变电站VRLA蓄电池断格事件分析及预判措施研究

孔圣立，陈 宇，郭志克，赵光金，刘 昊

（1.国网河南省电力公司电力科学研究院，河南 郑州 450052；2.国网河南省电力公司平顶山供电公司，河南 平顶山 467000）

0 引 言

蓄电池作为变电站备用直流电源，长期浮充运行。当突发交流电源失去或电压降低时，充电装置无输出，蓄电池应为直流负荷提供持续可靠电源。此时若蓄电池发生断格，则可能导致变电站保护和开关发生拒动，扩大故障范围[1]。近期某110 kV变电站发生一起因蓄电池断格造成变电站故障扩大事件，造成变电站设备烧损，带来了巨大的经济损失。经调查，在事故发生半年前，该组蓄电池刚完成核对性放电试验，并根据试验结果更换了容量不足的单体蓄电池。本文旨在查明事件原因，并探索诊断蓄电池实际运行情况的有效方法。

1 事件简述

1.1 设备配置情况

110 kV甲变电站电气主接线如图1所示。110 kV甲变电站10 kV出线开关均为电磁型操作机构。甲#1站用变带动全站交流负荷（401开关为合位），甲#2站用变处于备用状态（402开关为分位）。直流电源系统配置一套充电机和一组蓄电池。蓄电池组由108只VRLA蓄电池（密封式阀控铅酸蓄电池）串联构成，容量为200 Ah，运行不足4年。

图1 110 kV甲变电站电气主接线图

1.2 事件过程

10 kV甲I线发生三相短路故障，甲10 kV II母电压随之跌落。因站用变低压侧开关不具备电动分合闸功能，也未配置备自投装置，甲#2站用变未能及时投入，造成直流充电装置因欠压闭锁输出，由蓄电池组带动全站直流负荷运行。

10 kV甲I线保护出口跳闸后，1.5 s后重合。在重合闸电流冲击下，蓄电池发生断格，站内直流电源系统失电[2]。10 kV甲I线杆塔弓子线熔断后造成同杆的10 kV甲II线三相短路。因甲变电站直流失去，保护拒动，只能经上一级保护动作切除故障，造成变压器和开关柜烧损等设备损失。需要说明的是，曾发生过同类事件，10 kV丙IV线路发生故障，速断保护动作，重合后报出电池异常，但18 min后未经处理，该告警信号自行消失。

2 事故前电池组核对性放电试验情况及分析

《电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程》（DL/T 724—2000）6.3.3条文规定：“发电厂或变电所中只有一组电池，不能退出运行，也不能作全核对性放电，只能用I10电流恒流放出额定容量的50%，在放电过程中，蓄电池组端电压不得低于2 V×N”。从VRLA蓄电池放电特性曲线图来看，以0.1 C电流放电，5 h后蓄电池电压为2 V，可知2 V截止电压与满容量VRLA蓄电池放电特性是相符的。图2为VRLA蓄电池放电特性曲线图。事故发生前6个月，运维人员对甲变蓄电池组进行核对性放电试验。因该站仅有1组蓄电池组，将放电截止电压设置为2 V，放电5 h，符合《电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程》规定。

图2 VRLA蓄电池放电特性曲线图

在这次核对性放电试验中，发现3只蓄电池容量不足并予以更换。它的放电时间如表1所示。5 h后，除这3只电池外，甲变电站的其他蓄电池单体电压均在2 V以上。根据相关规程和运行经验，甲变电站蓄电池过压告警定值为15 V（6只为一组，平均单只为2.5 V），过压告警定值偏高。电池欠压告警定值10.5 V（6只为一组，平均单只为1.75 V），欠压告警定值偏低。核对性放电试验后半年内，多次报出蓄电池电压异常信号，均持续很短时间后自行恢复。事故发生后，经检查发现有2只蓄电池发生断格。甲变电站蓄电池电压告警定值设置宽泛后仍出现多次告警情况。放电试验后至事故发生前，蓄电池组处于“带病”运行状态。可见，通过该种核对性放电试验方式并不能排查出所有断格蓄电池，且放出50%容量也不能真正核算出蓄电池容量[3]。此外，目前放电截止电压根据满容量蓄电池组放电特性确定，对于甲变电站蓄电池性能较差的情况，显然放电深度不够。

表1 甲变电站不合格蓄电池放电试验数据表

3 事故后蓄电池解体测试分析

事故发生后，对甲变电站故障断格蓄电池进行解体，发现断格电池负极存在腐蚀断裂现象，耳板和汇流排焊缝腐蚀断裂，汇流排与接线端子连接焊缝存在烧熔现象。显微镜观察断裂的耳板，发现断口上覆盖致密硫酸铅层，断口具有腐蚀断裂特征，汇流排上覆盖硫酸铅，断口上有腐蚀减薄和烧熔现象。因此，可推断故障电池内部发生了过电流短路现象。内部过电流能量在负极汇流排上以大量热的形式释放，超过负极汇流排材料承受范围，将负极汇流排烧熔而留下残渣。

测得断格蓄电池正极板厚度为3.5 mm。根据《DL/T 637—1997 阀控式密封铅酸蓄电池订货技术条件》4.2.4条文“蓄电池正极板厚度不得低于3.5 mm”可知，故障电池正极板厚度仅为行业标准下限。此外，测得它的内阻较大，超出内阻测试仪量程（3.1 Ω）。

