阀控式铅酸蓄电池在卡基娃水电站直流系统的应用

陈小龙

（四川华电木里河水电开发有限公司，四川 凉山 615800）

0 引 言

水电站直流系统的主要任务是为操作电源、继电保护等提供稳定可靠的直流电源。直流系统运行的可靠与否，对水电站的安全运行极为重要。蓄电池作为直流系统独立的备用电源，在交流停电时为水电站安全稳定运行提供有力的保障，是直流系统的核心部件。

卡基娃水电站位于四川省凉山州木里县境内的雅砻江一级支流木里河干流上，是该流域的“龙头水库”工程。电站设机组及公用220 V直流系统和气体绝缘组合电器设备220 V直流系统。机组及公用220 V直流系统蓄电池采用德国荷贝克OPZV 2 V型阀控式胶体铅酸蓄电池（600 Ah/组、103只/组、2 V/只），共两组。GIS 220 V直流系统蓄电池采用德国荷贝克OPZV 2 V型阀控式胶体铅酸蓄电池（400 Ah/组、103只/组、2 V/只），共两组。

1 蓄电池的类型及特点

蓄电池一般分为铅酸类、锂离子类以及镉镍类等。其作用是充电时将电能转为化学能，放电时将化学能转为电能，阳极上是二氧化铅（PbO2）活性物质，阴极上是海绵状铅（Pb）活性物质，电解液为稀硫酸（H2SO4）。若干的“原电池”构成蓄电池组,单体原电池电压为2 V左右。

蓄电池的基本工作原理是在充电时，通过氧化还原反应恢复成PbO2及Pb，电解液中H2SO4浓度升高。放电时，正极板的PbO2和负极板的Pb与电解液中的H2SO4反应，生成硫酸铅PbSO4，电解液中H2SO4浓度降低。

铅酸蓄电池包括防酸式与阀控式。VRLA目前应用最广泛，该型蓄电池为密封结构，使用过程中无需加酸加水，不会漏，没有排酸雾的现象，且电池盖上设有安全阀，其作用是当电池内部气压超过设定值时自动排气泄压，在气压降至正常值后自动关闭，防止电池内部进入空气。VRLA蓄电池由于使用方便，在电力系统中得到广泛应用[1-3]。

2 VRLA蓄电池的结构及工作原理

VRLA蓄电池的构造如图1所示。其中正极板中的活性物质为PbO2，负极板上的活性物质则是Pb，将正负两极都浸入电解液H2SO4中时，正负极板之间放置耐腐蚀的超细玻璃纤维隔板，防止正负极板相互接触，避免出现短路。

图1 VRLA蓄电池内部结构

VRLA蓄电池的工作原理类似传统电池，基本的电池充放电反应如下：

放电过程中正极板上的PbO2、负极板上的Pb均与H2SO4发生化学反应，生成PbSO4与H2O，正负极板都会出现PbSO4，H2O则与电解液H2SO4融合，电解液中H2SO4减少，浓度降低，蓄电池将电能转化为化学能进入充电阶段。充电过程中正负两极上附着的PbSO4被还原成PbO2与Pb，电解液中H2SO4增多，浓度升高。

3 VRLA蓄电池运行方式

电站运行规程规定，蓄电池组正常运行时采用浮充方式，浮充电压值一般控制为N×2.23 V，其主要监视项目包括蓄电池组的端电压、浮充电流以及单体蓄电池电压。

3.1 浮充电

充电后的蓄电池极板存在自放电现象，为了弥补电池这种现象，保证蓄电池在满容量下运行，充电装置除了为直流负荷提供电源，还为蓄电池组浮充电。浮充电时高频开关电源将厂用交流电源整流为直流，一部分供直流负荷，一部分给蓄电池充电，以弥补蓄电池组的自放电，使其时刻处于满容量备用状态。浮充电压为N×（2.23～2.28） V，一般取为N×2.25 V（25 ℃时）。

3.2 均衡充电

蓄电池浮充电运行一段时间后，会出现个别单体蓄电池容量降低的情况。为了改善落后的电池情况，可通过高频开关电源对蓄电池进行手动或自动的均衡充电，使蓄电池组中所有单电池都置于充足电状态。其过程为先用In（0.1C10）电流对蓄电池恒流限压充电，待蓄电池端电压上升到均充电压时，转入恒压限流充电，当充电电流降低到In（0.1C10）时充满，恒压充电保持一段时间后转入浮充电状态。均充电压与次数设置合理可以保证蓄电池组的正常使用寿命[4-6]。

3.3 事故放电和自动充电

当水电站厂用交流电源中断时，水电站的主要负荷与事故照明负荷转为蓄电池组供电，蓄电池进入放电过程。随着蓄电池放电电压和放电电流逐渐减少，若蓄电池组端电压下降到终止电压N×1.8 V时，厂用交流电源仍未恢复供电，此时应使蓄电池停止放电，避免过放电损坏蓄电池。当厂用交流电源恢复供电时，高频开关电源将自动（或手动）先后进入恒流充电、恒压充电以及浮充电状态，并恢复到正常运行状态。

