楊橋偉，徐賽梅，袁愿

(1.云南電網(wǎng)公司楚雄供電局，云南 楚雄 675000;2.廈門紅相電力設(shè)備股份有限公司，福建 廈門 361001)

1 前言

蓄電池是電力系統(tǒng)的后備電源，使用數(shù)量較多，但由于使用方法不當(dāng)或未進(jìn)行及時(shí)、有效的維護(hù)，將會(huì)導(dǎo)致蓄電池組中的個(gè)別蓄電池過(guò)放電導(dǎo)致提前失效。當(dāng)這些提前失效的蓄電池在后備電源帶負(fù)荷投運(yùn)時(shí)，將會(huì)嚴(yán)重影響到整個(gè)電池組的工作效率以及放電容量，甚至可能導(dǎo)致整個(gè)電力系統(tǒng)的崩潰。因此，為了保證在電力系統(tǒng)出現(xiàn)意外狀況時(shí)，用電設(shè)備依然能夠有序、安全、可靠地運(yùn)行，避免因個(gè)別蓄電池的失效或過(guò)放電而帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失與社會(huì)影響，對(duì)蓄電池進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)控以及故障診斷成為保障直流系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要內(nèi)容［1］。

2 蓄電池在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

目前，全國(guó)范圍內(nèi)的變電站所使用的蓄電池型號(hào)和容量都不盡相同，但大部分為閥控式鉛酸蓄電池。一般情況下，供電企業(yè)110 kV和35 kV變電站的蓄電池均在300 Ah以下，配置1組，其中大部分單體蓄電池電壓為2 V或12 V，安裝在蓄電池屏內(nèi)，要實(shí)現(xiàn)定期的核對(duì)充放電試驗(yàn)較難完成。220 kV和500 kV變電站的蓄電池一般為2組，單體蓄電池電壓為2 V，安裝在蓄電池室內(nèi)。同樣難以有效的對(duì)每節(jié)蓄電池實(shí)施性能檢查。

目前，各變電站基本上都缺乏有效的在線監(jiān)測(cè)手段，即使有些變電站已安裝監(jiān)控系統(tǒng)，其功能也都較為簡(jiǎn)單，起不到應(yīng)有的監(jiān)控作用。從各變電站的使用情況看，多數(shù)閥控式鉛酸蓄電池沒(méi)有進(jìn)行必要的維護(hù)。由于對(duì)這些所謂的“免維護(hù)”電池在認(rèn)識(shí)方面的一些誤解，運(yùn)行人員對(duì)閥控式鉛酸蓄電池性能的好壞以及蓄電池的容量大小等數(shù)據(jù)無(wú)法掌控，日常維護(hù)工作中存在的問(wèn)題對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成了潛在的巨大威脅。

目前，對(duì)電力系統(tǒng)中的蓄電池常用的檢測(cè)方法分為單體電池的電壓測(cè)量和定期的核對(duì)性放電試驗(yàn)兩種，但正常工作時(shí)的電池端電壓并不能準(zhǔn)確地反應(yīng)電池的真實(shí)性能狀況，即使性能不好的電池在浮充狀態(tài)下的電壓也可能是完全合格的，一旦交流電源退出運(yùn)行，蓄電池就可能無(wú)法滿足在事故狀態(tài)下的要求，導(dǎo)致事故范圍擴(kuò)大。由于蓄電池容量和電池內(nèi)阻有很大的相關(guān)性，通常情況下，蓄電池的容量越大，內(nèi)阻便越小，故可通過(guò)測(cè)量蓄電池內(nèi)阻來(lái)對(duì)電池容量進(jìn)行評(píng)估。

目前，先進(jìn)的蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量變電站中蓄電池組的單體電池的溫度、電壓、內(nèi)阻以及充放電電流，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池組運(yùn)行的參數(shù)，并通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)將這些信息全部上傳至監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池信息的實(shí)時(shí)采集、預(yù)警和管理，及時(shí)、有效的對(duì)蓄電池組的故障進(jìn)行診斷及處理。

3 蓄電池在線監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

目前，閥控式鉛酸蓄電池的監(jiān)測(cè)問(wèn)題逐漸受到關(guān)注，特別是在電力系統(tǒng)、移動(dòng)通信系統(tǒng)中對(duì)蓄電池的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)有了更高的要求，以便使系統(tǒng)的安全性、可靠性得到保障。

