牌、同批次生产的、同容量的蓄电池，即使是同品牌、同容量也要避免使用不同批次生产的出来的蓄电池进行配组，更不能使用不同品牌或新旧蓄电池进行配组。 对于已经使用不同品牌组成的蓄电池组，只能加强巡视，多关注蓄电池的运行状况，尤其是电压过高、过低的蓄电池的质量状况，通过对蓄电池的容量放电来判断实际容量的大小，从而决定更换时间，避免由于维护人员未能及时发现蓄电池故障造成事故发生。

4.1.2 蓄电池极柱与连接条之间的连接出现问题

在蓄电池连接成组的过程中， 由于蓄电池极柱处涂抹的凡士林（或黄油）可能未处理干净，使得连接条与蓄电池极柱间接触不良，导致接触电阻较大，造成这只蓄电池浮充电压较高。 由于一组蓄电池总电压是固定的，有电压较高的蓄电池存在，必然引起有些蓄电池的电压较低。电压高、低的蓄电池长期混合使用，就会产生有的蓄电池充电不足、有的蓄电池过充电的现象，进而表现出电压差超标。这就需要维护人员在每月进行蓄电池端电压测量时，及时发现电压高、低的蓄电池，在确保安全的前提下，擦干蓄电池极柱处涂抹的凡士林（或黄油），拧紧固定连接条的螺丝，消除接触不良的故障，然后通过对全组蓄电池小容量放电、充电的几个循环处理，来改善端电压差超标的状况。

4.1.3 由于蓄电池自身质量问题

组成直流系统的两组蓄电池，即使是同品牌、同批次、同容量、同时投入使用，也会由于制造的差异使得内阻不一致、气体复合不能完全相同，随着使用时间的延长，这些细小的差异会逐渐放大，最后表现出浮充状态下蓄电池端电压差超标。 对于这种情况，除了严格按照蓄电池厂家推荐的浮充电压值对通信电源系统进行设置外，还要注意观察蓄电池电压的每月变化情况，尽早发现问题，及时对端电池超标的蓄电池进行单只充、放电整治，调整蓄电池温度补偿系数，精确蓄电池端电压管理，避免蓄电池过充电、过放电的事件发生，尽可能延缓这种现象出现的时间，从而延长蓄电池的使用寿命。

4.2 爬酸及极柱受腐蚀现象

在由24 只蓄电池组成的一组蓄电池中， 常常发现有些蓄电池使用时间并不长，但出现了爬酸现象，有的出现在蓄电池的盖与壳体的连接处，有的出现在极柱与盖的连接处，有的出现在蓄电池的阀体与盖的连接处；一些运行了3 年以上蓄电池的极柱受腐蚀现象也时有发生。对于通信电源的维护人员而言，处理极柱受腐蚀要容易一些，只要彻底清理被腐蚀极柱的表面，拧紧固定连接条的螺丝（但用力不能过大，以免螺丝易溢扣），再涂抹上一些凡士林即可。

对于爬酸问题，如果是蓄电池盖与壳体、极柱与盖、阀体与盖之间的热封或胶封不严、开裂，或是由于极柱与密封胶的粘接处受到腐蚀等原因出现漏液，维护人员很难自行解决，通常是对爬酸电池进行更换。因此，这类故障就要靠维护人员认真执行蓄电池维护计表，及早发现问题，及时解决。

值得注意的是，有些蓄电池阀体处爬酸，可能是由于蓄电池生产时灌酸过多，开阀后气体将液体带出来造成。若是这样，就应及时将每次带出来的液体擦干净，随着蓄电池使用时间的延长，开阀后带出来的液体越来越少，最后这种现象就会消失，所以，这只是一种假爬酸现象。

4.3 漏液现象

为了与蓄电池的爬酸有所区别，将蓄电池盖以下的壳体四周漏液以及壳体底部漏液定义为蓄电池漏液。 这种现象虽然不常见，但也有所发生。 目前蓄电池外壳一般采用ABS 和PP 两种材料，虽然ABS 材料的强度较好，但也会因为材料本身的原因、电池搬运磕碰的原因、安装时基座坚硬物体损伤蓄电池底部等原因造成漏液。发现漏液蓄电池必须及早采取措施，如果壳体四周有轻微漏液可以采取与壳体材料相同的材料进行粘补，然后将此电池四周紧箍起来，如果壳体四周漏液较多或壳体底部漏液，必须及早更换，否则漏液蓄电池有效极板面积就会下降，容量也随之下降、内阻也会增加，进而影响整组中其它蓄电池的质量，整组蓄电池的容量也要降低。

