一种变电站蓄电池组开路续流装置的研制

罗 璐 罗海云

（昆明铁道职业技术学院电气工程学院）

0 引言

智能阀控式铅酸蓄电池因其安全稳定、占地小、免加液等优点被变电站广泛的作为应急备用电源应用于直流系统中。但对蓄电池组运行情况统计研究表明，由于设备自身的质量问题和运维不及时、不全面，大部分国产蓄电池在运行5-7 年就会出现缺陷，存在开路风险［1］。

随着我国电网系统的快速发展完善，变电站数量以及相应的蓄电池组配置的快速增长，由于变电站基本都实现无人值守，直流系统为变电站内的一次设备、继电保护、信号传送、自动安全保护装置提供电源，所以直流电源应具有高度的可靠性和稳定性，因此如何及时维护蓄电池组已成为电力系统的棘手问题。

直流电源系统内各设备根据运行维护规范，需要定期维护，而随着变电站数量的增加和人员的调整，近年来变电站直流电源系统维护的工作压力逐年增大，改变现有维护模式，改变直流蓄电池组缺陷处理方式，提高运维效率成为近年来探索的焦点。

1 现状分析

变电站内蓄电池电源是确保设备正常运行的最后直流电源，一套完整的蓄电池使用寿命，会受到环境、温度、浮充电压等因素的影响，蓄电池长期通过充电机挂在直流系统上运行，其中单只蓄电池容易出现内阻过大、端电压降低或内阻过大等异常，也可能所在运行环境的影响，使电池受外力破坏、外壳破裂等，这就要求把故障的单只电池从系统中脱离出来进行更换。如果有备用电池组，则系统可以并列运行的，直接将故障电池组退出进行更换；若没有备用蓄电池组的情况下，更换故障蓄电池的工作就显的较为困难，对直流系统也较为危险。目前通常的做法是：一、待停电检修时更换；二、采用外接备用蓄电池组并列后，再更换故障电池；三、采用传统二级管进行跨接［2］。

变电站直流电源系统的蓄电池组是由多个额定电压为2V左右的电池串联运行的，当其中任意某节电池发生开路及故障时，轻则影响整组电池的使用寿命，重则使整组蓄电池组断开，不能给变电站控制设备提供直流电源，从而导致设备失电，控制回路失控，电力系统中发生过多次直流系统停电引起的事故，严重威胁电力系统的安全稳定运行。

目前，对变电站蓄电池组的运行维护主要通过试验仪器测量蓄电池的端电压、内阻、温度等参数进行分析判断电池能否正常运行，常规的定期对蓄电池组的维护检查非常耗时耗力，对于检查周期内发生的电池开路及故障不能及时的发现，特别是单个蓄电池开路时，蓄电池组无法继续为负载提供工作电流的问题，导致直流系统停电，大大降低了变电站运行的稳定性和可靠性。

目前变电站蓄电池组做为直流电源后备系统，一旦发生某一个单体电池开路故障将造成整体蓄电池组失压，会导致保护拒动风险。并且日常运行过程中易因为单节电池电压亏损影响整组蓄电池，甚至拖垮该组蓄电池导致直流系统崩溃［3］。

本文主要研发一种蓄电池开路续流装置，当变电站蓄电池组在一个和数个蓄电池在运行中发生开路故障时，能够确保蓄电池组进行可靠供电。在蓄电池组正常工作时，续流装置不产生作用，一旦发生开路故障，不会产生时间延迟，即自行导通。改善蓄电池可能出现的硫化现象，使蓄电池恢复到正常浮充电状态。

2 本文提出的方法

目前国内更换失效电池的办法一般采用断开蓄电池的直流电源空气开关或切换把手，然后把备用电池组并到充电机上，再退出待更换或维修的蓄电池，这样的操作一方面大大降低了更换速度，其次严重影响直流系统运行的安全性。综上原因，则需要研究一种不需蓄电池组停电可直接更换故障蓄电池的跨接装置，原理如图1所示。

图1 蓄电池组开路续流装置内部原理图

蓄电池的开路自动续流技术在变电站直流系统维护中的应用：当蓄电池组开路续流装置在出现开路故障时，可通过能量转移将容量较高的蓄电池电量转移到故障蓄电池上或建立虚拟蓄电池替代开路蓄电池。在没有开路电池故障时可以通过均衡方式提高蓄电池组的容量一致性，延长蓄电池组的放电时间；在蓄电池出现开路保障时，能够保障直流电源继续工作，提高直流系统的可靠性，进而提高变电站的安全可靠性。