為提高系統(tǒng)的可靠性，蓄電池在線監(jiān)測(cè)應(yīng)從三個(gè)方面來(lái)考慮:首先，在線監(jiān)測(cè)可以使蓄電池的正常運(yùn)行得到保證，如對(duì)蓄電池的欠充與過(guò)充狀態(tài)能夠給出警告或提示;其次，可以發(fā)現(xiàn)即將失效的蓄電池，如蓄電池短路、容量下降等問(wèn)題，及時(shí)提供預(yù)警信息;第三，利用在線監(jiān)測(cè)功能對(duì)蓄電池進(jìn)行就地維護(hù)，如對(duì)異常蓄電池進(jìn)行定期核對(duì)性放電、活化處理等措施，檢修人員不用攜帶多種工具就能解決相關(guān)問(wèn)題，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

蓄電池的網(wǎng)絡(luò)化管理就是將幾個(gè)區(qū)域的蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)光纖通信介質(zhì)組網(wǎng)，建立起遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，如圖1，對(duì)蓄電池各項(xiàng)信息進(jìn)行智能監(jiān)控，使檢修、運(yùn)行人員和決策管理層都能通過(guò)局域網(wǎng)上的終端瀏覽器實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的運(yùn)行狀況及變化趨勢(shì)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，在面臨事故時(shí)及時(shí)維護(hù)處理。同時(shí)，也為直流系統(tǒng)的狀態(tài)檢修提供參考依據(jù)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)化管理，保障系統(tǒng)的可靠性、安全性［1］［2］。

圖1 蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化管理

4 蓄電池監(jiān)測(cè)技術(shù)的方法

由上述介紹可知，蓄電池的電壓值并不能直觀地反映出其實(shí)際性能，目前較為先進(jìn)的蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多數(shù)以蓄電池內(nèi)阻值作為蓄電池性能的主要判斷參數(shù)，該技術(shù)的主要理論依據(jù)是:隨著電池性能的不斷劣化，電池的自身內(nèi)阻值將出現(xiàn)變化很大的拐點(diǎn);同時(shí)，其充放電曲線的電壓、電流、容量等參數(shù)的差值也將逐步變大。

目前，蓄電池在線監(jiān)測(cè)技術(shù)主要基于核對(duì)性放電、直流內(nèi)阻測(cè)試、交流內(nèi)阻測(cè)試及其他方法。

4.1 直流內(nèi)阻測(cè)試法

直流內(nèi)阻測(cè)試法是指短時(shí)間內(nèi)對(duì)蓄電池進(jìn)行大電流放電，測(cè)量放電過(guò)程中蓄電池兩端的電壓跌落和恢復(fù)，計(jì)算出蓄電池的內(nèi)阻值。該方法的優(yōu)點(diǎn)為抗干擾能力強(qiáng)、放電電流大，如圖2為直流內(nèi)阻測(cè)試法原理框圖［3］。同時(shí)，該方法也存在一定的缺陷，主要表現(xiàn)為:

1)大電流放電會(huì)在一定程度上損傷蓄電池。由于放電電流較大，為40～70 A之間，往往比蓄電池的標(biāo)稱放電電流要大很多，多次頻繁測(cè)試有可能降低蓄電池的運(yùn)行特性。

2)使供電系統(tǒng)的安全性受到影響。首先，內(nèi)阻測(cè)試時(shí)蓄電池組內(nèi)各節(jié)蓄電池按照一定順序分別進(jìn)行瞬時(shí)放電，如果測(cè)試設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題，就會(huì)使影響整組蓄電池的性能。如果測(cè)試過(guò)程中一旦出現(xiàn)停電事件，就會(huì)影響到備用電源的保護(hù)與投切。此外，過(guò)大的放電電流也可能干擾繼電保護(hù)裝置，使其產(chǎn)生誤動(dòng)作。

3)測(cè)量蓄電池內(nèi)阻時(shí)采用的直流放電法會(huì)在電池內(nèi)部發(fā)生極化現(xiàn)象，產(chǎn)生極化內(nèi)阻，使內(nèi)阻的測(cè)量值誤差變得較大。

