江紅成,潘岑誠,江季聲,韓偉,黃梅,張振宇,俞鑫春
(1. 國網(wǎng)江蘇南通供電公司,江蘇 南通 226000;2. 江蘇省南通中學(xué),江蘇 南通 226000)
變電站直流電源系統(tǒng)作為繼電保護裝置、通信設(shè)備電源及斷路器操作電源,應(yīng)當滿足安全、穩(wěn)定、可靠運行。直流系統(tǒng)發(fā)生故障,將會造成保護和斷路器拒動,引發(fā)重大的電網(wǎng)事故。例如:當2016年某 330 kV 變電站(與某 110 kV 變電站共址建設(shè))外有一 35 kV 出線電纜中間接頭爆炸,站內(nèi)所用交流電源失去時,直流電源未能提供應(yīng)急電能,保護越級跳閘,造成事故擴大,導(dǎo)致 330 kV和 110 kV 主變壓器著火燒損的嚴重事故。
在變電站直流系統(tǒng)中,蓄電池的穩(wěn)定性和放電容量對直流系統(tǒng)安全運行起決定性作用?!秶译娋W(wǎng)公司變電運維管理規(guī)定 第 24 分冊 站用直流電源系統(tǒng)運維細則》(國家電網(wǎng)企管〔2017〕206 號)關(guān)于蓄電池組維護要求:“全站僅有 1 組蓄電池時,不應(yīng)退出運行,也不應(yīng)進行全核對性放電,只允許用I10電流放出其額定容量的 50%。單體蓄電池電壓測量應(yīng)每月至少 1 次,蓄電池內(nèi)阻測試應(yīng)每年至少 1 次”[1]。通常,110 kV 變電站僅有 1 組蓄電池,而且一般在浮充狀態(tài)下運行時測量單體蓄電池的電壓,但是某些情況下該方法并不能檢測出單體蓄電池的異常情況。近日,某 110 kV 變電站的10 kV 線路近端相間故障引起母線電壓波動,站用變瞬時失電,蓄電池異常,全站保護電源、操作電源和通信電源等直流電源瞬時消失。事故后,經(jīng)檢查單體電池電壓正常,但是更換蓄電池后,再檢測發(fā)現(xiàn),蓄電池已嚴重老化,容量不足。在變電站實際運行過程中曾多次出現(xiàn)過蓄電池單節(jié)電壓正常,但蓄電池不能正常放電的情況,并由此造成了巨大損失[2]。
筆者通過結(jié)合所在單位的蓄電池故障案例,對110 kV 變電站蓄電池維護檢測方法作了一些分析與探討,并提出了一些基于內(nèi)阻檢測的蓄電池監(jiān)測方法,以期對及時發(fā)現(xiàn)蓄電池的異常狀態(tài),提高變電站直流電源的運行可靠性有所助益。
目前, VRLA 電池在變電站中作為直流電源廣泛采用,具有體積小、重量輕、自放電小、維護工作量少,壽命長(一般不低于 8~12 a)等優(yōu)點。VRLA 電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括金屬(或歐姆)路徑以及電化學(xué)路徑。從圖 1 中可以看出歐姆電阻主要反映金屬通路中的電阻,極化電阻主要反映化學(xué)通路中的電阻。其中,影響電阻大小的主要是板柵和匯流排的腐蝕、電池老化及腐蝕生成的板柵蠕變、鑄鉛及涂膏的制造缺陷、活性材料硫酸鹽化等。
圖1 蓄電池物化模型
VRLA 電池容量影響因素主要有:(1) 極板面積和活性物質(zhì)的多孔性;(2) 放電電流大小;(3)溫度;(4) 電解液密度[2]。蓄電池容量失效的主要模式為匯流排腐蝕、極板硫酸鹽化、失水、干涸等。實際運行中多種不良工況會導(dǎo)致蓄電池失效:(1) 環(huán)境溫度過高;(2) 過深的放電深度會使其循環(huán)使用次數(shù)減少;(3) 長期處于浮充狀態(tài)造成氧化膜覆蓋電極;(4) 充電電壓過高造成失水[3]。
110 kV 變電站中蓄電池運行方式如圖 2 所示,主要有:
