浅谈蓄电池监测系统在地铁安全运营中的作用

摘要：地铁做为北京市交通运输的重要组成部分，它高效便捷的特点使其成为北京市交通运输的重要组成部分。本文以北京地铁多年来的运营经验为基础，充分考虑到北京地铁在首都交通运输中的关键作用，从平稳、可靠、安全的运营角度出发，结合地铁日常运营维护的特点，着重阐述了蓄电池监测系统在地铁供电系统中的重要意义，以及在保障安全运营中发挥的作用，详细分析了引发蓄电池故障的可能性，结合生产实践，浅谈应用测量浮充电压、测量电池表温、测量电池内阻的原理和优缺点。

关键词：蓄电池监测;内阻;浮充电压;表温

绪论

蓄电池是电力电源系统中的重要组成部分，它作为直流供电电源，主要担负着为电力系统中二次系统负载提供安全、稳定、可靠的电力保障，确保微机保护和通信设备的正常平稳运行。因此，能够时刻掌握电池运行状况也就有十分重要的意义。然而蓄电池经过一定时间的使用后，易因活性物质脱落、板栅腐蚀或极板变形、硫化等因素，而使容量逐渐降低直至失效，电池老化和失效后突出的表现就是内阻增大。尤其在北京地铁这种地下密闭空间布置的电池来说，如果发生起火冒烟等危险，后果将会非常严重，目前北京地铁的变电站已经全面实行无人值守。所以，找出落后的电池，并将其予以及时处理，快速消除隐患，就是地铁运检人员的其中一项工作。

一、阀控式密封铅酸蓄电池（VRLA）应用场景

1、蓄电池在北京地铁中的重要作用

蓄电池的作用就是作为电能储存装置安装在电源屏内部，当市政电网发生停电或者波动或者倒闸操作时，能提供不间断的稳定电源。目前北京地铁的主要供电系统包含10kV系统、直流牵引系统、低压400V系统，这三大系统中都采用直流电源供电，目的就是在市政电网发生停电或者波动以及倒闸操作时，保证其稳定不间断工作。

2、阀控式密封铅酸蓄电池在北京地铁中的现状

北京地铁1号线始建于1976年，内部空间狭小，设备机房的通风条件十分有限，这样就导致工作环境粉尘大、温度高，需要格外注意蓄电池运行状况。以1号线八宝山站变电站为例，站内温度常年维持在35摄氏度以上，然而蓄电池的理想运行温度是25摄氏度，温度过高就会导致电池内电解液流动性提高，加剧化合反应使电池内部升温，使相当一部分充电电流转化为热能，导致电池内部升温，进入恶性循环，同时产生的热量不能及时扩散出去，加速电解液的损失，因此阀控式铅酸蓄电池寿命的第一“杀手”就是高温。随着使用时间的增加，必然会有个别或部分电池导致內阻变大，呈退行性老化现象。

3.监测蓄电池内阻可以及时了解电池的健康状况

蓄电池的电压、电流、温度都是其重要运行参数，但是不能反映蓄电池内部状态。内阻作为国际公认的对蓄电池最有效的，测量最便捷的性能参数，能够反映蓄电池的劣化程度，容量状态等性能指标，而蓄电池失水、负极板硫化、正极板腐蚀是造成内阻升高的主要原因。

蓄电池组的容量是以状况最差的那一块电池的容量值为准，当电池容量下降到原来的80%以下时，电池便进入衰退状况，衰退期很短，这时电池组已存在极大的事故隐患。

二、蓄电池监测系统在地铁中的实际应用

1、蓄电池监测系统的必要性

随着蓄电池的广泛应用，特别是备用电源中的应用，由于蓄电池的运行要求比较严格，电池在偏离了正确的使用条件下运行会影响电池使用寿命，甚至造成严重的后果，因此，2009年6月1日开始执行新的《电子信息系统机房设计规范》GB50174—2008，对蓄电池的管理提出了明确的要求，特别是对A级机房的蓄电池要求监测到每一块电池，这对于提高机房应对供电灾难的水平意义重大。

2、蓄电池监测系统的组成部分

1号线直流屏电池监测系统由系统管理单元（主机）、单体监测模块、系统管理软件等部分组成。蓄电池监测系统采用模块化设计，蓄电池单体检测模块的检测线通过可插拔接头与电池的正负接线柱连接，负责采集蓄电池的电压、内阻、温度，通过监测主机进行数据管理，最后通过柱状图在屏幕上显示出来，供巡视人员实时监管。每个单电池监测模块安装在电池外壳上，通过正负极接线为模块供电并且对电池的浮充电压和内阻进行测量，同时每个模块上嵌有热敏电阻，通过电阻随温度近似于直线的变化，来反映出电池表面的温度。然后监测主机根据设定的报警值，找出状态不好的电池，发出报警。

