辜先軍

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成都地鐵1號線通信蓄電池的維護改進(jìn)建議

辜先軍

針對成都地鐵1號線通信蓄電池的維護現(xiàn)狀，從分析蓄電池劣化的原因和發(fā)展趨勢著手，提出在蓄電池日常維護中內(nèi)阻監(jiān)測的重要性，并通過人工檢測和在線監(jiān)測的優(yōu)缺點、性價比的分析比較，提出在1號線通信蓄電池的后期維護中引入在線監(jiān)測系統(tǒng)的維護建議。

蓄電池；劣化；失效；內(nèi)阻；在線監(jiān)測

U231.7∶TM912。

圖1　通信 UPS 系統(tǒng)供電示意圖

0　引言

蓄電池作為電源系統(tǒng)的組成部分，起著儲備電能、應(yīng)付市電異常和特殊工作情況、維持用戶系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵作用，是需要高可靠供電保障領(lǐng)域的最后一道防線。

閥控式密封膠體電池，由于采用了閥控式密封結(jié)構(gòu)，不需要加酸、加水維護，無酸液、酸霧泄出，電解液呈膠狀，可與設(shè)備同機房安裝。由于其體積小、重量輕、自放電小、少維護、壽命長、使用方便、安全可靠等特點，深受用戶歡迎。

1　通信用蓄電池的運行及維護現(xiàn)狀介紹

1.1通信蓄電池及UPS系統(tǒng)介紹

成都地鐵1號線通信系統(tǒng)蓄電池采用是 SEC 系列閥控密封式鉛酸膠體電池，單體電池為 12 V/210 A·h，在20 ℃ 的工作環(huán)境下的設(shè)計壽命是 10 年，其與中達(dá)電通的不間斷電源（UPS）主機系統(tǒng)一起構(gòu)建了 UPS 系統(tǒng)，為通信各子系統(tǒng)及綜合監(jiān)控系統(tǒng)提供預(yù)定的不間斷交流電能（圖 1）

1.2蓄電池運行情況及維護現(xiàn)狀介紹

成都地鐵 1 號線通信蓄電池從 2010 年 9 月投入在線運行，至今已運行了 5 年有余，實踐表明，蓄電池在投入運行的 2～3 年內(nèi)性能穩(wěn)定，隨著充放電次數(shù)的增多和在線運行時間的增長，蓄電池逐漸步入劣化期是必然趨勢，目前已經(jīng)在倪家橋站的蓄電池組中發(fā)現(xiàn)了 1 個失效單體電池。同時，1 號線通信設(shè)備房在冬季或春夏過渡期機房環(huán)境溫度都會大大超過 20 ℃ 的理想工作環(huán)境溫度值，個別機房甚至常年維持在 30 ℃ 左右的環(huán)境溫度，導(dǎo)致蓄電池內(nèi)不必要的化學(xué)反應(yīng)概率增加，這些因素都會加速蓄電池的劣化速度，縮短蓄電池的預(yù)期使用壽命。因此，在蓄電池進(jìn)入衰退期如何及時發(fā)現(xiàn)蓄電池的劣化跡象或失效電池，防止出現(xiàn)由于沒有及時發(fā)現(xiàn)劣化電池致使蓄電池劣化積累、加劇最終導(dǎo)致整組蓄電池報廢的情況發(fā)生，是擺在維修人員面前需要迫切解決的問題。

1 號線通信蓄電池的預(yù)防性維護主要是定期人工對蓄電池進(jìn)行放電測試并測試單體電池的電氣特性：端電壓和內(nèi)阻，通過預(yù)防性維護能夠發(fā)現(xiàn)劣化或失效的電池，但預(yù)防性維護周期為 1 年，在預(yù)防性維護周期之間，蓄電池組內(nèi)部出現(xiàn)的單體電池失效又該如何發(fā)現(xiàn)、控制和處理呢？正在進(jìn)行預(yù)防性維護的放電測試時，不排除市電停電的情況存在，這個時候如果市電突然停電，電池還能可靠地向通信系統(tǒng)供電達(dá) 4 h 嗎？鑒于此，需要考慮改進(jìn)目前的維護方式。

2　蓄電池的端電壓、內(nèi)阻與電池性能劣化的關(guān)聯(lián)分析

2.1鉛酸蓄電池的端電壓等運行參數(shù)不能反映電池的容量特性

容量嚴(yán)重下降的電池，在整組浮充電的電池中，其浮充電壓的區(qū)別不足以用來判斷電池是否因容量降低而失效，很多早期性能劣化或早期失效的電池在浮充狀態(tài)下表現(xiàn)出滿意的端電壓，一旦電池組進(jìn)行放電，這些電池因為充電量少，端電壓會很快跌落，并妨礙電池組的放電性能。電池組中失效電池過多造成電池組在系統(tǒng)需要電池供電時無法達(dá)到預(yù)定的啟動電流從而起不到備份作用，這時可以從電池的端電壓上很容易地發(fā)現(xiàn)劣化電池，但在實際應(yīng)用中已為時已晚。