均(衡)充電是為補償蓄電池組在使用過程中產(chǎn)生的電壓不均勻現(xiàn)象,使其恢復(fù)到規(guī)定范圍內(nèi)而進行的充電,一般包含著恒流(穩(wěn)流)限壓充電和恒壓限流充電 2 段歷程。首先,進行恒流充電,將電壓設(shè)定在均充電壓值(253 V),開始以In(0.1C10)恒定的充電流給蓄電池充電。以恒流方式進行充電可以盡快恢復(fù)電池的電壓,確保電壓持續(xù)上升。接著,當蓄電池電壓達到均充電壓值后,轉(zhuǎn)入恒壓充電模式,隨著電池容量的恢復(fù),充電電流由In逐漸減小。然后,當充電電流小于整定值(10 %In)時,開始計時 2~3 h 后,將充電機電壓調(diào)整為浮充電壓(241V),結(jié)束恒壓充電的階段,轉(zhuǎn)入浮充電狀態(tài)[4]。
以浮充電壓對蓄電池進行的恒壓充電是為了補充蓄電池的自放電??梢栽O(shè)定浮充電 3~6 個月后,自動進行 1 次均充(恒流-恒壓)-浮充電的補充電。
當充電機電源中斷時,由蓄電池組立即承擔(dān)起主要負荷,蓄電池開始放電過程。當蓄電池放電電壓和放電電流逐漸減少,達到終止電壓時,應(yīng)采取手動斷開操作,使蓄電池停止放電。
對新安裝或大修后的蓄電池組,需要進行全核對性額定容量放電試驗。以電流In(0.1C10),放電 10 h,對電池進行 100 % 容量的放電。放電電壓不得小于蓄電池的終止電壓。而且,放電結(jié)束后要進行均(衡)充電[4]。
圖2 蓄電池運行狀態(tài)
定期測量蓄電池兩端的電壓可以檢測出故障電池組中的失效電池。正常浮充電壓值應(yīng)為標稱電壓的 90 %~130 %,蓄電池在運行中電壓偏差值應(yīng)在±0.3 V 以內(nèi)。
圖3 所示為近日 110 kV 五接變故障蓄電池組(HOPPECKE SB100,12 V,100 Ah,2006年投運)在 4 種運行狀態(tài)下(均充、浮充、放電、離線)的電壓。從圖 3 中可以得出,在浮充狀態(tài)下,該故障電池組的電壓均值為 13.43 V,其中失效的第 7、9、10、11、13、14 節(jié)蓄電池的電壓與均值之差分別為 0.15、0.06、0.51、0.5、0.31、0.51 V。通過定期測量電壓法只能檢出部分蓄電池(第10、11、13、14節(jié))已失效,而對第 7、9 節(jié)蓄電池(電壓偏差值在 0.3 V 以內(nèi),屬于正常范圍)卻起不到作用。當浮充電壓不能有效地反映電池的異常情況時,可以采用充放電電壓比(105 % 以上),反映蓄電池的容量變化。
圖3 蓄電池在 4 種運行狀態(tài)下的電壓分布
另外,在浮充電狀態(tài)下,只能發(fā)現(xiàn)個別性能差、浮充電壓超常的電池,而對于整組電池性能變壞,電池容量已經(jīng)大幅下降的老化電池則無能為力。用單節(jié)活化儀對圖 3 中蓄電池組進行容量試驗后,發(fā)現(xiàn)第 1、7、9、10、11、12、13、14、18 節(jié)電池容量為 0,且第 2、3、4、5、6、8、15、16、17 容量為額定容量的 10 %~20 %,顯然這些電池已全部失效。有時甚至?xí)霈F(xiàn)“浮充電壓正常,但放電時發(fā)生嚴重故障”的情況。由于定期測量電壓法的準確性和全面性不夠,因此采用這種方法不能有效地反映整組電池的內(nèi)阻和容量,不能及時找出老化故障電池。
核對性容量測量法能 100 % 地反映出蓄電池的容量,同時也能起到維護蓄電池的作用。不過,核對性容量測量法的缺點也比較明顯,即要求必須具備 2 組蓄電池或者有備用電池組。被測量的電池組須處于離線狀態(tài),且核對放電過程耗時長,技術(shù)風(fēng)險大,導(dǎo)致系統(tǒng)斷電風(fēng)險增加。頻繁地對蓄電池進行深放電,會加速蓄電池的老化。因此核對放電只能對蓄電池進行定期維護,不能用于日常對蓄電池的維護。
