变电站电池组的电压监测与维护

吴志勇

(国家电网宁夏吴忠供电公司,宁夏 吴忠 751100)

随着经济社会的发展,电力行业已步入全国联网、大机组、微电网、数字化时代,逐步向环保、经济、高效、安全的方向迈进。变电站直流系统是变电站的关键部分,主要为断路器控制、继电保护装置提供直流电源,与继电保护、故障切除存在直接联系,是维护电网安全运行的重要保障,可以降低发生事故时的经济损失。电池组作为变电站直流系统的一部分,主要在变电站突然断电期间及时为相关设备供电,避免造成难以预估的损失。当前多数变电站不需要专人值班,主站(调度中心)主要通过远程监测通信获取子站的实时数据和运行状况。现有变电站直流系统监测设备多数只能实时获取子站充电机故障、电池电压故障、熔丝故障、交流电源故障等问题,难以及时将内阻、电池温度等信息上传到调度中心,可能扩大事故影响。随着电力产业的发展,变电站分布范围越来越广、数量越来越庞大。为及时准确掌握变电站电池组电压运行状况,需要高度重视变电站电池组电压检测和维护,以提升变电站日常运行的稳定性、可靠性。

1 变电站直流电源系统基本组成

变电站直流电源系统是变电站中一个相对独立的系统,主要作用是为变电站安全自动装置、继电保护装置、应急电源等提供稳定可靠的直流电源,以满足变电站设备的工作需求。直流电源系统运行不会受到站用电、发电机、系统运行等的影响,即便没有交流电源供电,仍可借助电池组保持运行状态,确保不失电。直流电源系统主要由电池组、直流监控系统、充电机、交流输入、直流负荷和直流母线等构成。电池组一般由多只电池串联而成,是变电站直流电源系统的核心部件,用于储存能量并在交流电源断电时为相关设备提供直流电源,可以根据需要增加或减少串联的电池数量。电池组选型和布置需要考虑到变电站的负载需求、备用时间和可靠性等因素。

电池组的监测和维护是变电站直流电源系统日常管理的重要工作,采取优质监测维护设备和最佳维护方案,可以提高系统运维效率,保障系统运行安全。相关资料显示,电池使用期间实际容量降到额定容量的90%以下时,会步入半衰期,降到80%以下时,进入急剧衰退期。电池的衰退期非常短,进入衰退期表明即将失效,存在严重的事故隐患。电池工作机理非常复杂,不同电池的结构、工艺、材料各不相同,使用环境存在较大差异,电池组的监测和维护成为维持变电站稳定运行的关键。需要根据电池特性选择合适的维护方案,实现变电站直流电源系统电池组的健康管理。

2 变电站电池组

电池作为性能优异的便携储能设备,在工业控制和日常生活中占据重要地位,变电站、照明设备、不间断电源(UPS)、应急设备等都有电池的存在。从本质上讲,电池工作过程中需要将电能转化并存储为化学能,需要时再将存储的化学能转化为电能输出,电池的充放电过程即能量转换过程。变电站电池组主要为阀控式密封铅酸(VRLA)电池。

VRLA 电池是一种常见的电池,结构设计简单,主要由正负极板、隔板、电解液、极柱、安全阀、盖板和外壳等组成。正负极板通常由铅锡合金制成,通过隔板进行隔离;隔板通常由聚乙烯或玻璃纤维材料制成,绝缘性能良好;电解液通常由硫酸和蒸馏水混合而成,主要作用是提供离子导电路径,使正负极板能够进行电化学反应;极柱是连接正负极板的组件,通常由铅或铅合金制成,极柱设计会影响电池性能,如电流传导性能和耐腐蚀性能;安全阀是电池的重要安全装置,可在电池内部产生过高压力时自动释放压力,防止电池爆炸;盖板是用于封闭电池的上部结构,通常由塑料或金属制成,有连接电极的孔,以及安全阀和其他配件的安装孔;外壳是电池的外部保护结构,通常由塑料或金属制成,主要作用是保护内部组件,同时防水和防尘。总之,每个组件都起着重要的作用,正负极板、隔板和电解液共同构成电池的电化学反应系统,极柱和安全阀保证了电池的安全性能,盖板和外壳则起到保护和封装的作用。组件的合理设计和优质材料选择,可提高电池的性能和寿命,确保电池组安全可靠。

电池组的电压涉及电池端电压、开路电压、浮充电压和放电终止电压。这些电压参数可反映电池组的工作状态和性能,对电池的选择、使用和维护具有重要意义。实际应用中,需要根据具体需求和电池特性,合理设置和调整电压参数,以保证电池组的安全运行和延长使用寿命。首先,电池端电压,又称工作电压,指在电池正负极之间的电压差。电池组端电压主要受电池内部化学反应和外部负载的影响,当电池组处于放电状态时,端电压会逐渐降低,直至达到放电终止电压;而在充电状态下,端电压则逐渐增加,直至达到浮充电压。其次,开路电压指电池在没有外部负载下的电压,主要取决于电池的化学成分和内部结构。正常工作温度下,开路电压可作为电池的电量指示,即开路电压越高,电量越充足。再次,浮充电压指在电池组充电完成后,通过恒定电压充电方式维持电量的电压,旨在保持电池组的电量满足需求,避免过度充电造成损坏。一般来说,浮充电压略高于开路电压,以保证电池组的稳定工作。最后,放电终止电压指电池组在放电过程中,停止放电时的电压。放电终止电压的设定与电池的类型和用途有关,一般会根据电池的额定电压和使用要求进行合理设置,以避免过度放电造成损坏,是评估电池性能和寿命的一项重要指标。

