浅析蓄电池在线监测系统与测试方法

2014-06-23杨桥伟徐赛梅袁愿

云南电力技术 2014年1期

杨桥伟，徐赛梅，袁愿

(1.云南电网公司楚雄供电局，云南楚雄 675000;2.厦门红相电力设备股份有限公司，福建厦门 361001)

1 前言

蓄电池是电力系统的后备电源，使用数量较多，但由于使用方法不当或未进行及时、有效的维护，将会导致蓄电池组中的个别蓄电池过放电导致提前失效。当这些提前失效的蓄电池在后备电源带负荷投运时，将会严重影响到整个电池组的工作效率以及放电容量，甚至可能导致整个电力系统的崩溃。因此，为了保证在电力系统出现意外状况时，用电设备依然能够有序、安全、可靠地运行，避免因个别蓄电池的失效或过放电而带来的经济损失与社会影响，对蓄电池进行实时在线监控以及故障诊断成为保障直流系统正常运行的重要内容［1］。

2 蓄电池在线监测技术

目前，全国范围内的变电站所使用的蓄电池型号和容量都不尽相同，但大部分为阀控式铅酸蓄电池。一般情况下，供电企业110 kV和35 kV变电站的蓄电池均在300 Ah以下，配置1组，其中大部分单体蓄电池电压为2 V或12 V，安装在蓄电池屏内，要实现定期的核对充放电试验较难完成。220 kV和500 kV变电站的蓄电池一般为2组，单体蓄电池电压为2 V，安装在蓄电池室内。同样难以有效的对每节蓄电池实施性能检查。

目前，各变电站基本上都缺乏有效的在线监测手段，即使有些变电站已安装监控系统，其功能也都较为简单，起不到应有的监控作用。从各变电站的使用情况看，多数阀控式铅酸蓄电池没有进行必要的维护。由于对这些所谓的“免维护”电池在认识方面的一些误解，运行人员对阀控式铅酸蓄电池性能的好坏以及蓄电池的容量大小等数据无法掌控，日常维护工作中存在的问题对电力系统的稳定运行构成了潜在的巨大威胁。

目前，对电力系统中的蓄电池常用的检测方法分为单体电池的电压测量和定期的核对性放电试验两种，但正常工作时的电池端电压并不能准确地反应电池的真实性能状况，即使性能不好的电池在浮充状态下的电压也可能是完全合格的，一旦交流电源退出运行，蓄电池就可能无法满足在事故状态下的要求，导致事故范围扩大。由于蓄电池容量和电池内阻有很大的相关性，通常情况下，蓄电池的容量越大，内阻便越小，故可通过测量蓄电池内阻来对电池容量进行评估。

目前，先进的蓄电池在线监测系统主要通过实时测量变电站中蓄电池组的单体电池的温度、电压、内阻以及充放电电流，实时监测蓄电池组运行的参数，并通过通信网络将这些信息全部上传至监控中心，实现对蓄电池信息的实时采集、预警和管理，及时、有效的对蓄电池组的故障进行诊断及处理。

3 蓄电池在线监测技术现状

目前，阀控式铅酸蓄电池的监测问题逐渐受到关注，特别是在电力系统、移动通信系统中对蓄电池的在线监测技术有了更高的要求，以便使系统的安全性、可靠性得到保障。

为提高系统的可靠性，蓄电池在线监测应从三个方面来考虑:首先，在线监测可以使蓄电池的正常运行得到保证，如对蓄电池的欠充与过充状态能够给出警告或提示;其次，可以发现即将失效的蓄电池，如蓄电池短路、容量下降等问题，及时提供预警信息;第三，利用在线监测功能对蓄电池进行就地维护，如对异常蓄电池进行定期核对性放电、活化处理等措施，检修人员不用携带多种工具就能解决相关问题，降低劳动强度。

蓄电池的网络化管理就是将几个区域的蓄电池在线监测系统通过光纤通信介质组网，建立起远程实时监控网络，如图1，对蓄电池各项信息进行智能监控，使检修、运行人员和决策管理层都能通过局域网上的终端浏览器实现对蓄电池的运行状况及变化趋势实现监控，在面临事故时及时维护处理。同时，也为直流系统的状态检修提供参考依据，实现科学化管理，保障系统的可靠性、安全性［1］［2］。

