基于阶梯式放电的蓄电池维护技术

王宏伟

（国网泉州供电公司，福建 泉州 362000）

直流电源是变电站的心脏，为变电站的控制、信号、动力设备提供电源，一旦直流电源出现问题，整个变电站都会失电甚至瘫痪。随着电网调度自动化系统的日趋完善，越来越多的变电站实现了无人值守，电网运行的许多重要数据都要求及时安全可靠的处理和存储，站内各种保护及自动装置的工作都需要可靠的直流电源。同时，直流电源还为断路器分合闸、通信、事故照明等提供动力[1]。而蓄电池组又是直流电源的最后一道屏障，在直流电源的交流输入停电的时候，只能依靠蓄电池组供电，因此蓄电池组的维护是直流维护中最重要的工作。

目前对蓄电池组的在线监测有多中手段，但主要集中在蓄电池电压的巡检上，通过实时监测蓄电池的电压来判断蓄电池组的健康状况，但因为蓄电池绝大部分时间是运行在浮充状态下，因此即使蓄电池已经出现了问题，也很难通过浮充电压监测出来[2]。核对性放电是监测蓄电池健康状态的最准确的方式，通过进行核对性放电实验能够使维护人员掌握每一节蓄电池的健康状况。但核对性放电却存在以下弊端，一是核对性放电工作量非常大，以目前各供电公司的维护人员很难保质保量的完成核对性放电工作，二是核对性放电要每隔一年甚至两年才能进行一次，测试间隔太长，这么长的间隔时间内很难保证蓄电池组不出现问题，因此核对性放电也不能完全保证蓄电池组的安全。而蓄电池内阻在线监测是蓄电池电压监测和核对性放电测试的有力补充，通过定时测量蓄电池的内阻预估蓄电池组的健康状况，已经成为很多维护人员必备的维护手段。

但只靠单一技术手段判断蓄电池组的健康状况，不能够全面的反应蓄电池组的健康状况，而将蓄电池电压监测、放电测试和内阻测试结合起来综合判断蓄电池组健康状况的基于阶梯式放电的蓄电池维护系统则更能够准确的在线监测蓄电池的健康状况，而且更节省人力物力。

1 基于阶梯式放电的蓄电池维护系统的组成

本系统主要由三方面组成（如图所示）：现场蓄电池监控终端装置、TCP/IP 网络数据传输、远程监控平台（数据接收、处理分析、故障报警、报表输出/打印）。

变电站蓄电池监控终端：主要包括控制单元、内阻单元、电压采集单元、放电负载、开关量采集模块、开关控制模块等组成。在线自动监测单体电池电压、电池内阻、电流、环境温度、开关状态并具有多种放电保护功能、故障报警功能及数据存储功能，支持远程核对性放电过程。

TCP/IP 网络数据传输系统：利用现有的变电站局域网光纤通讯网络，实现数据传输。

远程监控平台：实时接收各变电站蓄电池监控装置的数据，并对数据加以分析处理，保存到数据库中。提供IE 浏览功能，利用各种图表显示运行数据，提高实时性和准确性，以便及时维护和处理，保障蓄电池组的安全（系统组成如图1所示）。

图1 变电站蓄电池组监控系统构成示意图

2 蓄电池内阻在线测试

当前，运行维护人员对蓄电池的监测主要是监测蓄电池的电压，但因为蓄电池大部分情况是在浮充状态，因此电池巡检仪测得的只是蓄电池的浮充电压，这个参数对蓄电池性能的判断很有限。如图2所示（实际测试实例），3 号电池在浮充时测得的电压在正常范围，但测量其内阻发现远远偏离标准范围，做核对放电发现其容量已低于标称容量的80%。

图2 浮充电压、内阻柱状图

要对蓄电池性能进行评估最准确的方式是对蓄电池进行整组的核对性放电，即用0.1C[3]电流对蓄电池放电，同时监测单体电压的变化，在放电时间未到，而最先达到放电截止电压的电池即性能劣化的电池。这是一种验证电池性能最可靠的方法，通过这类测试可对电池系统进行 100%的全面检查，同时区分出电池或外部传导途径的各种问题。但做核对性放电费时费力，有些情况下无法做全容量核对性放电，如变电站在线运行的蓄电池只能做50%容量放电；并且核对性放电周期较长，一般一年做一次。