3 开路续流装置技术特征

在变电站蓄电池维护中，很难发现单一蓄电池开路故障，一旦直流系统出现问题，则采用断开直流电源，逐一排查找到损坏的蓄电池，再进行备用蓄电池并接替换，每一步都面临可能的直流电源故障带来的风险，而且在工作过程中为保证安全，更换工作在技术和管理上都较为复杂，而本文的变电站蓄电池组开路续流装置为简单的电池更换提供了技术支持。

1）安装了开路续流装置的电池组不需要退出运行中的故障蓄电池组，通过检测可无延时自动跨接开路单体蓄电池，保障电池组不间断正常工作。

2）安全可靠，小巧轻便，携带灵活，可以实现单人电池更换作业。

3）实现大电流、大余量跨接电流设计，满足持续工作100A、峰值工作300A电流时的正常工作。

4）最大故障电池电压Vn：1.5V≤Vn≤15V，满足多种不同额定电压蓄电池的实用。

5）跨接装置内部的电压降＜0.7V，基本不会对蓄电池组电压产生影响。

6）跨接装置设计动作报警指示灯，可快速定位开路电池位置以便检修更换。

7）外壳采用防腐阻燃ABS材料，防爆阻燃无明火，可靠性高，免维护。

表1 蓄电池组开路续流装置技术参数表

4 现场测试验证

测试按照技术参数列表进行条件限定，参照下图2所示的接线原理进行接线，严禁跨接装置输出线与蓄电池的正负电源接反。

图2 蓄电池组开路续流装置跨接示意图

分以下几种情况进行测试：

1.在蓄电池室内，给每只蓄电池跨接一个开路续流装置，正常运行的情况下有监测作用，不影响直流系统供电。

2.将一只开路故障的蓄电池串到蓄电池组中，将蓄电池组开路续流装置跨接在该故障蓄电池的两端，蓄电池组能正常工作，拆除续流装置，蓄电池停止工作，无电源向外输出，验证了该装置能自动检测开路故障蓄电池，并实现电流跨接，确保电池组能够对外持续供电，大幅度的提升了直流电源系统的安全可靠性。

3.在有蓄电池组开路续流装置跨接于开路故障蓄电池两端的情况下，不断开直流系统开关，根据续流装置跨接动作指示灯找到故障蓄电池并在线跟换，过程中直流系统供电正常，蓄电池组可不间断正常工作。

表2 蓄电池组开路续流装置测试结果表

5 成果应用优势

该研究成果应用于变电站直流电源的维护，其对目前蓄电池组的维护现状和技术发展具有以下作用：

（1）在蓄电池两端跨接变电站蓄电池组开路续流装置，根据指示灯可以很容易找出开路故障的蓄电池组故障单体电池，不需要退出运行中的蓄电池组，可以在线更换单一劣化蓄电池，模块会自动检测到失效电池，并实现超低功耗的大电流跨接，确保电池组能够对外持续供电，大幅提升直流电源系统的安全可靠性。

（2）相比以往此类装置设计，本装置体积更小巧灵活，最佳体积性能比及美感设计，在电池极柱就近直接安装，方便快捷，无需单独布线。

（3）本装置结构简单，制造成本低，外壳采用防腐阻燃绝缘材料，防爆阻燃无明火，可靠性高免维护。

（4）本装置元件少，无软件逻辑判定，装置动作反应快，可实现无延时跨接续流。本装置能在个别蓄电池容量亏损（或电池开路）的情况时，在蓄电池两端增加大功率二极管回路，能够将容量较高的蓄电池的容量通过电量转移的技术转移到容量较差的蓄电池上（或建立虚拟蓄电池替代开路蓄电池），从而提高蓄电池组的容量一致性，延长蓄电池组的放电时间，保障直流电源的有效供给，提高直流系统的可靠性，进而提高变电站的安全可靠性，可广泛运用于变电站直流系统。

6 结束语

本论文基于传统直流系统维护技术的研究，针对蓄电池组开路故障研发出一种可以自动跨接、保障直流电源有效供给的装置，能够确保蓄电池组进行可靠供电，该装置要求结构简单，安装实施便捷，可靠性高，预期应用和推广成果较优。