內(nèi)阻測試法是通過測量電池內(nèi)阻反映電池的狀態(tài)的方法。因為其成本較低,所以可以作為容量測試的補充或替代方法。內(nèi)阻測試法雖然不能完全地判定蓄電池的狀態(tài),但在實際應(yīng)用中可以測試出 95 % 的故障電池[2,5]。目前,內(nèi)阻檢測時采用的方法一般是直流放電法或交流注入法。采用直流放電法檢測內(nèi)阻時,通過測量負載接入的瞬間負載電流、接入的瞬間電壓下降值和斷開的瞬間電壓上升值,再由歐姆定律計算出電池的內(nèi)阻。美國的Alber 公司生產(chǎn)的 Cellcorder 蓄電池智能內(nèi)阻測試儀就是采用這種方法。因為檢測條件為離線脫機或者靜態(tài)的情況,所以這種方法無法實現(xiàn)在線檢測,不適合日常維護[6]。本文中采用的 2 種手持式智能內(nèi)阻測試儀(型號 FLUCK BT508,DGC3915S)都采用的交流注入法。用開爾文電橋測量電池的內(nèi)阻能避免由導(dǎo)線和接觸電阻產(chǎn)生的影響,檢測精確度高,可實現(xiàn)在線檢測,施加的交流電流小,無需外接負載箱放電,安全風(fēng)險小[6]。
采用手持式 FLUKE BT508 智能電池內(nèi)阻測試儀對正常運行的 110 kV 北郊變電站蓄電池組(雙登公司產(chǎn),型號 6-GFM-200,12 V,200 Ah,2014年投運)進行檢測。如圖 4 所示,當電池分別處于浮充電、均充電和放電狀態(tài)時,蓄電池的內(nèi)阻基本相同。
圖4 正常蓄電池在 3 種狀態(tài)下的內(nèi)阻
在上述 3 種狀態(tài)下蓄電池內(nèi)阻測量的基礎(chǔ)上,對 110 kV 秦灶變不同型號蓄電池(梅蘭日蘭M2AL12-100SFR,12 V,100 Ah,2017年投運)進行了離線測量。測試數(shù)據(jù)為:電壓 13.5 V,電阻 3.2 mΩ。由圖 4 與離線電池測量數(shù)據(jù)可得,容量狀態(tài)良好的蓄電池內(nèi)阻基本不受蓄電池運行方式(浮充、均充、放電、離線)狀態(tài)或者充放電電流影響。
對 110 kV 五接變故障電池組(HOPPECKE SB100,12 V,100 Ah,2006年投運)在浮充、均充、放電、離線狀態(tài)下進行了內(nèi)阻測試,具體數(shù)據(jù)如圖 5 所示。對 2、7 號電池在浮充狀態(tài)下測得內(nèi)阻為 27 mΩ、32.66 mΩ,在用 10 A 電流放電1 h 后測得內(nèi)阻為 38.8 mΩ、66 mΩ,電壓為 12.53 V、12.4 V。對 2 號電池,采用單節(jié)電池活化儀在充滿電后測得內(nèi)阻為 21 mΩ。
圖5 故障電池在4種狀態(tài)下的內(nèi)阻
蓄電池的內(nèi)阻由歐姆電阻和極化電阻組成。失效蓄電池(第 2、7、9、10、11、14 節(jié))的內(nèi)阻在充放電過程中是變化的,即充電過程中內(nèi)阻由大變小,反之內(nèi)阻增加。故障電池的內(nèi)阻在不同狀態(tài)時有較大差異,而狀態(tài)良好(容量充滿)的蓄電池內(nèi)阻基本不受影響??梢缘贸觯盒铍姵氐膬?nèi)阻與電池的充放電電流和容量狀態(tài)有關(guān)。當容量在 50 %以上時,蓄電池的內(nèi)阻值基本不變;當容量低于40 % 時,內(nèi)阻值會迅速增大[6]。容量在 80 % 左右時,蓄電池的內(nèi)阻值反而減小,如表1 所示,在放電 1.75 h 后,蓄電池內(nèi)阻反而減小了。在核對性充放電終止時,測得蓄電池 Ⅱ 和 Ⅲ 的開路電壓和內(nèi)阻如表2 所示。可以發(fā)現(xiàn),蓄電池 Ⅱ 和 Ⅲ 的容量為 15 % 和 35 %,已經(jīng)低于 40 %。
表1 正常蓄電池放電時內(nèi)阻
表2 失效蓄電池放電時內(nèi)阻
