一种直流蓄电池开路续流与过放告警装置的研究

林浩勤 吴文健 黄杨明 邓健强

（1.广东电网有限责任公司佛山供电局，广东佛山528300；2.广州市仟顺电子设备有限公司，广东广州511400）

0 引言

变电站用直流系统蓄电池维护手段有蓄电池核容放电、内阻测量、电压测量和定期均充，在众多手段中，缺少用于蓄电池开路故障在线监测及蓄电池开路故障反措的设备。据统计，近年来不少电力系统的扩大事故是由于蓄电池开路故障引发的，表1列举了几个案例。

表1 蓄电池开路引起的电力系统事故

蓄电池开路故障常有发生，且故障可能给电力系统带来较为严重的事故，但目前规程中没有明确对蓄电池开路故障进行监测与反措的规定。

直流系统在站/厂大修期间，有部分负荷还需继续运行，在对充电机进行检修时，充电机需要退出运行，此时蓄电池给直流系统供电。蓄电池长时间工作可能发生过放，过放电会直接损坏蓄电池。目前还没有对蓄电池放电容量设置专业监测设备，蓄电池放电存在过放损坏的安全隐患。

本文研究了一种直流蓄电池开路续流与过放告警装置，能够有效监测蓄电池开路故障并在蓄电池开路故障发生时实现有效续流，同时对蓄电池过放电事故进行告警，从而避免直流系统蓄电池开路故障引起电力系统二次扩大事故和蓄电池过放电损坏带来的不必要的经济损失。

1 蓄电池开路故障分析

1.1 导致蓄电池开路故障的原因

很多蓄电池开路故障的发生没有预见性，而是十分突然，与蓄电池其他故障如酸化、漏液、短路等相比，缺少了性能渐变过程，这是由蓄电池的结构决定的。蓄电池内部结构分为盖与壳体、溢气阀、汇流导体（汇流排）、单格与间隔、正极板、负极板以及含电解液的多孔物质。其中极板与汇流排间采用的工艺是焊接，在大电流情况下可能会发生脱落导致蓄电池开路，即浮充状态下表现良好的蓄电池可能在均充或大电流情况下发生开路故障。在日常维护工作中常遇到蓄电池核容放电能够正常进行，但往回充瞬间因充电机不受控，电流过大导致蓄电池开路故障发生。所以，蓄电池除了由于渐变老化发生开路故障外，还有可能在大电流冲击下发生开路故障。

1.2 蓄电池开路故障危害

蓄电池开路故障危害大，不及时处理可能导致电力系统发生重大事故。蓄电池开路故障可能造成的危害有蓄电池损坏、设备失电和电力系统保护拒动等。

1.2.1 蓄电池损坏

蓄电池正常情况下运行在浮充状态，即蓄电池需要充电机不停地为其补充自放电消耗掉的电能；若某一节蓄电池由于性能原因发生开路故障，而又未能及时发现处理，则可能导致整组蓄电池由于长期没有得到补充充电而发生损坏的隐患。

1.2.2 直流系统失电

直流系统正常浮充情况下，系统电源由充电机提供；在站用交流电源故障时，直流系统电源需要由蓄电池提供。按照设计要求，蓄电池应能正常提供2 h及以上事故电源；若此时某一节蓄电池发生开路故障，则整组蓄电池将因不能提供事故电源导致直流系统失电。

1.2.3 保护拒动事故

在电力系统一次设备发生故障时，为了避免更大损失，保护装置检测到故障发生会启动重合闸继电器重合一次，然而重合闸继电器需要直流电源供电，直流系统充电机由于此时一次设备故障已失去交流电压，直流充电模块不能提供浮充电压；若此时蓄电池组亦发生开路故障，则会引起整个直流系统崩溃，造成二次扩大事故的严重后果。

1.3 蓄电池过放电危害

蓄电池组在直流系统中的作用是作为后备电源和在交流电压失压后提供事故电源。蓄电池属于化学储能体，能够在化学能和电能之间灵活转换；但打破某种平衡后，这种相互转换就不可逆——蓄电池损坏。所以蓄电池在放电时不能过量，过放电会导致蓄电池不能充电，从而发生损坏。一组蓄电池成本从几万至几十万，损坏蓄电池带来的损失是不可估量的。