4.4 壳体膨胀鼓肚现象

通信用蓄电池的壳体膨胀鼓肚是比较常见的现象。在整组蓄电池中，如果存在端电压正常的轻微膨胀蓄电池，只要多观察、多测量，关注其端电压的每月变化情况、壳体膨胀程度的变化情况，只要没有较多的变化，就是正常现象。

但如果蓄电池壳体膨胀有明显鼓肚现象，必须查明原因。因为蓄电池安全阀开阀压力在10—49kpa 之间，当蓄电池内压力高于开阀压力时，阀门自动打开排气，泄放蓄电池壳内压力至开阀压力以下后自动关闭，这样使蓄电池内保持一定的压力，有利于氧气在负极的复合，也防止蓄电池内水分的较多损失。

如果有些蓄电池的开阀压力过高，就不能及时泄放壳内压力必然造成蓄电池的鼓肚。 如果蓄电池生产企业选用的壳体厚度太薄，即使开阀压力在行业标准规定的范围内，也会出现蓄电池鼓肚现象。 发生热失控的蓄电池也会出现鼓肚现象。

对于鼓肚的蓄电池，必须进行全面的质量鉴定，测量其端电压、进行小容量的放电后采用浮充电压进行恒压补充电，观察鼓肚的变化情况，如果没有减轻，就应立即对鼓肚的蓄电池进行更换。由于热失控造成鼓肚的蓄电池，是无法修复的，只能进行更换。

4.5 热失控故障

蓄电池的热失控问题也必须引起警惕，因为蓄电池一旦出现热失控，就意味着全组报废，不但造成经济损失，更容易引发系统事故发生，所以，必须加强对蓄电池的维护，避免热失控故障的发生。

蓄电池热失控一般是因为安装得过于紧密，蓄电池壳体之间没有散热间隙，当充电电流较大时，蓄电池内部的热量不能够及时通过壳体散发出来，随着热量的不断积累，壳内温度越来越高，充电电流也会逐渐加大，形成热量不断升高的正反馈现象，最终使得蓄电池壳体变形、有的壳体与极柱连接处部分熔化，整组蓄电池全部报废。

热失控经常发生在夏季环境温度较高时，因此，在蓄电池安装时必须严格按照生产企业规定的安装方式， 保持适当的蓄电池间距，预留充足的散热空间，同时杜绝过充电、过放电的现象发生，对于蓄电池运行的环境温度采取必要的控制措施， 使蓄电池始终运行在30℃以内。

4.6 蓄电池容量下降过快，使用期过短

蓄电池正常浮充使用的寿命应为8 年左右，一些蓄电池运行了没几年，其容量就已经小于额定容量的80%了，这就等于蓄电池的寿命缩短了。 造成这样的结果原因很多，有的是因为蓄电池本身的质量问题；有的是因为在安装配组时没有使用同一批次的产品造成的；有的是因为新旧蓄电池混合使用造成的；有的是维护不当造成的，如过充电、过放电、放电后不及时补充电、浮充电压过高（低）、蓄电池运行的环境温度太高等原因。

对于由于蓄电池本身质量原因造成的蓄电池寿命过短、容量下降过快问题，只能与生产企业协商通过更换有问题的电池来解决；上述其他原因引起蓄电池寿命过短、容量下降较快的问题，可以通过日常维护来改善蓄电池质量状况。

从蓄电池内部化学反应的原理分析，蓄电池容量下降过快的主要原因是极板的不可逆硫酸盐化。而造成电池硫化的基本原因是长期处于充电不足， 充电不足主要原因是开关电源容量不足和充电电压太低，而充电电压低的原因有设置不正确、开关电源电压表显示偏高、充电电压不调整（蓄电池的浮充电压，应根据电池的保有容量做适当调整。 在交流市电经常停电的地区、对容量较低的旧电池都应适度提高浮充电压，以利于保持较高的保有容量水平）等原因。 因此，要经常检查开关电源容量是否能满足蓄电池充电，经常用可信的表测量浮充电压，对交流市电经常停电的地区、对容量较低的旧电池都应适度提高浮充电压。

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