由于电池的内阻与它本身容量有着密切联系，因此，如果能够利用电池内阻这个参数来预测电池的性能，将能够大大节省对蓄电池性能的评估周期和费用。通过对大量的各种类型电池的测试表明，如果电池的内阻增至高于其基准值——即电池在最佳状态下的内阻值的30%～50%时，这个电池的容量将低于80%。内阻测试已成为核对性放电测试的替代手段。

内阻是衡量电池性能的一个重要技术指标，几乎所有影响电池性能的因素都导致了电池内阻变大。内阻是一个变化的参数，其值很小（如400AH的蓄电池内阻一般为0.4mΩ左右），目前，国内测量蓄电池内阻主要有交流法和直流法。

1）交流法。在测量时对蓄电池施加一个交流的测试信号，然后再测出相应的电压和电流阻抗的读数，V/I 会随频率而变化。采用交流方式的仪器存在着易受充电器纹波电流和其它噪声源干扰的问题。在电力变电站直流系统中，由于蓄电池组两端直接带负载，对电源质量特别是纹波要求很高，而交流法是需要对被测电池注入纹波电流，因此交流法测量内阻的方式会增加直流电源的纹波，使直流电源性能下降[4]。

2）直流法。直流法是直流瞬间放电测量内阻方法，是由蓄电池组瞬间向一个负载放电，通过负载接通时的瞬间电压降或断开负载时的瞬间电压恢复便可推导出相应的内阻。直流放电法又分为整组放电和分组放电法。一般的监测系统都采用整组放电法来测试，即通过对蓄电池的整组放电同时测得每个电池的压降来计算出其内阻。此法的最大缺点是：不能自动测量；安全性差及测量不准确；测量内阻时必须人到现场合空开。

整组法的内阻计算公式

式中，ΔV为检测到的断开负载时的电压差；I为放电电流[5]。

整组放电法原理如图3所示。

图3 整组放电法原理图

3）直流分组法。本项目采用了分时分组的在线测试技术，即在瞬间直流电流放电法测量内阻基础上，为了消除充电机对测量结果的影响，将整组蓄电池等分为若干小组，采用分时分段测量的原则，实现了自动远程在线测量，确保了测量结果的一致性和重复精度。

其工作原理是：将一组电池组分成多个循环组，每次测量内阻时先对第一个循环进行放电，结束后再对第二个循环进行放电，直至最后一个循环。分 组测试原理如图4所示。

图4 蓄电池内阻分组测试原理示意图

在放电的同时，系统高速采集每节电池的放电曲线，取得压降后测出每节电池的内阻。放电负载采用了恒流负载，确保电压变化时每次放电的电流不变。

内阻测试原理如图5所示。

图5 蓄电池内阻测试原理图

3 蓄电池组的远程充放电

目前对蓄电池组的充放电试验，只能依靠维护人员到现场工作，其工作量是相当大的。而目前状态检修技术和智能电网技术正在迅猛发展。蓄电池组的运行维护也必然要适应这一趋势，实现状态检修，并融入到智能电网的发展之中。因此，远程充放电是蓄电池组远程监控系统的一项重要功能。

本项目远程充放电接线如图6所示。

图6 两组蓄电池远程放电接线图

其工作原理如下。

每个母线联络开关、母线投切（母线进线）开关、充电开关、放电开关加装电动操作机构，这样就可以远程对开关的分合闸进行操作。远程控制智能放电仪进行放电，远程对充电装置进行调压及均充、浮充转换。

