配网10 kV开关站用阀控式铅酸蓄电池的监测新思路＊

2017-10-10吴艺时亨通彭岳云

科技与创新 2017年19期

关键词：内阻蓄电池容量

吴艺，时亨通，彭岳云

（1.深圳供电局有限公司福田供电局，广东深圳518000；2.深圳市锦祥自动化有限公司，广东深圳518000）

配网10 kV开关站用阀控式铅酸蓄电池的监测新思路＊

吴艺1，时亨通1，彭岳云2

（1.深圳供电局有限公司福田供电局，广东深圳518000；2.深圳市锦祥自动化有限公司，广东深圳518000）

配网10 kV开关站备用蓄电池作为后备电源，在配网自动化设备终端应用发挥着重要的作用，在实际应用中的配电自动化现场终端对电池的管理和检测仅对蓄电池的电压电流进行简单测量，而多数配电自动化终端设备安装在户外，工作环境恶劣，尤其是在冬夏要经受严酷的考验，严重影响了蓄电池的使用寿命。所以，蓄电池故障成为可配电自动化终端的常见问题。提出了实时在线监测管理的新思路，实现了对配电自动化终端蓄电池健康状态的远程实时监测，为配网蓄电池管理和预防事故提供了参考。

自动化设备终端；阀控密封铅酸蓄电池；内阻；在线监测

1 技术背景

配网自动化终端设备是整个配网自动化系统的底层设备，具有柱上开关、环网开关、箱式变、配电变压器、开闭所、配电室等各种现场信息的采集处理及监控功能。为了确保配网自动化终端设备的安全、稳定、可靠运行，工作电源都需具备蓄电池作为后备电源，以满足终端设备、操作机构、通信装置的用电需求。作为后备电源的蓄电池，其运行环境对其使用寿命（容量）和电压特性有着较大的影响，这是因为蓄电池在低温下的化学活性降低，电池内阻增加，温度下降会导致容量减少，蓄电池使用寿命缩短；蓄电池在较高的温度下，电池内阻降低，放电电压容量和能量通常也在增加，但此时化学活性的增加过快会导致净容量的损失，蓄电池使用寿命缩短。所以，对配电自动化终端蓄电池在线管理的技术方法进行研究具有重要意义，以实现对蓄电池的电压、内阻以及蓄电池运行温度的准确测量，达到智能化判断监测电池健康状态、远程化科学管理的目的。

2 配电自动化终端蓄电池管理现状

2.1 配电自动化终端蓄电池现有使用模式

配电自动化终端蓄电池根据电源要求，一般配有2节或4节12 V阀控式铅酸蓄电池，具有后备UPS电源功能，一旦交流电源中断，则能自动切换到蓄电池供电方式，为开关操作机构、通信设备提供直流电源，供电时间不短于12 h。

2.2 蓄电池的电压监测管理及其不充分性

在配电自动化终端，蓄电池全天候处于户外使用状态，尤其是中国大部地区都具有冬天温度低、夏天温度高的特点。在这种环境中，现有的系统提出了电源应具备蓄电池智能充放电功能的要求，但配电自动化终端蓄电池的管理工作只对电压管理，未对其性能状态进行监控，阀控式铅酸蓄电池端电压与放电能力的相关性不强，电压正常的电池蓄电池内阻和容量不一定合格，所以，通过电池端电压无法判断蓄电池的健康状态。因此，蓄电池电压管理对蓄电池的性能判断存在不充分性，不能有效、准确地反映电池的容量状态。

3 在线监测管理的必要性

3.1 实时监控，提高维护效率

便携式仪器都需要人工测试完成，数据统计需要维护人员进行大量日常测试。但由于配网开关站数量多、分布广，要想实时了解所有蓄电池的健康状况，则工作量非常大。实时在线监控系统由人力日常测试、维护转变到了全自动智能维护和监控管理，可实时掌握蓄电池运行中的各项参数（电压、电流、温度），及时查找落后单体，使蓄电池正常运行，减少了维护人员的工作量，提高了维护人员的工作效率。

3.2 提高维护效果，有效减少维护盲区

通信蓄电池分布范围广，有些变电站、机房、基站在非常偏远的区域，一般情况下一年做一次深度放电，一个季度做一次内阻测试，但这期间，蓄电池各个单体的变化是很大的，有些蓄电池容量进退化区会突然下降。应用蓄电池在线智能监控系统后，可以轻松解决偏远地区蓄电池的维护和管理问题，从定期维护提升到全天候的监测、有针对性的维护，消除了维护中的盲点时间，提高了系统的可靠性。

3.3 延长蓄电池寿命，节约投资

使用在线智能监控系统以后，可实时监控蓄电池的各项运行参数，及时调整参数，排除故障，使每个蓄电池组时刻运行在最佳状态，可以有效延长蓄电池的运行寿命。

4 铅酸蓄电池的数学模型

蓄电池的电化学测试手段出现于20世纪70年代，在此基础上，发展出把电池作为由传统电子元件——电阻电容构成的电路系统的概念，见图1.电阻R是指蓄电池内部的欧姆降，这是由电流通过电解质、接触电阻等引起的。Rct和Cd是用来表示电荷在内部界面间的传递，Rct表示电荷传递电阻中的法拉第电阻部分，电池的电化学反应的难易程度可通过改变Rct实现；Cd是假设电容，用于表示物质的限制。这些参数的变化可以体现放电过程中理想电池V0的变化。

5 铅酸蓄电池的失效机理

铅酸蓄电池模型中包含以下反应：

正极：PbO2+HSO4-+3H++2e-→PbSO4+2H2O.

负极：Pb+HSO4-→PbSO4+H-+2e-.

在反应过程中，在每个电极上都遵循物质守恒的规律，但反应产物（比如PbSO4）的体积远大于反应物，导致充放电过程电极孔隙率出现变化，图2是整个电极厚度上的孔隙率分布图。

图2 整个电极厚度上的孔隙率分布图

从图2中可以看出，铅酸蓄电池在放电过程中，整个电极厚度上孔隙率分布随时间的变化而变化，这是由PbSO4引起的，PbSO4会造成电极表面阻塞，使电池内反应速率不均衡，直接限制了整个电极体积内电极与电解质的接触，从而造成内部电阻Rct增加，容量开始衰减。

由此可见，蓄电池的失效模式可能引发性能恶化，且这种失效是不可逆的。

6 蓄电池在线监测新技术

6.1 内阻测试方法

蓄电池内阻能准确地反映电池的健康状态，各标准中都明确了蓄电池内阻测试方法二次放电法，尤其是IEC 60896-21—2004明确定义了直流内部电阻。所谓“二次放电法”，是通过瞬间控制2个不同放电电流，同时测量蓄电池端电压的变化，然后计算内阻的大小。蓄电池内阻测试如图3所示。所以，建议蓄电池的内阻测量采用瞬间放电原理的测试法检测。在放电过程中，短时间快速控制等电流放电（方波），同步检测来自蓄电池本身能量层的蓄电池电压的响应，从而测量内阻。该测量方法的优点是可以以更低的成本实现蓄电池内阻的精确测量，线路的谐波对其测量过程影响小。经过大量测试，测量的内阻准确性和重复性比较好。此外，相比交流注入法，能直接地反映蓄电池的内阻大小。具体如图4所示。