陳 彬

（中國(guó)石化集團(tuán)上海工程有限公司，上海 200120）

由于20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的閥控型密封鉛酸蓄電池直流系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、運(yùn)行可靠、維護(hù)工作量小、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)；其充電裝置具有微機(jī)調(diào)節(jié)和控制的全自動(dòng)功能，且其絕緣監(jiān)察、直流母線調(diào)壓等輔助設(shè)施也均采用了微機(jī)自動(dòng)控制，因此，成為了國(guó)內(nèi)工程建設(shè)中電氣直流設(shè)備的首選。

但隨著大量直流系統(tǒng)新技術(shù)產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，由于相關(guān)工程技術(shù)及管理人員對(duì)此新型直流設(shè)備運(yùn)行維護(hù)存在著認(rèn)識(shí)上的誤區(qū)，簡(jiǎn)單地認(rèn)為充電設(shè)備是全自動(dòng)的，閥控型密封鉛酸蓄電池是免維護(hù)的，對(duì)相關(guān)的技術(shù)要求掌握不夠精細(xì)、不熟悉，對(duì)直流設(shè)備的選擇及維護(hù)不到位，使本應(yīng)該獨(dú)立運(yùn)行的直流電源可靠性降低，給工廠裝置的安全運(yùn)行留下了隱患。因此，有必要進(jìn)行一些有益的探討。

1 實(shí)際工程中的直流設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)置考慮

實(shí)際工程中直流設(shè)備系統(tǒng)的配置、選型及設(shè)計(jì)主要依據(jù)電力系統(tǒng)或國(guó)家電網(wǎng)公司的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。主要分以下幾方面。

1.1 系統(tǒng)電壓選擇

一般系統(tǒng)電壓為110/220V，電壓允許變化幅度根據(jù)正常運(yùn)行、充電運(yùn)行及事故放電不同情況，分別為105%、110%和87.5%。（適合控制/動(dòng)力負(fù)荷混合輸出——此為常用。）

1.2 蓄電池組選擇

現(xiàn)多數(shù)采用閥控型密封鉛酸蓄電池，小容量時(shí)也可采用高倍率鎘鎳堿性蓄電池。采用2組安裝方式。

1.3 充電裝置選擇

配置2套高頻開(kāi)關(guān)模塊型充電裝置（N+1模式）已漸成主流。

1.4 接線方式選擇

為滿(mǎn)足運(yùn)行中兩段直流母線切換時(shí)不斷電，往往要求2組蓄電池短時(shí)并聯(lián)；在合聯(lián)絡(luò)斷路器時(shí)應(yīng)測(cè)量母線的電壓以防環(huán)流損壞。特別需注意的是，直流電源系統(tǒng)一般為不接地的對(duì)地絕緣方式運(yùn)行。

1.5 供電方式選擇

直流分電柜的饋出線一般為放射式。

1.6 保護(hù)方式選擇

直流系統(tǒng)的各個(gè)出口回路一般設(shè)直流斷路器或熔斷器。在不具備計(jì)算條件時(shí)，可使用如下原則（串級(jí)時(shí)）：

上一級(jí)為熔斷器時(shí)，其額定電流為斷路器的2倍；

上一級(jí)為斷路器時(shí)，其額定電流為熔斷器的4倍。

1.7 動(dòng)穩(wěn)定要求

由于工程中用戶(hù)級(jí)變電所的蓄電池容量一般為500Ah及以下，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，可按10kA短路電流考慮。

2 閥控型密封鉛酸蓄電池直流系統(tǒng)的特殊要求

閥控型密封鉛酸蓄電池因其具有對(duì)環(huán)境無(wú)污染、壽命長(zhǎng)、易維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用，但其對(duì)溫度的反應(yīng)較靈敏，不允許過(guò)充電和欠充電，故有必要采取相應(yīng)的措施應(yīng)對(duì)，以期安全可靠的使用。

