110 kV 变电站蓄电池维护检测方法研究与探讨

江红成，潘岑诚，江季声，韩伟，黄梅，张振宇，俞鑫春

（1. 国网江苏南通供电公司，江苏 南通 226000；2. 江苏省南通中学，江苏 南通 226000）

0 引言

变电站直流电源系统作为继电保护装置、通信设备电源及断路器操作电源，应当满足安全、稳定、可靠运行。直流系统发生故障，将会造成保护和断路器拒动，引发重大的电网事故。例如：当2016年某 330 kV 变电站（与某 110 kV 变电站共址建设）外有一 35 kV 出线电缆中间接头爆炸，站内所用交流电源失去时，直流电源未能提供应急电能，保护越级跳闸，造成事故扩大，导致 330 kV和 110 kV 主变压器着火烧损的严重事故。

在变电站直流系统中，蓄电池的稳定性和放电容量对直流系统安全运行起决定性作用。《国家电网公司变电运维管理规定 第 24 分册 站用直流电源系统运维细则》（国家电网企管〔2017〕206 号）关于蓄电池组维护要求：“全站仅有 1 组蓄电池时，不应退出运行，也不应进行全核对性放电，只允许用I10电流放出其额定容量的 50%。单体蓄电池电压测量应每月至少 1 次，蓄电池内阻测试应每年至少 1 次”[1]。通常，110 kV 变电站仅有 1 组蓄电池，而且一般在浮充状态下运行时测量单体蓄电池的电压，但是某些情况下该方法并不能检测出单体蓄电池的异常情况。近日，某 110 kV 变电站的10 kV 线路近端相间故障引起母线电压波动，站用变瞬时失电，蓄电池异常，全站保护电源、操作电源和通信电源等直流电源瞬时消失。事故后，经检查单体电池电压正常，但是更换蓄电池后，再检测发现，蓄电池已严重老化，容量不足。在变电站实际运行过程中曾多次出现过蓄电池单节电压正常，但蓄电池不能正常放电的情况，并由此造成了巨大损失[2]。

笔者通过结合所在单位的蓄电池故障案例，对110 kV 变电站蓄电池维护检测方法作了一些分析与探讨，并提出了一些基于内阻检测的蓄电池监测方法，以期对及时发现蓄电池的异常状态，提高变电站直流电源的运行可靠性有所助益。

1 阀控式（VRLA）铅酸蓄电池的影响因素

目前， VRLA 电池在变电站中作为直流电源广泛采用，具有体积小、重量轻、自放电小、维护工作量少，寿命长（一般不低于 8～12 a）等优点。VRLA 电池的内部结构包括金属（或欧姆）路径以及电化学路径。从图 1 中可以看出欧姆电阻主要反映金属通路中的电阻，极化电阻主要反映化学通路中的电阻。其中，影响电阻大小的主要是板栅和汇流排的腐蚀、电池老化及腐蚀生成的板栅蠕变、铸铅及涂膏的制造缺陷、活性材料硫酸盐化等。

图1 蓄电池物化模型

VRLA 电池容量影响因素主要有：(1) 极板面积和活性物质的多孔性；(2) 放电电流大小；(3)温度；(4) 电解液密度[2]。蓄电池容量失效的主要模式为汇流排腐蚀、极板硫酸盐化、失水、干涸等。实际运行中多种不良工况会导致蓄电池失效：(1) 环境温度过高；(2) 过深的放电深度会使其循环使用次数减少；(3) 长期处于浮充状态造成氧化膜覆盖电极；(4) 充电电压过高造成失水[3]。

2 变电站中蓄电池运行方式

110 kV 变电站中蓄电池运行方式如图 2 所示，主要有：

2.1 均（衡）充电

均（衡）充电是为补偿蓄电池组在使用过程中产生的电压不均匀现象，使其恢复到规定范围内而进行的充电，一般包含着恒流（稳流）限压充电和恒压限流充电 2 段历程。首先，进行恒流充电，将电压设定在均充电压值（253 V），开始以In（0.1C10）恒定的充电流给蓄电池充电。以恒流方式进行充电可以尽快恢复电池的电压，确保电压持续上升。接着，当蓄电池电压达到均充电压值后，转入恒压充电模式，随着电池容量的恢复，充电电流由In逐渐减小。然后，当充电电流小于整定值（10 %In）时，开始计时 2～3 h 后，将充电机电压调整为浮充电压（241V），结束恒压充电的阶段，转入浮充电状态[4]。