4)可能使內(nèi)阻測(cè)量的重復(fù)性變差。從本質(zhì)上來(lái)看，蓄電池可以看作是一個(gè)大電容，在測(cè)量回路中也存在著電感和電容，因此，在放電的整個(gè)過(guò)程中，電路產(chǎn)生的暫態(tài)效應(yīng)非常的明顯，尤其是在開(kāi)始和結(jié)束的時(shí)候。這將使其在不同時(shí)刻的采樣值的大小差別變化很大，使內(nèi)阻測(cè)量的重復(fù)性變差。

圖2 直流內(nèi)阻測(cè)試法原理框圖

4.2 交流內(nèi)阻測(cè)試法

交流內(nèi)阻測(cè)試法的原理是:將電池等效于一個(gè)有源電阻的，在電池上施加一個(gè)固定電流和固定頻率 (目前一般使用的是50 mA，1 kHz)，對(duì)電壓進(jìn)行采樣，經(jīng)過(guò)處理后測(cè)量蓄電池內(nèi)阻。交流內(nèi)阻測(cè)試法的時(shí)間極短，一般只有100毫秒。

其優(yōu)點(diǎn)是:交流內(nèi)阻測(cè)試法不受極化的內(nèi)阻影響，可測(cè)量所有電池，甚至是小容量電池，同時(shí)對(duì)電池?zé)o損害，可進(jìn)行頻繁地在線測(cè)量。但缺點(diǎn)在于:該方法注入的交流電流較小，容易受到充電機(jī)交流紋波的干擾，產(chǎn)生較大的誤差，對(duì)蓄電池內(nèi)阻測(cè)量值有一定的影響。同時(shí)，在正常工作狀態(tài)下，蓄電池處于充滿狀態(tài)。若此時(shí)對(duì)蓄電池注入電流，就有可能產(chǎn)生蓄電池的過(guò)充，對(duì)蓄電池造成損傷。雖然注入電流很小，時(shí)間很短，但仍然存在著過(guò)充的風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 核對(duì)性放電法

核對(duì)性放電法綜合了直流內(nèi)阻測(cè)試法和交流內(nèi)阻測(cè)試法的優(yōu)點(diǎn)。其原理是通過(guò)功率放大電路對(duì)被測(cè)蓄電池接入一個(gè)低頻交流信號(hào)，同時(shí)利用被測(cè)蓄電池對(duì)功率放大電路供電，使蓄電池以特定的交流方式進(jìn)行放電。用同步放大電路對(duì)蓄電池在給定頻率下的內(nèi)阻進(jìn)行測(cè)量，得到蓄電池在線內(nèi)阻［4］。其放電電流大于交流注入法而小于直流放電法。主要優(yōu)點(diǎn)有:抗干擾性強(qiáng)，由于其對(duì)充電機(jī)紋波不敏感，在在線檢測(cè)中非常適用;測(cè)量精度高，其測(cè)量在幾秒鐘內(nèi)就可以達(dá)到幾十甚至幾百次，使精度大大提高;重復(fù)性好，測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定;因?yàn)槭褂玫臏y(cè)量電流都是小電流 (2～5A)，從而使其對(duì)供電主回路的影響得以避免，也不會(huì)損傷蓄電池;同時(shí)，由于采用的是放電測(cè)量法，不會(huì)導(dǎo)致蓄電池過(guò)充。

圖3 核對(duì)性放電法原理框圖

但是核對(duì)性放電主要用于蓄電池的年度性或季度性的檢修上，無(wú)法做到實(shí)時(shí)監(jiān)控。因此在適用范圍上可作為檢測(cè)方法，而不是監(jiān)測(cè)方法。圖3為核對(duì)性放電法的原理框圖。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述分析可知，蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在供電系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。本文介紹的三種方法是技術(shù)發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)的有效方法，但各有一定的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性，需要在實(shí)際應(yīng)用中，合理取舍，綜合利用。

［1］史相玲.蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究［D］.河北:河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009(12).

［2］郝曉光，李秉宇，等.直流電源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化狀態(tài)檢修模式的研究 ［J］.電源技術(shù)，2011，35(9):1142－1145.

［3］李文琦.變電站蓄電池的內(nèi)阻測(cè)試與分析 ［J］.能源與環(huán)境，2008，(5):37－38.

［4］常榮，鄧成蘭.變電站通信電源蓄電池維護(hù)若干問(wèn)題淺析［J］.通信電源技術(shù)，2013，30(2):72－75.