具體措施主要體現(xiàn)在其充電裝置應(yīng)采用微機(jī)型高頻開(kāi)關(guān)整流裝置，提高充電質(zhì)量和自動(dòng)化水平；增加放電裝置的自動(dòng)開(kāi)關(guān)，便于定期的充放電試驗(yàn)；全部采用直流自動(dòng)空氣斷路器，提高直流回路的短路切斷容量；采用能實(shí)時(shí)監(jiān)視蓄電池的端電壓和內(nèi)阻的電池管理系統(tǒng)——微機(jī)型（實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)很多工程由于經(jīng)費(fèi)問(wèn)題，此系統(tǒng)往往采用只監(jiān)視電池組而不是每個(gè)電池的端電壓。經(jīng)常出現(xiàn)由于未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)損壞的電池，而使整個(gè)系統(tǒng)的使用壽命及容量受到較大的影響。詳細(xì)分析見(jiàn)下文相關(guān)部分）；設(shè)置可與電力SCADA系統(tǒng)連接的通訊/觸點(diǎn)接口，便于遠(yuǎn)程監(jiān)視。

3 核心部分——閥控型密封鉛酸蓄電池的正確使用

閥控型密封鉛酸蓄電池是變電所閥控型密封鉛酸蓄電池直流系統(tǒng)核心組成部分，直流系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，充電裝置承擔(dān)經(jīng)常負(fù)荷電流，同時(shí)向蓄電池組補(bǔ)充電，以補(bǔ)充蓄電池的自放電，使蓄電池以滿(mǎn)容量的形式處于備用狀態(tài)。在系統(tǒng)發(fā)生故障，所用電中斷的情況下，蓄電池組發(fā)揮其獨(dú)立電源的作用，向繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置、斷路器跳閘及合閘、載波通訊、事故照明等提供直流工作電源。因此，閥控型密封鉛酸蓄電池的電氣技術(shù)指標(biāo)及機(jī)械性能指標(biāo)的優(yōu)劣，都會(huì)影響到變電所閥控型密封鉛酸蓄電池直流系統(tǒng)的可靠性。

對(duì)于廣大工程技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，如何有效預(yù)防和排除閥控型密封鉛酸蓄電池的常見(jiàn)故障，將更具有實(shí)際工作意義。

首先，在實(shí)際工作中常會(huì)遇到新的整組蓄電池充電時(shí)，個(gè)別蓄電池電壓升高迅速并很快處于過(guò)充狀態(tài)，導(dǎo)致整組蓄電池充電電壓升高，充電電流下降，充電時(shí)間延長(zhǎng)。這其實(shí)主要是生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)時(shí)工藝不當(dāng)，使正負(fù)極板跟玻璃纖維隔板中電解液脫離接觸有關(guān)。但我們安裝使用時(shí)往往會(huì)嫌麻煩，不做一次全容量的核對(duì)性放電試驗(yàn)以及時(shí)發(fā)現(xiàn)有問(wèn)題的蓄電池，致使整組新電池都可能出現(xiàn)早期容量失效的風(fēng)險(xiǎn)。

其次，閥控型密封鉛酸蓄電池的硫酸鹽化的問(wèn)題較為突出，特別是在工程交付前。表現(xiàn)為核對(duì)性放電時(shí)，蓄電池放不出額定容量。這是由于現(xiàn)場(chǎng)的施工及管理人員的不太重視類(lèi)似問(wèn)題，要么使蓄電池長(zhǎng)期欠充電(浮充電壓低于2.23～2.28V)或長(zhǎng)期過(guò)充電(浮充電壓高于2.23～2.28V), 要么出現(xiàn)深度放電。

其實(shí)，只要認(rèn)真閱讀設(shè)備廠家相關(guān)的產(chǎn)品安裝指導(dǎo)，欠/過(guò)充電的情況很容易避免，雖說(shuō)還是經(jīng)常發(fā)生。然而，深度放電的出現(xiàn)由于其原因的多樣性和隱蔽性，需要工程技術(shù)人員認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作，才能處理好。