2.2 浮充电

以浮充电压对蓄电池进行的恒压充电是为了补充蓄电池的自放电。可以设定浮充电 3～6 个月后，自动进行 1 次均充（恒流-恒压）-浮充电的补充电。

2.3 事故放电

当充电机电源中断时，由蓄电池组立即承担起主要负荷，蓄电池开始放电过程。当蓄电池放电电压和放电电流逐渐减少，达到终止电压时，应采取手动断开操作，使蓄电池停止放电。

2.4 核对性充放电

对新安装或大修后的蓄电池组，需要进行全核对性额定容量放电试验。以电流In（0.1C10），放电 10 h，对电池进行 100 % 容量的放电。放电电压不得小于蓄电池的终止电压。而且，放电结束后要进行均（衡）充电[4]。

图2 蓄电池运行状态

3 常用检测方法回顾与比较

3.1 定期测量电压法

定期测量蓄电池两端的电压可以检测出故障电池组中的失效电池。正常浮充电压值应为标称电压的 90 %～130 %，蓄电池在运行中电压偏差值应在±0.3 V 以内。

图3 所示为近日 110 kV 五接变故障蓄电池组（HOPPECKE SB100，12 V，100 Ah，2006年投运）在 4 种运行状态下（均充、浮充、放电、离线）的电压。从图 3 中可以得出，在浮充状态下，该故障电池组的电压均值为 13.43 V，其中失效的第 7、9、10、11、13、14 节蓄电池的电压与均值之差分别为 0.15、0.06、0.51、0.5、0.31、0.51 V。通过定期测量电压法只能检出部分蓄电池（第10、11、13、14节）已失效，而对第 7、9 节蓄电池（电压偏差值在 0.3 V 以内，属于正常范围）却起不到作用。当浮充电压不能有效地反映电池的异常情况时，可以采用充放电电压比（105 % 以上），反映蓄电池的容量变化。

图3 蓄电池在 4 种运行状态下的电压分布

另外，在浮充电状态下，只能发现个别性能差、浮充电压超常的电池，而对于整组电池性能变坏，电池容量已经大幅下降的老化电池则无能为力。用单节活化仪对图 3 中蓄电池组进行容量试验后，发现第 1、7、9、10、11、12、13、14、18 节电池容量为 0，且第 2、3、4、5、6、8、15、16、17 容量为额定容量的 10 %～20 %，显然这些电池已全部失效。有时甚至会出现“浮充电压正常，但放电时发生严重故障”的情况。由于定期测量电压法的准确性和全面性不够，因此采用这种方法不能有效地反映整组电池的内阻和容量，不能及时找出老化故障电池。

3.2 容量测量法（核对性充放电）

核对性容量测量法能 100 % 地反映出蓄电池的容量，同时也能起到维护蓄电池的作用。不过，核对性容量测量法的缺点也比较明显，即要求必须具备 2 组蓄电池或者有备用电池组。被测量的电池组须处于离线状态，且核对放电过程耗时长，技术风险大，导致系统断电风险增加。频繁地对蓄电池进行深放电，会加速蓄电池的老化。因此核对放电只能对蓄电池进行定期维护，不能用于日常对蓄电池的维护。