蓄电池监测模块安装示意图

三、蓄电池的监测项目以及原理研究

阀控式铅酸蓄电池组一般监测以下三项重要指标

（1）监测单电池的浮充电压

1号线直流屏电池组的浮充电压是固定的，一般为243V，平均一节电池13.5V，当某一节电池内阻升高时，分得的电压就会升高，健康的电池充电电压会维持在14V以下。电压过高会引起蓄电池正极腐蚀和失水，降低蓄电池容量，并且引起电池发热。因此测量单电池的浮充电压成为一种快速判断电池性能好坏的标准之一。

（2）监测蓄电池的温度。

电池在充放电过程中都会伴随着发热，这就是电流引起的焦耳热，因此内阻越高，产生的热量就越大，从而引起蓄电池内部温度的升高，因此温度和内阻之间存在着正比的关系。还有一种就是电化学反应产生的热，蓄电池的充放电过程为化学反应，过程中会产生不可避免的热量，这都是正常的温升现象，一般不会超过45摄氏度。因此蓄电池监测系统监测的温度是一种非正常的温度升高，在1号线电池监测系统中设置的温度定值为50摄氏度，当发生温度报警时应引起足够重视。

（3）监测内阻，直接反应蓄电池的性能

阀控式铅酸蓄电池的内阻与蓄电池故障机理：

①腐蚀。正极板和负极板的腐蚀使蓄电池金属通道减少，金属电阻增大。

②硫酸盐化。由于一部分有效物质转化为硫酸盐，涂膏的电阻增大会使蓄电池的内阻增大。

③干涸。干涸是阀控铅酸蓄电池所特有的最严重的故障，干涸将使相邻板栅间导电通道电阻增大。

因此，根据内阻变化可以检测蓄电池性能的部分问题，在蓄电池内部的化学反应过程中，其实質就是极板上的活性物质和稀硫酸电解液发生的电化学反应，产生电流。在这个电化学反应过程中，经常伴随着一种学名叫“硫酸盐化的”负反应，也就是铅和硫酸生成了一种硫酸铅，硫酸铅是一种绝缘体，它的形成必将对电池的充放电产生极不好的影响，因为在负极板上形成的硫酸盐越多，电池的内阻越大。

4、测量蓄电池内阻的原理方法

监测蓄电池的内阻，作为精确且及时判断电池性能的关键参数，被电力行业广泛认可，因而现在的热点研究方向是对单体蓄电池的内阻监测。

阀控式铅酸蓄电池内阻检测原理概述：

系统控制监测模块给电池两极注入一个恒定交流信号，由于蓄电池存在欧姆阻抗和极化阻抗，然后模块测量电池两端电压变化，通过欧姆定律，用电压降除以恒定电流就是被测电阻的值。这种方法能够一定程度上减少导线引起的误差，提高测量精度。北京地铁1号线安装的蓄电池监测系统存在测量误差较大的情况，究其原因如下：检测导线通过插头与蓄电池连接，这样的安装方式的优点是方便模块出现故障后进行更换，方便检修。可当蓄电池清扫后插头会出现松动或者长时间运行，接触面发生氧化后，就会导致线的阻值增大。以100AH蓄电池为例，其合格内阻值为4毫欧左右，当检测模块的检测线出现轻微松动后，经过测量，线的阻值已经上升了10几毫欧，所以导致这些线阻反映在了电池内阻上，出现测量误差，导致误报警的出现，目前这种情况在1号线出现的概率很高。

目前我们尝试对监测模块加以改进，把连接插头换成了接线端子，检测线用螺丝固定的方式与模块连接，这样就解决了插头松动的问题，又不需要拧松电池正负极螺栓来更换模块，大大降低了检测误差。

未来展望：蓄电池作为地铁中不可缺少的一部分，如何使用及监测，则成为了重中之重，早一些发现有问题的电池，就会减少发生危险的概率。随着物联网信息技术的发展，蓄电池监测系统今后可以通过监测主机上传到手机客户端上，降低维护成本和人工成本。

结论

1、从地铁运营平稳安全的角度出发，全面剖析了蓄电池故障引发的原因和消极影响，结合北京地铁的重要性和特殊性，提出了在新的时代背景下蓄电池监测系统对于生产生活的重大意义。

2、阐述了蓄电池的起源和发展，全面解析了蓄电池内阻构成和影响内阻因素，通过测量电压、温度、内阻来监测蓄电池状态。

3、简单介绍了蓄电池监测系统的组成部分，阐述了内阻测量的基本原理，并简要介绍了蓄电池监测系统在实际应用中出现的问题。

参考文献

[1]《变电站直流设备使用与维护 》中国电力出版社   徐海明 周艾兵 2015.4

[2]《VRLA蓄电池的热失控》 管雄俊 2005.4

[3]《阀控式密封铅酸蓄电池的最新发展》 胡信国 2001.3

作者简介：刘兵，（1993-），男、汉族，北京市通州区宋庄镇平家疃村，北京市地铁运营有限公司供电分公司低压及电源系统专责工程师，本科，负责1北京地铁1号线、八通线、S1线的低压及电源系统的技术管理与新线筹备工作。