蓄電池被“深度放電”是造成蓄電池的使用壽命被縮短的一個(gè)重要原因，這種情況極易發(fā)生在采用具有固定的“蓄電池電壓過(guò)低自動(dòng)關(guān)機(jī)”閥值設(shè)計(jì)方案的蓄電池自動(dòng)關(guān)機(jī)保護(hù)電路UPS中（絕大多數(shù)中、小型UPS均采用此種設(shè)計(jì)方案）。當(dāng)這種UPS被配置成長(zhǎng)延時(shí)UPS供電系統(tǒng)（例如：4h/8h蓄電池后備供電時(shí)間），而且它們的后接實(shí)際負(fù)載量較小時(shí)，一旦市電停電，蓄電池就會(huì)被“深度放電”。對(duì)于UPS供電系統(tǒng)而言，當(dāng)用戶(hù)的后接負(fù)載量很輕時(shí)（所謂的“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象），對(duì)UPS主機(jī)而言，肯定有利于降低逆變器的故障。然而，對(duì)于同UPS配套的長(zhǎng)延時(shí)蓄電池組而言，則會(huì)因蓄電池被“深度放電”而造成蓄電池的實(shí)際使用壽命成10倍地被縮短。

當(dāng)蓄電池的放電速率為0.6C，UPS的后接負(fù)載所需的蓄電池放電電流為蓄電池容量（Ah）數(shù)的60%時(shí)，一旦市電停電時(shí)，隨著停電時(shí)間的延長(zhǎng)，蓄電池的端電壓降逐漸下降。當(dāng)放電時(shí)間為62 min左右時(shí)，單元蓄電池的端電壓降下降到它的“蓄電池電壓過(guò)低自動(dòng)關(guān)機(jī)”閥值1.67V（相對(duì)于2V蓄電池），從而迫使UPS進(jìn)入自動(dòng)關(guān)機(jī)狀態(tài)，讓蓄電池停止放電。而此時(shí)的“蓄電池電壓過(guò)低自動(dòng)關(guān)機(jī)”閥值比在0.6C放電速率下蓄電池所允許的臨界關(guān)機(jī)電壓值1.6V要高。所以，蓄電池此時(shí)處于正常放電狀態(tài)，而被自動(dòng)關(guān)機(jī)終止放電。

當(dāng)蓄電池的放電速率為0.6C，UPS的后接負(fù)載所需的蓄電池放電電流僅為蓄電池容量（Ah）的16%時(shí),即用戶(hù)的負(fù)載很輕。一旦市電停電，而且讓蓄電池一直放電到因“蓄電池電壓過(guò)低”而自動(dòng)關(guān)機(jī)時(shí)，此時(shí)，由于單元蓄電池的實(shí)際放電電壓1.67V要比在0.16放電速率下所允許的臨界放電電壓1.75V要低，從而迫使蓄電池進(jìn)入“深度放電”的狀態(tài)，必將造成蓄電池組過(guò)早地報(bào)廢失效。

從上面的分析可見(jiàn)，為了能最大限度地獲得最長(zhǎng)的“安全放電時(shí)間”而又不致于造成蓄電池被“深度放電”的關(guān)鍵是讓蓄電池的“蓄電池電壓過(guò)低自動(dòng)關(guān)機(jī)電壓”的閥值能隨著用戶(hù)的負(fù)載的大小而自動(dòng)調(diào)整，并使它永遠(yuǎn)高于在該放電速率下所允許的臨界放電電壓值。近年來(lái)，由于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和微處理器被廣泛地應(yīng)用，已研發(fā)出了能有效防止蓄電池被“深度放電”的蓄電池管理系統(tǒng)。但實(shí)際工作中遇到的UPS大多都未安裝此設(shè)備，所以，有時(shí)過(guò)多考慮經(jīng)濟(jì)因素或?yàn)榱松虅?wù)上競(jìng)標(biāo)的需要而舍棄重要的技術(shù)保障，可能往往會(huì)得不償失。