3.3 内阻测试法

内阻测试法是通过测量电池内阻反映电池的状态的方法。因为其成本较低，所以可以作为容量测试的补充或替代方法。内阻测试法虽然不能完全地判定蓄电池的状态，但在实际应用中可以测试出 95 % 的故障电池[2,5]。目前，内阻检测时采用的方法一般是直流放电法或交流注入法。采用直流放电法检测内阻时，通过测量负载接入的瞬间负载电流、接入的瞬间电压下降值和断开的瞬间电压上升值，再由欧姆定律计算出电池的内阻。美国的Alber 公司生产的 Cellcorder 蓄电池智能内阻测试仪就是采用这种方法。因为检测条件为离线脱机或者静态的情况，所以这种方法无法实现在线检测，不适合日常维护[6]。本文中采用的 2 种手持式智能内阻测试仪（型号 FLUCK BT508，DGC3915S）都采用的交流注入法。用开尔文电桥测量电池的内阻能避免由导线和接触电阻产生的影响，检测精确度高，可实现在线检测，施加的交流电流小，无需外接负载箱放电，安全风险小[6]。

4 蓄电池内阻检测方案研究与探讨

4.1 蓄电池内阻测量分析

采用手持式 FLUKE BT508 智能电池内阻测试仪对正常运行的 110 kV 北郊变电站蓄电池组（双登公司产，型号 6-GFM-200，12 V，200 Ah，2014年投运）进行检测。如图 4 所示，当电池分别处于浮充电、均充电和放电状态时，蓄电池的内阻基本相同。

图4 正常蓄电池在 3 种状态下的内阻

在上述 3 种状态下蓄电池内阻测量的基础上，对 110 kV 秦灶变不同型号蓄电池（梅兰日兰M2AL12-100SFR，12 V，100 Ah，2017年投运）进行了离线测量。测试数据为：电压 13.5 V，电阻 3.2 mΩ。由图 4 与离线电池测量数据可得，容量状态良好的蓄电池内阻基本不受蓄电池运行方式（浮充、均充、放电、离线）状态或者充放电电流影响。

对 110 kV 五接变故障电池组（HOPPECKE SB100，12 V，100 Ah，2006年投运）在浮充、均充、放电、离线状态下进行了内阻测试，具体数据如图 5 所示。对 2、7 号电池在浮充状态下测得内阻为 27 mΩ、32.66 mΩ，在用 10 A 电流放电1 h 后测得内阻为 38.8 mΩ、66 mΩ，电压为 12.53 V、12.4 V。对 2 号电池，采用单节电池活化仪在充满电后测得内阻为 21 mΩ。

图5 故障电池在4种状态下的内阻

蓄电池的内阻由欧姆电阻和极化电阻组成。失效蓄电池（第 2、7、9、10、11、14 节）的内阻在充放电过程中是变化的，即充电过程中内阻由大变小，反之内阻增加。故障电池的内阻在不同状态时有较大差异，而状态良好（容量充满）的蓄电池内阻基本不受影响。可以得出：蓄电池的内阻与电池的充放电电流和容量状态有关。当容量在 50 %以上时，蓄电池的内阻值基本不变；当容量低于40 % 时，内阻值会迅速增大[6]。容量在 80 % 左右时，蓄电池的内阻值反而减小，如表1 所示，在放电 1.75 h 后，蓄电池内阻反而减小了。在核对性充放电终止时，测得蓄电池 Ⅱ 和 Ⅲ 的开路电压和内阻如表2 所示。可以发现，蓄电池 Ⅱ 和 Ⅲ 的容量为 15 % 和 35 %，已经低于 40 %。

表1 正常蓄电池放电时内阻

表2 失效蓄电池放电时内阻

采用 HDGC3915S 智能蓄电池内阻测试仪（内阻 1）和 FLUKE BT508 蓄电池内阻测试仪（内阻2）的测试结果如图 6 所示。对于正常蓄电池所测得的内阻是一致的，由于故障电池本身受状态影响，所得数据存在一些差异，但对内阻测试的大小趋势一致。

李琳等人通过研究得出，采用高频区（1～10 kHz）交流阻抗法测得的蓄电池内阻是稳定的，可作为蓄电池的内阻[6]。通过图 6 可得出，采用相同原理的内阻测试仪所测得的蓄电池内阻基本一致，因此可以将所测得的内阻作为蓄电池状态的判断依据。

