蓄电池在线监测系统的实践应用和效果

邹育鹏

（深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000）

0 引 言

变电站两台站用变各带一段380 V 交流母线，两段交流母线上各有一组出线经交流配电单元整流后变为直流，其中一部分供给直流负荷，如电气的控制、信号、测量和继电保护装置、操作机构直流电动机、断路器电磁操动的合闸机构、站内交流不停电电源系统及远动和事故照明等；另一部分则为操作提供可靠的操作电源。当站内出现交流失压时，只有通过蓄电池对恢复送电所需直流负荷有效供电，才能对相应一次设备进行操作。深圳电网所辖257 个110 kV 及以上变电站中，有蓄电池400 多组。作为变电运行人员，只有具备基础的电力系统、电力电子、微机原理以及通信等方面的相关理论知识及实践经验，才能完成对直流充电设备及直流馈电设备的运维，提高后备电源设备的安全稳定运行。本文深入介绍了深圳供电局蓄电池在线监测系统的实践应用和效果。

1 蓄电池组在线监测系统实践应用前设备运维情况

深圳电网所辖变电站均采用高频开关模块型充电装置，利用脉冲宽度调制方式原理，经高频变压器隔离，形成整流电路对蓄电池组充电。深圳供电局对蓄电池的运维巡视做了相关规定，巡视检查的项目包括：检查蓄电池室空调是否运行正常，蓄电池应放置在通风良好，无阳光直射，温度在5 ～40 ℃且相对湿度≤80%的场所；蓄电池外壳应无破损；蓄电池安全阀应无松动；接头应无腐蚀污染，若有应及时联系电源班作清洁处理；蓄电池的充电电流和充电柜的负荷电流与浮充电压或开路电压应在正常范围内；蓄电池在线监测系统有无异常告警信号等。

由于大多变电站地处偏远，蓄电池所处运行环境也较为恶劣。如果室内通风散热效果较差，易造成蓄电池性能的恶化。由于性能恶化往往都发生在两次定检周期之间，且查看蓄电池组检查记录均为正常；若此时全站失压，蓄电池无法正常供电不能正常动作，将会对电网的安全稳定运行造成重大影响。传统的人工维护费时费力，检测手段单一，工作繁琐，不能实时监控，无法完全杜绝隐患，需要对此进行分析并改善。

深圳电网所辖变电站均采用阀控式密封铅酸蓄电池。该类蓄电池具有两大优点。其中一大优点是当电池内部气压过高时，通过单向排气阀释放内部压力，待压力值正常后排气阀闭合，防止外部气体进入，从而保持内部气压正常，因此其密闭性良好。但日常的巡检工作中很难通过观察外壳判断其密闭性的好坏。例如，巡检时发现，额定电压为6 V 的蓄电池单体实际测量电压约为6.75 V，测量值正常。但对该蓄电池核容时却发现实际容量仅为额定值的33%，说明密闭性是否完好与蓄电池端电压的大小无关。当使用内阻测试仪对蓄电池单体内阻进行测量时发现，大多蓄电池单体内阻远超正常值500 μΩ（以蓄电池组容量 400 Ah，单体标称电压2 V 的蓄电池为例），达到上千甚至几千微欧姆。由于蓄电池的内阻是随着其容量的减少而不断增加的，因此可以推断出该站大多蓄电池密闭性下降，已呈老化状态。为避免蓄电池老化影响电网的安全稳定运行，深圳供电局规定，110 kV 变电站蓄电池组每3 年进行1 次全容量核对性充放电，220 kV 及以上变电站蓄电池组每2 年应进行1 次全容量核对性充放电，运行6 年以上的蓄电池组，应每年进行1 次全容量核对性充放电[4]。对仅有一组蓄电池的变电站，采用备用蓄电池组替换，该组蓄电池应进行全容量核容。