既然現(xiàn)實(shí)如此，那就只能要求業(yè)主電氣維護(hù)方特別注意做到周期性核對(duì)性放電作為補(bǔ)救措施。工程技術(shù)人員也應(yīng)掌握此項(xiàng)技術(shù)，為新電池的正確使用提供技術(shù)保障。

核對(duì)性放電。按浮充電發(fā)生運(yùn)行的鉛酸蓄電池，其極板表面容易逐漸產(chǎn)生硫酸鉛結(jié)晶體(一般稱(chēng)為“硫化”)，堵塞極板的微孔，阻礙電解液的滲透，從而增大蓄電池內(nèi)阻，降低極板有效性活性物質(zhì)的作用，從而導(dǎo)致蓄電池容量大為下降。為使蓄電池極板有效活性物質(zhì)得到活化，容量得到恢復(fù)，延長(zhǎng)蓄電池使用壽命，保證蓄電池有足夠的容量，應(yīng)按直流電源系統(tǒng)管理規(guī)范有關(guān)規(guī)定的周期和方法進(jìn)行核對(duì)性放電工作。核對(duì)性放電的另一個(gè)作用是：長(zhǎng)期按浮充電方式運(yùn)行的閥控式密封鉛酸蓄電池，從每一只電池的端電壓判斷電池的現(xiàn)有容量、內(nèi)部是否失水和干裂時(shí)很難的，可靠的方法是通過(guò)核對(duì)性放電找出電池操作的問(wèn)題，判斷蓄電池的現(xiàn)有容量。其方法是蓄電池組脫離運(yùn)行，以規(guī)定的電流恒流放電，只要其中一個(gè)單體電池放到規(guī)定的終止電壓，應(yīng)停止放電，按放電流與放電時(shí)間的積計(jì)算出閥控式密封鉛酸電池組的實(shí)際容量。

而對(duì)新電池檢驗(yàn)的具體方法為新安裝的閥控式密封鉛酸電池的補(bǔ)充電完成后，應(yīng)進(jìn)行全核對(duì)性放電試驗(yàn)，以考核蓄電池的容量。考核電流采用1.0I10恒流放電。標(biāo)稱(chēng)電壓為2V的電池，放電終止電壓為1.8V；標(biāo)稱(chēng)電壓為6V的電池，放電終止電壓為5.25V；標(biāo)稱(chēng)電壓為12V的電池，放電終止電壓為10.5V。只要其中任一個(gè)蓄電池達(dá)到了終止電壓，就應(yīng)調(diào)整放電。最低電壓放出容量應(yīng)達(dá)到額定容量的95%以上。蓄電池放電后，應(yīng)靜置1～2h，再用1.0I10電流進(jìn)行恒流限壓充電→恒壓充電→浮充電。閥控式密封鉛酸蓄電池的容量考核應(yīng)符合：在基準(zhǔn)溫度為25℃時(shí)，10h率容量應(yīng)在第一次循環(huán)不低于0.95C10，第三次循環(huán)應(yīng)達(dá)到C10的規(guī)定。

若蓄電池組放電容量合格，則經(jīng)一個(gè)充放電循環(huán)即可投入運(yùn)行，對(duì)放電容量達(dá)不到要求的蓄電池組，應(yīng)按上述方法進(jìn)行3次充放電循環(huán)，若達(dá)不到額定容量的100%以上，則此蓄電池為不合格，應(yīng)更換。

4 閥控型密封鉛酸蓄電池直流系統(tǒng)設(shè)備的選擇與使用

4.1 電池的選擇

如：某220 kV變電所220 V直流負(fù)荷為：經(jīng)常負(fù)荷16 A；事故照明18.2 A；通信電源9.1 A；遠(yuǎn)動(dòng)電源4.5 A；電流統(tǒng)計(jì)為47.8 A；1小時(shí)容量統(tǒng)計(jì)為47.8 Ah。