4 蓄电池断格相关因素分析

4.1 蓄电池电压

运维人员每月对甲变电站蓄电池端电压进行测试，在事故发生前2个月两只断格蓄电池端电压分别为2.3 V和2.29 V，普遍偏高。运行期间，对于蓄电池电压告警应予以高度重视。

4.2 蓄电池内阻

甲变电站事故发生后对其开展了蓄电池内阻研究分析，以探索内阻与容量之间的对应关系。

对乙、丙两变电站近两年蓄电池内阻变化率和放电试验结果进行对比分析。测试结果显示，所有容量不合格电池均有一显著特征，即内阻变化率较大。采用聚类法对蓄电池内阻变化率和容量关系进行绘图，结果如图3所示。可以发现，不满足容量要求的电池单体内阻变化率都大于30%。

分析可知，电池内阻变化率可作为判断蓄电池容量的重要参数。当电池内阻变化率大于30%时，蓄电池容量不合格，应对蓄电池进行核对性放电检查。

4.3 正极板厚度

甲变电站蓄电池组正极板厚度为行业标准下限，而正极板的腐蚀是常见的失效模式之一[4]。按照圣阳蓄电池厂家培训手册，正极板厚度决定电池寿命。正极板栅厚度为3.4 mm时，预计浮充寿命为6年；正极板栅厚度为4.5 mm时，预计浮充寿命为12年。

图3 电池内阻变化率聚类图

4.4 核对性放电试验

首先，对蓄电池进行50%放电并不能据此判断蓄电池容量是否合格，只能对蓄电池起到活化作用[3]。其次，对蓄电池进行50%放电并不能排查出所有故障电池。最后，甲变蓄电池放电50%出现3只蓄电池不合格现象，应引起足够重视。建议采用备用蓄电池组代用后做全核对性放电试验，根据试验情况进一步决定更换单只或整组。

4.5 断格与VRLA蓄电池关系

甲变电站VRLA蓄电池组在受到较大合闸冲击电流后发生异常并进而发生断格，虽未见断格与VRLA蓄电池相关性的公开报道，但从近些年VRLA蓄电池运行情况来看，发生断格现象较多。VRLA蓄电池断格与其结构更易发热有关[5]。

5 运维过程中判断蓄电池断格的实例

某供电公司蓄电池运维工作开展到位，蓄电池寿命均能保证8年以上寿命。该公司重视直流电源系统运检管理工作，特别是针对断格蓄电池采取了一系列排查措施，保障了电网安全稳定运行。

5.1 排查方法

5.1.1 核对性充放电试验

用0.1 C电流进行蓄电池核对性充放电试验，测量蓄电池电压，对电压降为0的蓄电池判断为断格。但是，对于内部汇流排腐蚀严重和似接非接的蓄电池，采用0.1 C电流放电很难判断断格，因其端电压会在短时间内波动后维持稳定。此时，可采用0.2 C放电电流进行冲击性试验，分组测量蓄电池电压，逐渐缩小故障范围排查故障电池。也可开阀检查，观察蓄电池汇流排是否存在腐蚀现象，从而及时发现存在开路隐患的蓄电池。

5.1.2 蓄电池端电压测量

蓄电池端电压是判断蓄电池好坏的重要因素。巡检发现蓄电池电压远低于正常值，要用万用表进行测量核实。确实电池电压低时，进行蓄电池组核对性充放电试验或用活化仪对单只蓄电池放电。均充过程中发现蓄电池电压偏高时，需进行开阀或放电，以及时发现存在断格隐患的蓄电池。

5.1.3 蓄电池内阻测试

通过测量蓄电池内阻，将蓄电池历年内阻值进行对比，对可能存在断格问题的蓄电池进行开阀检查，及时发现存在断格隐患的蓄电池。

5.1.4 测 温

开阀检查温度过高的蓄电池，消除断格隐患。

5.2 排查实例

110 kV丁变电站蓄电池为2 V/200 Ah，2012年8月投运。对该站开展蓄电池充放电试验工作发现，蓄电池电压瞬间消失。采用分组测量和逐渐缩小排查范围的方法查找，发现2只蓄电池电压为0 V。更换故障蓄电池后，再次进行蓄电池充放电工作，发现蓄电池端电压波动异常，认为仍存在异常蓄电池。由于20 A（0.1 C）电流放电已无法排查出故障蓄电池，采用35 A大电流进行放电，发现一只蓄电池电压为0 V。再次更换后进行放电工作，蓄电池端电压仍存在异常波动。再次升高放电电流，采用40 A（0.2 C）大电流进行放电，排查出一只异常蓄电池，更换后，隐患消除。

6 结 论

蓄电池组在交流电源失去后，其性能影响变电站的安全稳定运行。近年来入网蓄电池产品质量下降，对于仍然配置电磁操动机构开关的老旧变电站，蓄电池组运行时间较短易发生断格情况。本文通过对发生断格的蓄电池组核对性放电试验和解体测试等进行分析，剖析断格相关因素，提出了供电公司检查断格的运维经验。实践证明，通过内阻变化率和适度提高核对性放电试验等措施，能提前排查出断格蓄电池，确保蓄电池组以良好的状态运行。