2.2鉛酸蓄電池的內(nèi)阻變化可以預(yù)示電池的內(nèi)部與容量特性變化

蓄電池的性能與容量特性可以通過其內(nèi)阻變化反映出來，以下是影響內(nèi)阻變化的主要因素。

（1）腐蝕。隨著柵板和匯流排的腐蝕，導(dǎo)致金屬導(dǎo)電回路變化，使電池內(nèi)阻增大。

（2）柵板鈍化。長期使用導(dǎo)致活性物質(zhì)腐蝕，柵板孔隙率增大，電解液供應(yīng)量下降，柵板活性物質(zhì)減少，使電池內(nèi)阻增大。

（3）硫化。部分活性物質(zhì)硫化，導(dǎo)致活性物質(zhì)減少，涂膏的電阻亦增加。硫化消耗掉部分硫酸，使電解液的電阻率變大。這些都導(dǎo)致電池的內(nèi)阻增大。

（4）失水。由于閥控密封鉛酸蓄電池?zé)o法加水，失水后電解液供應(yīng)不足，使電池內(nèi)阻增大。

（5）制造缺陷。如鑄鉛和涂膏工藝不良，都可能導(dǎo)致較高的金屬電阻和容量問題。

在其他已采用在線監(jiān)測系統(tǒng)的案例中，通過在線監(jiān)測系統(tǒng)所測試的 1 組存在有失效電池的蓄電池組的各單體電池內(nèi)阻、端電壓測試數(shù)據(jù)分析中，發(fā)現(xiàn)這樣一種現(xiàn)象：各單體電池在浮充狀態(tài)下的端電壓差別不大，但測試內(nèi)阻就發(fā)現(xiàn)失效電池與正常電池的數(shù)值差別很大。上述現(xiàn)象表明：電池性能已劣化的電池組，如果只是通過測試端電壓是很難發(fā)現(xiàn)電池失效問題的。

多項研究和運行數(shù)據(jù)表明：準(zhǔn)確、實時地監(jiān)測蓄電池的內(nèi)阻，可以在蓄電池失效前 3 個月，通過數(shù)據(jù)比較分析發(fā)現(xiàn)問題，為維護人員提供預(yù)警信息，并及時更換電池，幫助維護人員消除電池隱患。

3　蓄電池在線監(jiān)測與人工檢測的比較

結(jié)合以上的分析可以看出，蓄電池的測試與維護是一項防患于未然的工作，加強對蓄電池電氣特性的監(jiān)測，特別是加強對電池內(nèi)阻值變化的監(jiān)測，能夠及時掌握電池的劣化狀況和容量變化并采取相應(yīng)措施，達(dá)到提高電池的后備保障能力和延長電池組的使用壽命的目的。電池內(nèi)阻的監(jiān)測主要是維護人員用測試儀表定期人工測試或利用自動測試系統(tǒng)中的內(nèi)阻測試功能模塊在線自動測試。

3.1人工檢測存在的不足

（1）由于不同廠家的內(nèi)阻測試儀準(zhǔn)確度和抗干擾能力有很大差別，因此，測試值存在較大的差別，不利于技術(shù)人員對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較。

（2）測量夾子很難與電池極柱直接接觸，測試值中含有夾子與極柱的接觸電阻，每次產(chǎn)生的接觸電阻不盡相同。

（3）除上述因素外，人工檢測的準(zhǔn)確度還會受其他諸多因素的影響。

（4）由于人工檢測定期進(jìn)行，很難及時發(fā)現(xiàn)劣化電池和失效電池。

（5）放電測試不但對電池有傷害隱患，而且存在放電測試過程中市電中斷導(dǎo)致蓄電池放電時間不足的系統(tǒng)風(fēng)險。

（6）人工檢測工作周期長，費時費力，有人身觸電傷害風(fēng)險。

3.2在線監(jiān)測的優(yōu)點

（1）維護人員可以通過在線監(jiān)測系統(tǒng)很方便地調(diào)看車站各單體電池的實時數(shù)據(jù)，由于測試數(shù)據(jù)是由同一套設(shè)備測試，因此，數(shù)據(jù)可靠性高，有利于維護人員分析了解電池的性能劣化趨勢，有針對性地提前更換個別劣化失效電池，減少了因個別電池劣化未及時更換造成整組電池失效的可能，延長了電池組的壽命。

（2）在線監(jiān)測可以不間斷地監(jiān)測電池的內(nèi)阻、電壓及溫度等參數(shù)，一旦出現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)會第一時間發(fā)出聲光報警，提醒維護人員處理，避免了事故的發(fā)生，提高了 UPS 系統(tǒng)的安全性和可靠性。