根據(jù)最高電壓確定蓄電池個(gè)數(shù)= 1.05×額定電壓/浮充電壓=1.05×220/2.25 = 102.67 （取102個(gè)）；

蓄電池放電終止電壓≥0.85×額定電壓/蓄電池個(gè)數(shù)= 0.85×220/102 = 1.83 （V）；

蓄電池容量選擇=1.4×47.8/容量系數(shù) a = 1.4× 47.8/0.656=102 (Ah)；

若此時(shí)需要重合閘操作，則需增加容量 = 1.4 ×117.6（合閘電流）/容量系數(shù) b = 1.4×117.6/1.27 =129.64 (Ah)；

則總量為= 102+129.64 = 231.64 (Ah)；可選擇閥控型密封鉛酸蓄電池容量C10 = 300Ah。注：容量系數(shù)根據(jù)所選的電池不同而不同；容量系數(shù)a取放電時(shí)間1 h，容量系數(shù)b取放電時(shí)間5 s。

4.2 直流斷路器及載流導(dǎo)體的選擇

4.2.1 直流系統(tǒng)直流斷路器的選擇

在直流回路中，斷路器是直流系統(tǒng)各出線過(guò)流和短路故障主要的保護(hù)元件，可作為饋線回路供電網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)和隔離之用，其選型和動(dòng)作值整定是否恰當(dāng)以及上下級(jí)之間是否具有保護(hù)的選擇性配合，直接關(guān)系到能否把系統(tǒng)的故障限制在最小范圍內(nèi)，這對(duì)防止系統(tǒng)破壞、事故擴(kuò)大和主設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞至關(guān)重要。

由于變電所內(nèi)直流系統(tǒng)最多為一、二級(jí)，且現(xiàn)在多數(shù)配以斷路器保護(hù)，故上下級(jí)配合相對(duì)簡(jiǎn)單，級(jí)間配合一般取短延時(shí)0.2 s。但也應(yīng)注意不能使交、直流斷路器混用。因?yàn)?，交、直流的燃弧及熄弧過(guò)程不同，額定值相同的交、直流斷路器開(kāi)斷直流電源的能力并不完全相同，用交流斷路器代替直流斷路器或交、直流斷路器混用是保護(hù)越級(jí)誤動(dòng)的主要原因。

斷路器瞬時(shí)動(dòng)作采用磁脫扣原理，判據(jù)為通過(guò)的電流峰值，斷路器標(biāo)定的額定值為有效值，而交流電的峰值高于有效值，在相同定值下，在直流回路中交流斷路器實(shí)際額定值高于直流斷路器。另外，因交流斷路器與直流斷路器滅弧原理不同，交流斷路器不能有效、可靠地熄滅直流電弧，容易造成越級(jí)動(dòng)作。

實(shí)際選擇方法如下：

（1）充電裝置輸出回路直流斷路器的選擇。直流斷路器的額定電流按充電裝置額定輸出選擇，即

式中：In—直流斷路器的額定電流，A；

Kk—可靠系數(shù)，取1.2；

Im—充電裝置額定輸出電流，A。（2）斷路器電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的合閘回路直流斷路器的選擇，且過(guò)載脫扣時(shí)間大于固有合閘時(shí)間。