图1 蓄电池在线监测系统的网络化管理

4 蓄电池监测技术的方法

由上述介绍可知，蓄电池的电压值并不能直观地反映出其实际性能，目前较为先进的蓄电池在线监测系统大多数以蓄电池内阻值作为蓄电池性能的主要判断参数，该技术的主要理论依据是:随着电池性能的不断劣化，电池的自身内阻值将出现变化很大的拐点;同时，其充放电曲线的电压、电流、容量等参数的差值也将逐步变大。

目前，蓄电池在线监测技术主要基于核对性放电、直流内阻测试、交流内阻测试及其他方法。

4.1 直流内阻测试法

直流内阻测试法是指短时间内对蓄电池进行大电流放电，测量放电过程中蓄电池两端的电压跌落和恢复，计算出蓄电池的内阻值。该方法的优点为抗干扰能力强、放电电流大，如图2为直流内阻测试法原理框图［3］。同时，该方法也存在一定的缺陷，主要表现为:

1)大电流放电会在一定程度上损伤蓄电池。由于放电电流较大，为40～70 A之间，往往比蓄电池的标称放电电流要大很多，多次频繁测试有可能降低蓄电池的运行特性。

2)使供电系统的安全性受到影响。首先，内阻测试时蓄电池组内各节蓄电池按照一定顺序分别进行瞬时放电，如果测试设备出现问题，就会使影响整组蓄电池的性能。如果测试过程中一旦出现停电事件，就会影响到备用电源的保护与投切。此外，过大的放电电流也可能干扰继电保护装置，使其产生误动作。

3)测量蓄电池内阻时采用的直流放电法会在电池内部发生极化现象，产生极化内阻，使内阻的测量值误差变得较大。

4)可能使内阻测量的重复性变差。从本质上来看，蓄电池可以看作是一个大电容，在测量回路中也存在着电感和电容，因此，在放电的整个过程中，电路产生的暂态效应非常的明显，尤其是在开始和结束的时候。这将使其在不同时刻的采样值的大小差别变化很大，使内阻测量的重复性变差。

图2 直流内阻测试法原理框图

4.2 交流内阻测试法

交流内阻测试法的原理是:将电池等效于一个有源电阻的，在电池上施加一个固定电流和固定频率 (目前一般使用的是50 mA，1 kHz)，对电压进行采样，经过处理后测量蓄电池内阻。交流内阻测试法的时间极短，一般只有100毫秒。

其优点是:交流内阻测试法不受极化的内阻影响，可测量所有电池，甚至是小容量电池，同时对电池无损害，可进行频繁地在线测量。但缺点在于:该方法注入的交流电流较小，容易受到充电机交流纹波的干扰，产生较大的误差，对蓄电池内阻测量值有一定的影响。同时，在正常工作状态下，蓄电池处于充满状态。若此时对蓄电池注入电流，就有可能产生蓄电池的过充，对蓄电池造成损伤。虽然注入电流很小，时间很短，但仍然存在着过充的风险。

4.3 核对性放电法

核对性放电法综合了直流内阻测试法和交流内阻测试法的优点。其原理是通过功率放大电路对被测蓄电池接入一个低频交流信号，同时利用被测蓄电池对功率放大电路供电，使蓄电池以特定的交流方式进行放电。用同步放大电路对蓄电池在给定频率下的内阻进行测量，得到蓄电池在线内阻［4］。其放电电流大于交流注入法而小于直流放电法。主要优点有:抗干扰性强，由于其对充电机纹波不敏感，在在线检测中非常适用;测量精度高，其测量在几秒钟内就可以达到几十甚至几百次，使精度大大提高;重复性好，测量数据稳定;因为使用的测量电流都是小电流 (2～5A)，从而使其对供电主回路的影响得以避免，也不会损伤蓄电池;同时，由于采用的是放电测量法，不会导致蓄电池过充。