纳米硅胶体蓄电池在变电站直流电源系统中的应用

2014-12-05韩志凌张胜宝

承德石油高等专科学校学报 2014年6期

韩志凌，张胜宝

(1.承德石油高等专科学校，河北承德 067000;2.河北省仪器仪表工程技术研究中心，河北承德 067000;3.深圳供电局有限公司，广东深圳 518001)

在传统变电站中，蓄电池是站用电源的核心设备，包括操作蓄电池组、通信蓄电池组、UPS蓄电池组等。它们为信号回路、控制回路、合闸回路、变电站综合自动化、站内应急照明提供动力电源，关系到变电站一、二次设备的安全稳定运行，可以说蓄电池是站用电源的心脏。铅酸蓄电池凭借其价格低廉、原材料易于获得、供电可靠性高、适用于大电流放电等优点，在变电站的直流电源系统中一直占有很大的比重。

目前，传统的铅酸蓄电池面临两个方面[1-2］的问题:一方面，现有的铅酸蓄电池由于其循环寿命较短、维护较难的问题，其主导地位正面临着锂电池、全钒液流电池[3］、燃料电池等新兴电池的冲击。另一方面，从2012年7月1日起，由工信部与环保部共同制定的《铅蓄电池行业准入条件》正式实施，由于铅酸电池废料的难以回收性，意味着铅酸蓄电池整个行业将面临巨大的挑战。

传统铅酸蓄电池要想继续在变电站用蓄电池中占有一席之地，必须要解决自身的问题，而纳米硅胶体蓄电池是一种新型的经过技术改进的铅酸蓄电池，在一定程度上解决了上述问题。

1 纳米硅胶体蓄电池材料及结构特点

目前，国内外采用纳米气相SiO2(Fumed SiO2，俗称白炭黑)制作胶体铅酸蓄电池，由于二氧化硅纯净度好、颗粒度易调整，因此，蓄电池的活性好，性能优良。纳米硅胶体蓄电池的材料与结构特点如下。

1.1 材料特点

1)蓄电池极板的活性物质中，添加了纳米级硅碳材料、稀土材料以及银、铋等材料;隔板采用碳素纤维材料;外壳采用ABS与PP材料复合技术[4］。

其效用在于:电解液不分层，提高了电池极板的利用率，蓄电池容量提高30%以上，使用寿命延长50% ～100%，蓄电池工作温度范围可达到－40℃ ～+55℃(一般蓄电池为－20℃ ～+40℃)。

2)蓄电池电解液主要由15～20 nm的德国原产气相二氧化硅为凝胶剂，添加有稳定剂、增能剂、络合剂等化学添加剂，其工艺为直接分散法制作。

其效用在于:蓄电池组的一致性较好，蓄电池单体电压偏差在20 mV之内(阀控铅酸蓄电池一般电压偏差在100 mV之内，一般胶体蓄电池的电压偏差超过100 mV)。

1.2 结构特点

在极柱上套有两个耐酸橡胶密封圈，密封圈内径小于极柱外径，实现紧密配合。其作用在于:下密封圈置于电池壳极柱下面，当电池内压增加时，密封圈越压越紧，上密封圈置于电池壳极柱上面，并加有一个塑料锁紧扣，以固定上密封圈，不会产生酸雾从极柱四周析出，防止极柱腐蚀断裂。

铜极柱采用预镀锡工艺及倒三角汇流排设计，解决蓄电池大电流充/放电时温升过高的弊端，进一步减小蓄电池内阻;采用双向预压缩技术，解决各单体内每片极板吸胶量完全相同的技术瓶颈，从根本上解决了蓄电池组一致性的问题;采用极群自动进槽、焊接、全自动电脑控制加巡检的化成设备及集中酸雾处理技术，从源头上改变了蓄电池厂绿色环保、无污染的生产工作。

新型纳米硅胶体蓄电材料结合阀控式结构，是针对传统的阀控式铅酸蓄电池的改善。有铅酸使用量少、无污染、零排放、高低温性能优秀、使用寿命长的特点，比较符合变电站直流电源系统的环保要求和苛刻环境下保障设备供电正常方面的要求。