式中In—直流斷路器的額定電流，A；

Kc2—配合系數(shù)，取0.3；

Ic1—斷路器電磁操作機(jī)構(gòu)的合閘電流，A。

（3）控制、保護(hù)、信號(hào)回路直流斷路器的選擇。

式中：In—直流斷路器的額定電流，A；

Kc—配合系數(shù)，取0.8；

Icc—控制負(fù)荷計(jì)算電流，A；

Icp—保護(hù)負(fù)荷計(jì)算電流，A；

Ics—信號(hào)負(fù)荷計(jì)算電流，A。

（4）直流分電屏電源回路直流斷路器的選擇。1)直流斷路器的額定電流按直流分電屏上全部用電回路的計(jì)算電流之和選擇，即

綜合以上兩方面數(shù)據(jù)不難看出，農(nóng)村地區(qū)的老年人群是健康素養(yǎng)水平最低的人群。我國(guó)農(nóng)村老齡化問(wèn)題嚴(yán)峻，老年健康貧困風(fēng)險(xiǎn)更大。健康扶貧可以克服精準(zhǔn)扶貧中扶貧要求難以實(shí)行的缺點(diǎn)，通過(guò)合理的政策設(shè)計(jì)和策略選擇，有針對(duì)性地提升貧困者的脫貧能力，實(shí)現(xiàn)貧困者健康能力提升與農(nóng)村整體健康幫扶的有機(jī)結(jié)合是目前健康扶貧優(yōu)選之策。

式中：In—直流斷路器的額定電流，A；

Kc—配合系數(shù)，取0.8；

Icc—控制負(fù)荷計(jì)算電流，A；

Icp—保護(hù)負(fù)荷計(jì)算電流，A；

Ics—信號(hào)負(fù)荷計(jì)算電流，A。

2)為保證保護(hù)動(dòng)作的選擇性的要求，直流斷路器的額定電流還應(yīng)大于直流分電屏饋線斷路器的額定電流，它們之間的電流級(jí)差不宜小于4級(jí)。

（5）蓄電池出口回路直流斷路器的選擇。

1)直流斷路器的額定電流按蓄電池1h放電率電流選擇，即

式中： I1h—蓄電池1h放電率電流，A，閥控式密封鉛酸蓄電池可取5.5I10。

2)按保護(hù)動(dòng)作選擇性條件，即額定電流應(yīng)大于直流饋線中直流斷路器額定電流最大的一臺(tái)來(lái)選擇，即

式中：Kc4—配合系數(shù)，一般取2.0，必要時(shí)取3.0；

In,max—直流饋線中直流斷路器最大的額定電流，A。

取以上兩種情況最大者為直流斷路器的額定電流，并應(yīng)滿(mǎn)足蓄電池出口回路短路時(shí)靈敏系數(shù)的要求。同時(shí)，還應(yīng)按事故初期（1min）放電電流校驗(yàn)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間。

（6）直流電動(dòng)機(jī)回路直流斷路器的選擇。

式中：In—直流斷路器的額定電流，A；

Ihm—電動(dòng)機(jī)的額定電流，A。

4.2.2 電纜的選擇

(1) 按電纜長(zhǎng)期允許載流量 I≥回路長(zhǎng)期工作計(jì)算電流；

(2)按回路允許電壓降 S=0.0184（銅芯）×2×電纜長(zhǎng)度×計(jì)算電流/允許電壓降。（允許電壓降除電機(jī)/合閘回路取<2.5%以外，其余宜為<1%。）

5 總結(jié)

以上論述都是針對(duì)閥控型密封鉛酸蓄電池直流系統(tǒng)的特點(diǎn)而歸納的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)。只有深入了解并不斷完善新技術(shù)的運(yùn)用能力，才能使變電所內(nèi)的直流系統(tǒng)不間斷地為確保生產(chǎn)提供真正以安全和操作為目的可靠的備用或應(yīng)急電源，發(fā)揮其自身應(yīng)能發(fā)揮的作用，創(chuàng)造出實(shí)際的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[l] 王德志主編.蓄電池原理及使用[M].北京: 中國(guó)鐵道出版社, 1989.

[2] 張乃國(guó)編. 電源技術(shù). 北京: 中國(guó)電力出版社, 1998.

[3] 白忠敏, 劉百震, 於崇干. 電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 2版.北京: 中國(guó)電力出版社, 2009.

[4] 周志敏, 周紀(jì)海, 紀(jì)愛(ài)華. 閥控式密封鉛酸蓄電池實(shí)用技術(shù)[M].北京: 中國(guó)電力出版社, 2004.