2 蓄电池开路续流与过放告警装置的研制

2.1 设备原理

2.1.1 续流原理

单体蓄电池异常故障时，装置能对该节故障蓄电池自动续流，而不影响整组蓄电池正常对外供电。如图1所示，在蓄电池组中，每节蓄电池并联大功率二极管。当外部发生故障使直流模块断电，需由蓄电池组供电时，如任意一节电池开路，蓄电池组的放电电流I将自动不间断地通过并联二极管（图1中粗线），可确保蓄电池组正常为负载供给直流电源，杜绝保护、控制装置等直流负荷失去电源的风险。

图1 开路续流部分原理图

2.1.2 防过放原理

蓄电池组单体蓄电池是根据直流系统标称电压确定数量（以变电站为例，直流电源系统的标称电压为110 V和220 V。2 V标称电压的蓄电池浮充电压为2.23～2.28 V，均充电压为2.30～2.35 V）[1-2]，蓄电池运行在均充和浮充状态时，蓄电池组端电压较高；当给蓄电池组放电时，蓄电池组端电压随放电容量的增加而降低。可设计电路采集蓄电池组端电压，根据现场蓄电池组单体电池节数设置电压下限，电压下降到设置值时发出告警并断开负载。

2.2 设备开发

蓄电池开路续流与过放告警装置分为开路续流部分和温度、电压采样告警主机部分。

根据蓄电池容量选择合适的续流二极管，根据续流二极管外形设计散热铝型材；在散热铝型材上设计安装温度开关，所有温度开关并联接到蓄电池开路续流与防过放装置开关量采集电路输入接口，供装置采样告警。单个开路续流器如图2所示。

图2 开路续流器

如图3所示，采样告警部分设计有CPU逻辑运算电路、电源模块电路、电压采样电路、开关量采集电路、LCD显示电路、LED指示电路和告警通信电路。CPU逻辑运算电路负责电压AD转换、开路续流器温度开关状态判断、LCD显示与人工交换、LED运行指示及故障指示和告警信号控制等功能。电压采样电路负责把蓄电池组端电压隔离放大，达到CPU AD转换电压值。开关量采集电路负责监控开路续流器温度传感器状态，转化电平信号供CPU监测。LCD显示电路采用带触摸功能的显示屏，负责显示设备及系统信息，同时完成人机交换。LED指示电路负责显示设备运行状态与系统故障告警状态。告警通信电路处理通信电平转换和告警开关量信号输出。设备外接蓄电池组端电压和开路续流器温度传感器输出信号线。

图3 采样告警部分设计框图

蓄电池开路续流与过放告警装置分为开路续流和采样告警主机两个部分，开路续流部分安装在每一节蓄电池正负极之间，如图4所示，在蓄电池开路故障时起到续流作用，有开关量信号接到采样告警主机。可以将采样告警主机安装在蓄电池架上，采集蓄电池组端电压，端电压过低时发出告警信息，防止蓄电池过放电损坏；同时采集开关量信号，从而对蓄电池开路故障进行有效告警。

图4 蓄电池开路续流与过放告警装置原理图

3 运行效果分析

本次研制的蓄电池开路续流与过放告警装置在本地区选取了一个变电站在运蓄电池组进行安装试验运行，试验期间模拟了一节及多节蓄电池开路故障，装置均能正常续流及告警，未造成整组蓄电池开路引起直流系统失压的事故。另外，模拟蓄电池过放电故障，告警装置能可靠告警，达到了预期运行效果，性能良好。

4 结语

通过本次研究，有成果蓄电池开路续流与过放告警装置，能够解决电力系统直流蓄电池开路故障的检测问题，其还具备蓄电池开路故障反措及续流功能，并能针对蓄电池组过放电事故进行告警，避免蓄电池故障给电力系统造成严重损失。研究成果有现场运行案例，运行情况良好，成果可以在电力系统推广使用，可保障电力系统更加可靠地运行。