图6 2 种测试仪测试的内阻

4.2 蓄电池内阻与容量之间关系

选取五接变蓄电池组（HOPPECKE SB100，12 V，100 Ah，2006年投运）、横河变蓄电池组（梅兰日兰 M2AL，12 V，150 Ah，2007年投运）、秦灶变蓄电池组（M2B12-7-16HX，12 V，100 Ah，2009年投运，旧电池组）测量内阻，其中五接变蓄电池组和横河变蓄电池组是在浮充状态下的，秦灶变蓄电池组是在离线状态下的。由图 7 可见：五接变蓄电池组中电池的内阻均大于20 mΩ，表明全部电池都出现了异常；横河变蓄电池组中第 2、7、16 节出现异常；秦灶变蓄电池组中第 5、9、15 节出现异常。通过 3 组数据可以发现，蓄电池的内阻和容量有着紧密联系，当蓄电池内阻明显增大时，蓄电池容量不足。因此，当整组电池处于浮充状态下时，由内阻值可以判断蓄电池组的性能，知晓电池是否处于充满电的状态。浮充电状态下内阻过高，说明蓄电池健康状态不佳，甚至是其寿命接近后期。

图7 3 组蓄电池的内阻

4.3 蓄电池内阻测量判据

可以采用新投运时电池的内阻，或者采用所有电池内阻的平均（经验）值作为电池内阻的基准值。采用所有电池内阻的平均值还可以消除温度对内阻的影响。

选取 110 kV 秦灶变电池（理士 DJM12100，12 V，100 Ah，2018年投运）、110 kV 北郊变电池（双登 6-GFM-200，12 V，200 Ah，2014年投运）、110 kV 海晏变（理士 DJM12150，12 V，150 Ah，2017年投运），测量在浮充电状态下的内阻。由图 8 可见，秦灶变蓄电池内阻（初始值）平均值为 3.13 mΩ，最大均差为 0.27 mΩ，变化率为 8 %，北郊变蓄电池内阻平均值 3.13 mΩ，最大均差为 0.38 mΩ，变化率为 12 %。进一步比较其他变电站的蓄电池内阻数据可得出，对于同一电压等级的蓄电池，虽然生产厂家和容量不同，但是在使用寿命期内，蓄电池的浮充内阻差别不大（＜20 %），内阻的增大可以反映出电池容量和性能下降的程度。一般来说，电池的内阻变化会经历3个阶段：刚投入运行时，内阻相较于出厂时有所下降；经过很长一段时间内阻保持相对稳定；当内阻快速上升时，表明电池的使用寿命已进入终结阶段[7]。

图8 秦灶变、北郊变、海晏变电池数据

5 结束语

加强日常维护工作，能很大程度影响蓄电池的使用寿命。免维护仅指的是不用加水而已，其他的日常维护仍需按照规程规定进行，并进一步明确维护要求。定期跟踪测试浮充状态下的单节蓄电池内阻与电压是保证蓄电池始终处于良好状态的可行办法。

定期测量浮充电压法，简单方便，但不能及时准确地找出整组中落后电池。部分失效电池的浮充电压表现正常，而浮充电压异常的电池的内在表现不一定差，因此可通过分析蓄电池充放电电压比，判断蓄电池的状态[8]。电压比超过 105 % 的电池应被视为落后电池，需要尽早更换, 免得对整组电池带来影响。

定期测量浮充状态下的蓄电池内阻可以判断蓄电池状态[9-10]。核对性充放电试验后，应测试蓄电池在浮充电状态下的内阻，并进行纵向分析对比。运维班组应配置智能内阻测试仪，同时开展电压与电阻的测试。可将测试周期放宽到每季度1次，测试过程中应防止因两极柱间的接触面积不够，接触力度不足，螺栓垫片电阻等因素引起的内阻数据不稳定。

对投运 6 a 以内的蓄电池，可以用 3～5 mΩ作为蓄电池内阻的基准值（或者参考出厂初始值不大于 10 %）。当蓄电池内阻超过基准值 20 % 应告警，进行核对性充放电容量试验，若超过基准值 50 % 则应认为蓄电池已失效。对内阻正常的蓄电池，可以减少核对性充放电试验，减少维护工作量，延长蓄电池使用寿命。