另一大优点是免补加水维护。让电池负极容量冗余，通过阴极吸收原理，即充电时正极释放的氧气通过微孔橡胶隔板与负极释放的氢气通过铅共同反应生成水与硫酸铅：O2+2Pb →2PbO+2H2SO4→H2O+2PbSO4，因此后期免补加水加酸。此时负极由于欠充电，不会额外释放氢气。

2 蓄电池在线监测系统测试内阻准确性分析

2.1 蓄电池内阻特性分析及测试相关要求

蓄电池内阻由于制造工艺、材料等因素的影响，内部结构复杂，大致由连接部分（含极群总线和端柱）、电极活性物质、隔离板、极板以及电解液共5 部分组成。影响蓄电池内阻的因素很多。例如，蓄电池充放电过程中，其内阻大小会发生变化；蓄电池的内阻会随着内部的水损失而逐渐变大；当蓄电池内部的活性物质随着硫酸盐化而变少时，内阻也会增大；蓄电池的极板随着年限的增长而腐蚀时，其内阻也将增大。

理论证明，组成蓄电池的所有零部件电阻之和，特性是符合欧姆定律的，能反映蓄电池自身的性能状态，称为欧姆电阻。将蓄电池接入直流回路，在实际测量中发现其内阻不是一个常数，原因在于实际内阻不仅包括欧姆电阻，还包括极化电阻。极化电阻又包含电化学极化电阻和浓差极化电阻。浓差极化是电解液中反应粒子的浓度变化产生的，而电化学极化是反应过程中电极上积聚电荷产生的。由于极化电阻值的不稳定，因此想要精确测量欧姆电阻变化会有很大妨碍。

为了解决这一难题，多年来国内外一直致力于这方面的研究，推出了一系列内阻测量技术，各种测量方法之间差异很大，大致可分为直流放电法、交流注入法。直流放电法是将蓄电池接入直流回路中，通过测量负载两段电压及负载电流，从而计算出电池内阻。由于阻值很小，单位电流情况下电压变化太小，造成测量准确性不足10%。为了精确测量压差，一般使用直流大电流放电法，但大电流会对蓄电池的性能状态造成一定影响。交流注入法是在蓄电池两极施加交流信号，此法测出的是蓄电池阻抗，并非实际电阻。为了规避阻抗（电容与电抗）对实际电阻值的影响，需要采用四线测量法。此法相比于直流放电法，准确度、灵敏度均更高，且电信号很小不会对蓄电池性能状态造成影响；缺点是容易受到变电站内的电磁场以及工频信号的影响，抗干扰性能较差。

目前，国内依旧没有一套对蓄电池的内阻参数作出规范的行业标准，只有IEEE Std-1188—1996《站用阀控铅酸（ VRLA）蓄电池的维护、测试和更换方法》中对此做了简要说明，蓄电池单体内阻受物理连接内阻、电解液的离子传导性及电极上发生的电化学反应影响；在蓄电池内阻测量仪厂商未做特殊说明情况下，内阻值变化超过额定值20%即认为变化明显[1]。

2.2 蓄电池在线监测系统测试蓄电池内阻原理分析

深圳电网目前使用型号为BDS-256 系列的蓄电池在线监测系统，其利用直流大电流放电法，即纯直流瞬间大电流放电法对蓄电池内阻进行测试（见图1）。对蓄电池两极施加瞬间大电流，电流大小为40 ～70 A（低于20 A 会严重影响测量精确性）。为了避免初始放电过程中电压电流的下降变化阶段的影响，放电持续时间设定为3 ～5 s，测量蓄电池两极的瞬间电压降U1和放电负载模块（RTM）开路瞬间电压恢复电压差U2以及瞬间电流值I，运用欧姆定律计算出蓄电池内阻R=（U1-U2）/I。

纯直流瞬间大电流放电法是美国Albér 公司的专利技术[2]，其利用零瞬间技术（ZERO TIME）在回路中加入纯阻性负载，考虑到蓄电池断开负载模块（RTM）后其电动势，即蓄电池开路电压会即刻增大，在断开瞬间同时读取蓄电池两级的瞬间电压差与瞬间电流差，从而计算出精确的内阻。相比于交流注入法，该方法不受充放电回路影响，具有完好的独立性；不受电磁场以及工频信号的影响，具有良好的抗干扰性能；不受电路纹波以及噪声环境的影响，具有不错的重复性。

