一种适用于发电厂直流系统蓄电池组的在线监控技术

曾梓伦

（广西西江开发投资集团有限公司 广西南宁 530023）

一种适用于发电厂直流系统蓄电池组的在线监控技术

曾梓伦

（广西西江开发投资集团有限公司 广西南宁 530023）

针对蓄电池组监控不足、电池健康状况无法评估所带来的可靠性问题，分析蓄电池组自动在线容量监控原理，设计蓄电池组在线监控装置，实时监控蓄电池组的运行状况并提供蓄电池性能监测数据。实验数据及效果表明，该方法能够解决蓄电池性能的在线实时监控，能够对蓄电池提供比较全面的性能参数，对蓄电池组的运行维护有极大帮助。

蓄电池组；直流系统；放电曲线；在线监控

引言

广西某水力发电站，属于河床式发电站，直流系统在水电站中承担的负荷极为重要，它提供为确保全厂控制、信号、继电保护、自动装置、事故照明等的不间断供电，为操作回路提供操作电源，因此直流系统运行是否稳定、供电是否可靠，对发电站机组的稳定运行及闸门的可靠调度至关重要。

蓄电池组是直流系统重要的组成部分，直流系统针对其监控不足、电池健康状况无法评估而所带来的直流系统可靠性问题，本文设计对蓄电池组进行在线容量监控装置，实时监控蓄电池组的运行状况，并能够对蓄电池提供比较全面的性能参数，对蓄电池组的运行维护有极大帮助。

1 蓄电池组自动在线容量监控原理

蓄电池组的在线监控及蓄电池失效预期检测，是一个很复杂的电化学测量问题。由于发电厂的蓄电池长期工作比较特殊的环境及存在极化电压，使得它们的状态处于过、欠充电，不仅会使其寿命大大缩短，而且会危及到直流系统的稳定。另外，由于蓄电池的应用环境、使用材料、结构工艺及电化学反应等不同，到目前为止，对蓄电池性能的方法过于复杂，而不能快速判定。本文研究了一种蓄电池组自动在线容量监控装置并应用于发电厂直流系统中，试验不同类型蓄电池得到其放电曲线，通过分析上述放电曲线得出以下结论：①对于同一类型蓄电池，其放电曲线基本一致；②蓄电池内阻主要用于反映其性能差异，从放电曲线可获得动态的内阻，为使放电曲线具有较为明显的下跌，需让蓄电池通过较大的放电电流；③对于同一蓄电池，其放电曲线会随着其运行时间和充电次数的增加而发生明显变化，主要用于评估蓄电池性能和寿命。

上述较为全面地分析蓄电池的放电曲线，同时结合应用环境及现场条件，初步采用检测原理如下：

首先需在线监控装置的程序包括蓄电池典型放电曲线，然后通过实时检测蓄电池的放电曲线，最后比较并匹配二者曲线，分析蓄电池的性能，并打印输出。

为消除蓄电池的极化电压，在线监控装置依靠瞬间大电流脉冲放电来完成，由此实时其放电曲线，并完成其内阻计算。为蓄电池的性能进行判断，需由在线监控装置通过与前一次放电曲线结果进行比较分析。内阻计算公式为：

内阻=（蓄电池电动势-蓄电池电压）/放电电流 （1）

内阻与容量、电解液比重和电能消耗等因素有关。内阻与容量成反比，内阻越大，容量越小。与电解液比重也成反比，电解液比重越小，内阻越大。放电过程中，放电时，电阻随着电能的消耗越大而逐渐增加，充电时，内阻随着电能的增加而逐渐减小。蓄电池的内部电阻等效电路，如图1所示。

图1蓄电池内部电阻等效电路

图1 中，Cd是蓄电池电极的双电层电容，Zd是蓄电池由电极浓差极化而引起的阻抗，Rr为两极电化学反应的电阻，RΩ为蓄电池的欧姆内部电阻。

设定恒流放电电流和放电时间，对蓄电池进行核对性容量测试。先需设定一放电终止电压，对蓄电池进行放电并启动计时，当其电压低于设定的终止电压时，在线监控装置将自动停止放电并停止计时，由放电电流和放电时间就可以计算出蓄电池组的容量，其表示式为：