为了防止开关的误操作导致母线失电，开关带有闭锁装置，保证开关的操作顺序。远程开关控制的关键不是控制开关动作，而是保证远程控制开关的可靠性，做到不误动、不拒动并防止操作人员误操作及保护设备，保证母线不失电。为了防止操作人员误操作导致母线失电，项目组设计了开关闭锁电路，开关闭锁电路保证母线联络开关、1 号母线进线（母线投切）开关、2 号母线进线（母线投切）开关这3 个开关只能有1 个断开，1 号充电开关、2号充电开关这两个开关只能有1 个断开，1 号放电开关、2 号放电开关这两个开关只能有1 个闭合。在软件上，用户权限分级，只有拥有权限的用户才能进行开关控制操作，开关控制时，必须有两个用户会签才能进行。要进行开关控制操作，必须要有硬件加密锁才能进行。

放电过程有多重保护，确保充放电可靠进行。放电时间到、放电容量到、单体电压低、放电终止电压到、通信中断、温度过高、充放电过程顺序保护等，确保蓄电池不会由于过放损坏。

单组蓄电池远程充放电系统对直流电源接线图的改造如图7所示。

图7 单组蓄电池远程放电接线图

4 蓄电池健康状况的数据分析

近年来的研究表明，蓄电池的内阻与容量之间有较高的相关性，蓄电池完全放电和完全充电时，其内阻相差2～4 倍左右。随着蓄电池充电过程的进行，内阻逐渐减小；随着放电过程的进行，内阻逐渐增大。这个关系可用图8表示。

图8 蓄电池充放电内阻随电压变化的关系

另外随着蓄电池的老化，其内阻也逐渐增大，剩余容量也随之下降。这个关系可用图9表示。

图9 蓄电池老化与内阻变化的关系

由图8、图9可见，蓄电池老化过程中内阻的变化曲线跟蓄电池放电过程中内阻的变化曲线趋于一致，因此我们想到通过测试蓄电池放电过程中内阻的变化曲线来判断蓄电池的健康状况。大量的实验也证明了这一点。

首先测量蓄电池浮充状态下的内阻R0，对蓄电池组放电1h 后停止放电，测量蓄电池放电1h 后的内阻R1，再对蓄电池组放电1 小时后停止放电，测量蓄电池放电2h 后的内阻R2。最多对蓄电池组放电10h。

计算蓄电池内阻变化率公式：I=Rn/Rn-1；蓄电池内阻变化率：It=I1+R2+…+Rn。

每一次放电之后计算蓄电池内阻变化率，如果变化率超过了30%，那么该节蓄电池就需要进行维护，如果变化率超过了50%，那么该节电池就需要更换了。

我们随机选取一组蓄电池进行验证，该组蓄电池放电曲线如图10 所示。

将蓄电池浮充时的内阻值、每隔1h 的内阻值记录下来，画出柱状如图11 所示。

从图11 可以看出，第1 节电池变化率最大，第5 节电池内阻变化率较大，其他的电池内阻基本没 有变化，因此可以判定，第1 节电池需要更换，第5 节电池需要维护。经过核对性放电的验证，也证明了这一点。

图10 阶梯式放电曲线

图11 放电过程中内阻值柱状图

5 结论

本文总结了蓄电池监测的几种常用方法，包括 核对性放电、蓄电池内阻在线监测，提出了一种新型的、综合性的蓄电池健康状况评估方法，将蓄电池短时放电和蓄电池内阻测试结合在一起来判断蓄电池的健康状况，使维护人员不必经过繁琐的核对性放电就能判断蓄电池的健康状况，而又比单纯的使用蓄电池电压和内阻判断更准确，确保了直流系统的安全性和可靠性。

[1] 杨冰波.免维护蓄电池在运行中的维护方法[J].山西电力,2006(5): 69-70.

[2] 李树靖，林凌，李刚.蓄电池在线智能监测仪的设计[J].工业仪表与自动化,2003(6): 22-23.

[3] 杨昌武，王斌，王洪俭，等.改进的变电站蓄电池内阻测量方法的研究与系统设计[J].三峡大学学报（自然科学版）,2007,29(3): 211-214.

[4] 顾宁伦.VRLA 电池的使用与维护[J].电信技术,2005(6): 51-53.

[5] 黄海宏，王海欣，吴黎丽，等.二次放电在线检测蓄电池内阻[J].电力系统自动化,2007,31(15): 89-93.