图1 测试原理图

该在线监测系统利用高速采集技术能准确采集电池两极的瞬间电压降U1和放电负载模块（RTM）开路瞬间电压恢复电压差U2，通过模数转换器实现对直流参数的读取，并实时精确计算出内阻。该在线监测系统还对蓄电池的电流、电压、阻抗、浮充与均充电压及充放电等参数进行实时监控，是目前比较领先的监测技术。

3 蓄电池在线监测系统的实践应用

3.1 蓄电池在线监测系统的安装供电模式

为了更灵活地配合变电站的现场情况，设定了两种运行方式。当直流系统配置有UPS 逆变电源屏时，通过直流电源输入，经逆变器转换为交流信号为蓄电池在线监测系统供电。当直流系统未配置UPS 逆变电源屏，直接通过交流电源供电。

3.2 蓄电池在线监测系统的网络连接模式

蓄电池在线监测系统先经RS232 将各项监控数据上传至站内监控屏，后通过光纤转接屏传至通信转换设备，设备使用标准的MODBUS 通信协议向上传送数据和接收控制命令，通过电话线连接VDSL 路由器，再经网络交换机实现与终端的互联[3]。每个站点一个IP 地址，数据读取由Albér 提供终端软件完成[4]。深圳供电局在系统内率先运用蓄电池在线监测系统，为蓄电池在线监测和管理的网络自动化提供了很好的解决路径。

3.3 蓄电池在线监测系统的数据采集分析功能

浮充状态下，监测系统能实时捕捉各类参数，包括浮充电压电流、放电电流及环境温度等，电压准确度误差0.2%，电流准确度误差2%。对于内阻监测，系统自动每月对蓄电池内阻值进行一次扫描，依据蓄电池内阻模型自动运算分析，与初始数据进行对比，内阻分辨率可达0.001 mΩ，若放电电压越下限或容量异常会发告警信号。运行人员可在主控室通实时监控屏了解各站蓄电池运行情况，利用蓄电池在线监测系统服务机对各站的蓄电池组进行远程在线内阻测试，对蓄电池的容量进行趋势分析。

4 蓄电池在线监测系统的应用效果

4.1 在设备性能的分析判断方面

以某站蓄电池在线监测系统所得数据为例，可知内阻与容量之间的大致相关特性（见图2 和图3）。由图2 可知，随着放电容量的增大，内阻应逐渐增大，其中7 号与20 号电池离散性高，需额外关注其性能状态。从图3 可知，在无放电情况下，蓄电池内阻值已经比初始值（1 500 μΩ）高出50%以上，因此整组电池均不符合运行要求，尤其是16 号和32 号电池已明显失效。通过这个系统对蓄电池组的检测和分析，并结合核容试验，将运行表面单体电压正常、但是实际内阻超标的的蓄电池组进行了更换。例如，500 kV 深圳站、220 kV 中航站及110 kV 田面站等的蓄电池及时

图2 电池内阻与放电容量关系图（新电池）

图3 电池内阻与放电容量关系图（旧电池）

更换都得益于在线监测系统的应用。

4.2 在设备的维护及时性方面

通过实时监测电池数据，能对各站点的运行数据进行监测、收集、分析；数据自动保存、自动生成报告，大大提高了生产效率。因此，可以准确对不良电池有针对性地实行处理措施，消除了电池故障影响直流母线电压异常的隐患。

5 结 论

从最初引进蓄电池远程在线智能监测技术对重要变电站的蓄电池组进行实时监测和维护，到目前大量投入使用，深圳供电局已在全国电力系统中处于领先位置。在线智能监测系统的使用，极大地提高了深圳供电局设备维护水平，为实现不发生站用电源失压或因站用电源设备故障导致装置误动事故提供了有力的保证。