蓄电池组容量=放电电流×放电时间 （2）

通过以上原理及方法，在线监控装置完成对蓄电池电流高速采样，实时分析计算，并比较判断与在线监控装置内部ROM设定的蓄电池失效模式曲线，由此得到该蓄电池性能运行情况报告。

2 监控装置的设计及接线

蓄电池组自动在线容量监控装置由软、硬件两部分组成。硬件部分主要包括充放电、测量、控制等模块，其中，控制模块采用采用16位单片机，测量模块采用12位A/D采样芯片，并配有微型打印机。软件部分主要由放电、监控、显示、采样、比较、报警等模块组成。在线监控装置的整个程序由实时完成蓄电池电压的采样、比较、报警、记录、输入及显示等扫描任务。主程序流程如图2所示。

图2 检测装置软件流程图

在现场施工过程中，根据我们水电厂的直流电源的接线方式，并结合该装置主要进行核对性放电检测的原理，对我们水电厂直流电源按照如下方案进行改进设计，实现了蓄电池组容量的在线监控，进而使我们水电厂直流电源的安全稳定得到有效地改善，现场接线框图如3所示。

图3 监控装置现场接线图

在图3接线方式下，我们把容量自动监控装置直接接入充电机的正、负极输出端，取消了原先接线图的外加二极管，可实现充电机与蓄电池组间的电气隔离，从而保证蓄电池组放电数据及其它采样数据的准确性，且接线方式简单，外加较少设备，既能保证蓄电池组安全稳定运行，同时可以节省投资成本。

该装置可根据实际运行情况自行设定任意放电的间隔，实际运行中实时记录放电情况及曲线，与装置ROM中蓄电池正常放电曲线进行比较，并输出并打印曲线供我们水电厂运维班组人员进行判断，从而确定单个蓄电池或整个蓄电池组容量是否异常。按照设定间隔定期放电，先断开充电机回路（这是充电机处于暂时空载运行状态），然后合上放电电阻回路，该装置可监视对蓄电池组放电的全过程，放电时间结束后，整个直流电源重新恢复到原先正常运行方式，断开放电电阻回路，合上充电机回路，并打印出对比曲线。

蓄电池容量监控装置性能测试结果：①能在电池容量不足的情况下自动报警；②能在单节电池电压、容量异常的情况下自动报警；③能按照程序设定的时间和放电电流自动进行；④蓄电池容量自动监控装置能自动打印报表。

3 蓄电池组改造后运行效果

本文设计容量自动监控装置并加装于蓄电池组，经过一段运行时间后，我们水电厂运维人员发现蓄电池组运行状况呈现了明显的好转，尤其蓄电池长期得不到定期放电而造成其极板硫化等问题得到解决。监控装置可按照设定间隔进行放电，定期监视蓄电池组的运行状况，同时“活化”蓄电池的极板，有效使蓄电池的性能和寿命得到提高。图4为改进后其中某一组蓄电池的测试结果。

图4 蓄电池电压和比重变化趋势图

从图4测试数据可以看出：监控装置加装于蓄电池组，有效地使蓄电池运行状况得到提高，缩小各蓄电池电压差别，且蓄电池组的极板硫化现象几乎消失，同时也使蓄电池的使用寿命得到提升，该技术及装置具有较大的安全效益和经济效益。

4 结语

本文对蓄电池组容量在线监控装置监控技术进行设计和研究应用，采用比较不同放电曲线的原理，依靠现场实践经验结果作为判据，在目前阶段可以基本确认蓄电池的性能和容量，可以提供蓄电池的运行状况的准确数据，为蓄电池组的现场正确使用和维护提供了科学依据，对提高蓄电池的使用寿命和提高直流系统的安全可靠性有重要的意义，解决了电厂直流系统中蓄电池组的不完善对直流系统安全、稳定运行造成的隐患。

[1]陈 杰.智能铅酸蓄电池组性能的监控系统[J].机电工程，1999，6（6）：18～19.

[2]吕力行，何石鱼.蓄电池检测装置在电厂的应用[J].浙江电力，1999，4（4）：46～47.

[3]彭宣戈.16位单片机原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

TM645

A

1004-7344（2016）11-0052-02

2016-4-3

曾梓伦（1984-），男，助理工程师，本科，主要从事发电厂设备运行维护工作。