2 纳米硅胶体蓄电池性能特点

通过不同厂家、型号的蓄电池运行特性试验，表1给出了目前使用较多及研究热门的蓄电池的特性。

经综合比较发现，

1)在能量比、循环次数方面，阀控式铅酸蓄电池并不占优势，但蓄电池组的一致性与可靠性较高;

2)锂电池的能量比、循环次数明显优于阀控式铅酸蓄电池，但由于锂电池中的锂元素非常活泼，导致锂电池的自放电过快，故蓄电池一致性上很难达到较高要求。其次，锂电池在可靠性方面中仍面临很多问题，如电池成组规模庞大，连接复杂;电池成组中单体数量庞大，不能出现过充过放的情况，否则会引起爆炸起火的危险。另外，经济性方面，锂电池的成本一直居高不下。

3)在铅酸蓄电池中掺杂纳米胶体活性添加剂而制成的纳米硅胶体蓄电池，随着纳米技术和高分子合成技术的进展，表面活性剂和硅、硼、钛、铝等聚合偶联剂综合合成技术的突破性进展，其循环寿命和能量比、一致性与可靠性都要优于锂电池;在环保方面也无回收压力。

表1 常见蓄电池主要特性

3 纳米硅胶体蓄电池在变电站直流电源系统中的应用

变电站的直流电源系统包括由硅整流器供电的直流电源系统和由蓄电池供电的直流系统两大类[5］。而由蓄电池供电的直流电源系统是一种与电力系统运行方式无关的独立电源系统，在变电站发生故障甚至交流电压完全消失的情况下仍能可靠工作，因此，具有较高的供电可靠性。传统的站用蓄电池由于运行维护工作量大、使用寿命较短、价格较贵，并需要许多辅助设备，限制了其适用范围。而纳米硅胶体蓄电池有效地改善了传统的阀控式铅酸蓄电池的缺点，更适合应用于变电站直流电源系统中。

3.1 纳米硅胶体蓄电池的工作温度范围宽

普通阀控型铅酸蓄电池最合理的工作温度是25℃，温度过高会导致蓄电池的极板腐蚀加剧、水分消耗过高，造成蓄电池寿命缩短[6］，因此，使用普通阀控型铅酸蓄电池时需要控制好电池室内的温度。纳米硅胶体蓄电池工作温度范围为－40℃ ～+55℃，对温度要求不高，无需安装空调进行温度调节，减少辅助设备投资，节约成本;同时电池对温度变化不敏感，温度变化对电池活性物质的影响不大，使电池的使用寿命得到进一步延长。

3.2 纳米硅胶体蓄电池的设备定检次数少

电池容量核对性检查的目的是检查蓄电池组的荷载量以及进行蓄电池活化。传统蓄电池要求每2～3年进行一次核容检查，投运六年后，每年进行一次核容检查。

纳米硅胶体蓄电池电解液中含有一种能有效溶解硫酸铅的络合剂，因此电池容量核对性检查的期限周期比较长。纳米硅胶体蓄电池投运五年后才需进行核容检查，以后每三年进行一次核容检查即可，同时每年进行一次短时放电监测，减少了设备的定检次数。

3.3 纳米硅胶体蓄电池的维护工作量小

当普通阀控铅酸蓄电池在放电深度超过20%、闲置时间超过三个月以上、长期全浮充时间超过三个月时，单体电池的电压和容量可能会出现不平衡现象，此时需要对电池进行均衡充电，以延长蓄电池的使用寿命。另外，为确保普通铅酸蓄电池良好的运行状态，需要经常检查蓄电池的端电压、连接处有无松动和腐蚀、壳体有无渗漏和变形，保持电池极柱的清洁并涂抹凡士林油等工作。

由于纳米硅胶体蓄电池的自放电率较低，作为备用蓄电池组，容量降低的速度非常缓慢，能减少备用蓄电池组的维护工作量，延长了蓄电池组的使用寿命。