（3）運用交流測試法，向電池內(nèi)注入一個交流信號來測試電池內(nèi)阻，無須蓄電池放電測試，對電池壽命無額外的影響。

（4）節(jié)約成本。蓄電池在線監(jiān)測可以隨時了解現(xiàn)場數(shù)據(jù)，減少了人工檢測的工作量，人工費用和車輛費用大大減少。

表1　人工檢測與在線監(jiān)測的對比

（5）減少人員傷害事故。在線監(jiān)測可以自動完成各項數(shù)據(jù)測試，無需人員到現(xiàn)場進(jìn)行例行檢測和接線，減少了人員傷害事故發(fā)生的可能性，同時也避免了人工檢測對設(shè)備造成損壞的可能性。

4　蓄電池在線監(jiān)測的性價比分析

目前，對蓄電池的內(nèi)阻數(shù)據(jù)進(jìn)行在線監(jiān)測的測試值精準(zhǔn)度已可以達(dá)到毫歐級，完全可以與離線式人工測量的精準(zhǔn)度媲美，這是由于應(yīng)用了如鎖相、電導(dǎo)測試等技術(shù)的結(jié)果。1 號線每個車站通信蓄電池配置了 2 組蓄電池，每組蓄電池由 29 節(jié)電池串聯(lián)，一共有 58 節(jié)蓄電池。表 1 就單站采用在線監(jiān)測的性價比進(jìn)行分析比較。

從表 1 可以看出，蓄電池投入在線監(jiān)測維護方式后，其良好的性價比是顯而易見的。

5　通信蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)方案

5.1系統(tǒng)組網(wǎng)方案

目前各蓄電池在線監(jiān)測設(shè)備制造廠家將內(nèi)阻、電壓、溫度等監(jiān)測功能模塊集成到監(jiān)測主機上，因此,蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)是比較簡單方便的，

主機監(jiān)測線纜連接到蓄電池相應(yīng)只需在設(shè)備房內(nèi)將監(jiān)測極柱上即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測，同時為了便于集中管理和遠(yuǎn)程查看，利用1 號線傳輸設(shè)備豐富的以太網(wǎng)資源，可將監(jiān)測主機通過TCP/IP 接口與設(shè)在控制中心的上位機，組成 1 個小型的局域網(wǎng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程的日常數(shù)據(jù)監(jiān)測管理。具體的系統(tǒng)組網(wǎng)方案見圖 2。

5.2系統(tǒng)功能

配置的蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該具有以下基本功能。

（1）可以測試單體電池的內(nèi)阻、電壓和溫度，以及電池組電壓；對電池的各項參數(shù)可以設(shè)定上下門限并在電池參數(shù)超過門限值時系統(tǒng)自動發(fā)出聲光報警提示。

圖2　成都地鐵 1 號線通信蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)方案

（2）測試數(shù)據(jù)可以在本地存儲查看，也可以由系統(tǒng)上位機以定期輪詢方式收集各站的測試數(shù)據(jù)，存儲在數(shù)據(jù)庫中，以備維護人員隨時調(diào)看，而且系統(tǒng)具備自動導(dǎo)出測試數(shù)據(jù)功能。

6　結(jié)束語

對蓄電池組進(jìn)行在線監(jiān)測可使電池的壽命達(dá)到最長，接近設(shè)計壽命甚至超過設(shè)計壽命，通過有效的監(jiān)測確保無需過早地更換蓄電池組，對劣化電池進(jìn)行早期覺察，維護人員可以有足夠地應(yīng)對時間來對蓄電池進(jìn)行有針對性的更換，同時在線監(jiān)測采集的大量測試數(shù)據(jù)，為設(shè)備維護管理決策提供科學(xué)有效的數(shù)據(jù)依據(jù)。

[1] 朱品才，張華，薛觀東. 閥控式密封鉛酸蓄電池的運行與維護[M]. 北京：人民郵電出版，2006.

[2] 張昆. 蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀[J]. 黑龍江科技信息，2011（14）.

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2009-12-06）[2015-04-20]. http://www.docin.com/ p-36253331.html.

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《現(xiàn)代城市軌道交通》編輯部

Suggestion on Maintenance Improvement of Communication Battery on Chengdu Metro Line 1

Gu Xianjun

Aiming at the current maintenance situation of the communication battery on Chengdu metro line 1, the paper starts from the analysis of the causes and the development trend of battery deterioration, puts forward the importance of monitoring the resistance in the battery in the daily maintenance work and makes comparison and analysis of manual inspection and on-line monitoring, cost-effectiveness and the advantages and disadvantages. The paper puts forward suggestions on maintenance of communication battery in the late period maintenance of the introduced online monitoring system on Line 1.

battery, deterioration, failure, internal resistance, online monitoring。

辜先軍：成都地鐵運營有限公司自動化監(jiān)控中心，工程師，四川成都 610000

2015-05-11責(zé)任編輯 冒一平