监测电池组的电压可以帮助运营人员及时发现电池组存在的问题,并采取必要的维修或更换措施,以保证可靠性和稳定性。此外,电池组电压监测有助于预测电池组的寿命和性能,并实施合理的维护计划,以延长使用寿命、降低维护成本,提高电网的稳定性和安全性。

3 变电站电池组电压监测

整组电池电压监测装置问世已久,主要通过监测电池组电压确定电池运行状况,直观观察变电站直流电源系统的电压,但电池组在变电站正常运行期间处于浮充状态,电池组电压变化并不明显,即便其中某只电池出现问题,也无法及时发现,可能造成潜在安全隐患。近年来,相关领域优化了整组电池电压监测功能,装置具备了监测电池组温度、电流、电压,实时容量管理,以及充放电管理等功能,且能在电池放电期间电压低于下限时发出警报,并基于环境温度对电池组进行温度补偿,及时调整电池组浮充电压。虽然整组电池电压监测功能在先进技术的支撑下日益丰富,但仍难发现因个别电池老化或单体电池一致性引起的积累效应,单只电池产生的信号会被电池组信号掩盖,无法准确筛选老化电池。

为解决上述问题,变电站运维人员设计了电池组单体电池实时监测方案。该方案实现了部分与整体信息数据的同步,与整组电池电压监测相比有所进步,但实用时发现,单体电池监测预警性较差。虽然在电压过低或过高时可及时发现早期失效电池,但有时电压数据显示正常,有些电池性能仍明显降低。为此,相关科研机构推出了电池组内阻监测和在线监测系统,能主动精确监测电池内部状态,实时获取电池组变化数据,提升了变电站电池组的稳定性和可靠性。

例如,某变电站现场有2 组208 只12 V 电池,为维持变电站稳定运行,该电池长期运行,其中可能存在老化电池,导致健康电池寿命急速下降,最终导致变电站电池组整体报废。为此,可根据变电站电池组运行需求确定对应的组网方案,以YX-S121 电池参数传感器为采集设备,在线采集变电站直流电源系统电池的电压、内阻、温度、总电压和充放电电流,实现电池均衡管理功能;以YX-SBUS-485 通信转换装置配合电池智能参数传感器使用,将电池实时信息转化发送到用户局域网Web 浏览器,相关责任人能够实时掌握电池的健康状态,实现总体电池统一管理,维护电池电压稳定,为变电站安全、持续运行提供保障。

4 变电站电池组的维护

相关数据显示,超过50%的VRLA 电池故障是由电池组维护不当或电池组故障引起的。为确保变电站电池组在日常工作中发挥作用,要加强对电池组电压的维护和管理。首先,变电站应根据变电站负荷需求和备用时间要求选择电池类型,综合考虑变电站的负荷需求、备用时间要求和电池组寿命等因素,合理配置电池组,确保能够满足变电站的供电需求。其次,在电池投入使用前,需要进行安装检查,检查安装地面的平整度、安装固定件的牢固程度、连接线路的接触性能等,确保电池组安装正确、可靠;需要进行系统调试,检查电池组的电压、电流、温度等参数是否正常,调整保护参数,确保电池组可正常工作;投入使用前,需要进行试运行,观察电池组的放电情况和电池电压变化情况,确保能够正常供电。最后,变电站电池组日常工作期间,需要借助在线监测系统等定期对电池组的温度、电压等进行监测,确保电池组在正常温度范围内工作;若在线监测系统发出警报,发现电池组温度、电压相关数据异常,应及时检查电池组的充放电情况,采取措施进行处理;变电站运维人员需要定期对电池组进行充电,保持电量充足,充电时需控制电流和电压,避免过充电;运维管理人员需定期对电池组进行清洁维护,包括清理电池组表面的灰尘和污垢,检查连接线路的接触性能等,以及对电池组进行放电测试,准确评估性能和寿命,以便及时更新电池组个别老化电池,确保电池组性能。

5 结语

电池组在变电站中扮演着重要角色,用于提供备用电源,保证电网稳定运行。为保证电池组正常运行,需要对电压进行监测与维护。随着技术的更新与发展,变电站电池组电压监测系统不断更新和完善,在线实时监测成为当前变电站电池组电压监测的主要方式,可实时监测电池组的电压、电流、温度等,并将相关数据反馈到调度中心,还能及时发现电池组的电压变化,在出现异常时发出报警,以便及时采取措施进行维修或更换。为进一步提升变电站运行的稳定性和安全性,运维人员需定期对电池组进行维护、充电和放电,检查和补充电解液,清洁电池组的表面和连接器等,以提高电池组的使用寿命和可靠性,保证变电站的正常运行。