3.4 核对性充放电

浮充电方式限压限流运行，只充电而不放电，会造成蓄电池阳极极板钝化，内阻增大，容量大幅下降，缩短蓄电池使用寿命。另外由于VRLA蓄电池采用密封结构，所以不能直观地判断其当前容量及内部情况（如失水或干裂），因此需对蓄电池进行核对性放电。全核对性额定容量放电试验适合新安装或大修后的阀控蓄电池组。以电流In（0.1C10）放电10 h，对电池进行100%容量的放电，放电电流不应变化过大，放电电压需小于蓄电池的终止电压。蓄电池组放电结束后需及时充电，避免蓄电池因内部的硫化发生短路事故。先采用0.1C10恒流充电，蓄电池组端电压上升到N×2.23 V后自动（或手动）转为恒压充电[7]。

4 影响VRLA蓄电池寿命的主要因素

一是环境温度对VRLA蓄电池寿命的影响。VRLA蓄电池最佳运行温度应在20～25 ℃，其内部水分的分解会因温度升高而加速，并加剧蓄电池极板腐蚀，缩短电池寿命。25 ℃环境下的使用情况最为理想，可获得最佳使用寿命。在超过标准温度下长期运行时，会相应缩短使用寿命，若温度升高10 ℃，则使用寿命会减少一半。此外，VRLA蓄电池低温充电时有H2产生，导致电池内部压力上升，电解液减少，电池寿命同样也会缩短。

二是长期浮充电对VRLA蓄电池寿命的影响。若VRLA蓄电池长期处于浮充电状态下，只充电而不放电则会造成蓄电池的阳极极板钝化，内阻增大，容量降低，从而缩短蓄电池的正常使用寿命。

三是大电流充、放电对VRLA蓄电池寿命的影响。大电流过充、深放将使其极板膨胀变形，活性物质脱落，内阻增加，温升过高，容量下降，影响其正常使用寿命。

四是均衡充电对VRLA蓄电池寿命的影响。均衡充电的目的是为了使电池容量、端电压一致。均衡充电时产生的气体量比日常浮充充电时大得多，因此不能长时间充电，防止过多的气体对O2的再化合效率产生不利的影响，增大失水量，加快板栅的腐蚀速度，对蓄电池使用寿命产生不良影响。

五是过度放电对VRLA蓄电池寿命的影响。当厂用交流电源发生故障中断后，电站主要负荷由VRLA蓄电池供电，若其长期为电站负荷供电则会发生过度放电。过度放电会在电池阴极造成PbSO4，由于其是绝缘体，因此会对VRLA蓄电池的充、放电性能产生不良影响。在VRLA蓄电池阴极上形成的PbSO4越多，其内阻越大，电池的充、放电性能越差，使用寿命就越短。当直流系统厂用交流电源中断转由蓄电池供电时，为防止VRLA蓄电池过度放电，应监视其电压电流。

六是过度充电对VRLA蓄电池寿命的影响。VRLA蓄电池充电时间过长或者充电电压过高时会对正常的电池造成过充的情况，将造成电池失水、电解液干枯，减少其正常使用寿命。正极在长期过充电状态下出现析氧反应，水被消耗，正极附近酸度增加，板栅腐蚀加速而变薄，电池容量下降，同时蓄电池因水损耗加剧有干涸的危险，导致蓄电池提前报废。

5 VRLA蓄电池运行常见故障原因分析、处理方法

VRLA蓄电池运行中出现故障，将使电站直流负荷缺少而发生事故保障，导致继电保护出现误动、拒动甚至越级跳闸。同时由于蓄电池内部有H2、O2的循环，在故障情况和偶发因素作用下可能会发生火灾事故。水电站蓄电池组在运行中的常见故障类型有漏液现象、爬酸现象、外壳变形、鼓肚或爆裂以及活性物质软化等。

5.1 漏液现象

蓄电池可能因为人为原因、气阀质量、焊接工艺等原因造成漏液情况的发生，主要表现为极柱漏液、安全阀漏液以及电池槽盖密封漏液等。蓄电池漏液必须及时处置，防止漏液扩大。壳体周围轻微漏液时用与壳体材料相同的材料进行粘补，当发生漏液的蓄电池数量较多时，则应立即对整组蓄电池进行更换，并及时将电池架擦拭干净。

5.2 爬酸现象

电池极柱端子被腐蚀，产生PbO2和PbSO4，在内部气压作用下电解液H2SO4沿腐蚀通道流到端子表面出现爬酸现象。在发现电池极柱有爬酸现象时，可涂抹一些凡士林，必要时应更换爬酸蓄电池。

5.3 外壳变形、鼓肚或爆裂

引起电池外壳变形、鼓肚或爆裂的因素主要有安全阀盖片的出气孔被堵塞、电池过充以及热失控等。而阀控蓄电池壳体出现异常的最多原因是蓄电池过充，因此控制充电电压和充电电流是延长蓄电池使用寿命的关键。

5.4 活性物质软化

在充放电循环过程中，蓄电池的Or晶型转化为B型，B型晶粒具有细小、结合力较差的特点，削弱了活性物质的结构，出现活性物质泥化现象，甚至导致蓄电池报废。

6 结 论

卡基娃水电站直流系统自2015年投运以来，作为直流系统的供电核心，VRLA蓄电池已安全运行7年。正确地认识VRLA蓄电池的结构特点，更好地掌握蓄电池的运行特性，将大大提高电站运维人员的维护技能水平，确保直流系统的供电可靠性。