采用 HDGC3915S 智能蓄電池內(nèi)阻測試儀(內(nèi)阻 1)和 FLUKE BT508 蓄電池內(nèi)阻測試儀(內(nèi)阻2)的測試結(jié)果如圖 6 所示。對于正常蓄電池所測得的內(nèi)阻是一致的,由于故障電池本身受狀態(tài)影響,所得數(shù)據(jù)存在一些差異,但對內(nèi)阻測試的大小趨勢一致。
李琳等人通過研究得出,采用高頻區(qū)(1~10 kHz)交流阻抗法測得的蓄電池內(nèi)阻是穩(wěn)定的,可作為蓄電池的內(nèi)阻[6]。通過圖 6 可得出,采用相同原理的內(nèi)阻測試儀所測得的蓄電池內(nèi)阻基本一致,因此可以將所測得的內(nèi)阻作為蓄電池狀態(tài)的判斷依據(jù)。
圖6 2 種測試儀測試的內(nèi)阻
選取五接變蓄電池組(HOPPECKE SB100,12 V,100 Ah,2006年投運)、橫河變蓄電池組(梅蘭日蘭 M2AL,12 V,150 Ah,2007年投運)、秦灶變蓄電池組(M2B12-7-16HX,12 V,100 Ah,2009年投運,舊電池組)測量內(nèi)阻,其中五接變蓄電池組和橫河變蓄電池組是在浮充狀態(tài)下的,秦灶變蓄電池組是在離線狀態(tài)下的。由圖 7 可見:五接變蓄電池組中電池的內(nèi)阻均大于20 mΩ,表明全部電池都出現(xiàn)了異常;橫河變蓄電池組中第 2、7、16 節(jié)出現(xiàn)異常;秦灶變蓄電池組中第 5、9、15 節(jié)出現(xiàn)異常。通過 3 組數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),蓄電池的內(nèi)阻和容量有著緊密聯(lián)系,當蓄電池內(nèi)阻明顯增大時,蓄電池容量不足。因此,當整組電池處于浮充狀態(tài)下時,由內(nèi)阻值可以判斷蓄電池組的性能,知曉電池是否處于充滿電的狀態(tài)。浮充電狀態(tài)下內(nèi)阻過高,說明蓄電池健康狀態(tài)不佳,甚至是其壽命接近后期。
圖7 3 組蓄電池的內(nèi)阻
可以采用新投運時電池的內(nèi)阻,或者采用所有電池內(nèi)阻的平均(經(jīng)驗)值作為電池內(nèi)阻的基準值。采用所有電池內(nèi)阻的平均值還可以消除溫度對內(nèi)阻的影響。
選取 110 kV 秦灶變電池(理士 DJM12100,12 V,100 Ah,2018年投運)、110 kV 北郊變電池(雙登 6-GFM-200,12 V,200 Ah,2014年投運)、110 kV 海晏變(理士 DJM12150,12 V,150 Ah,2017年投運),測量在浮充電狀態(tài)下的內(nèi)阻。由圖 8 可見,秦灶變蓄電池內(nèi)阻(初始值)平均值為 3.13 mΩ,最大均差為 0.27 mΩ,變化率為 8 %,北郊變蓄電池內(nèi)阻平均值 3.13 mΩ,最大均差為 0.38 mΩ,變化率為 12 %。進一步比較其他變電站的蓄電池內(nèi)阻數(shù)據(jù)可得出,對于同一電壓等級的蓄電池,雖然生產(chǎn)廠家和容量不同,但是在使用壽命期內(nèi),蓄電池的浮充內(nèi)阻差別不大(<20 %),內(nèi)阻的增大可以反映出電池容量和性能下降的程度。一般來說,電池的內(nèi)阻變化會經(jīng)歷3個階段:剛投入運行時,內(nèi)阻相較于出廠時有所下降;經(jīng)過很長一段時間內(nèi)阻保持相對穩(wěn)定;當內(nèi)阻快速上升時,表明電池的使用壽命已進入終結(jié)階段[7]。
圖8 秦灶變、北郊變、海晏變電池數(shù)據(jù)
加強日常維護工作,能很大程度影響蓄電池的使用壽命。免維護僅指的是不用加水而已,其他的日常維護仍需按照規(guī)程規(guī)定進行,并進一步明確維護要求。定期跟蹤測試浮充狀態(tài)下的單節(jié)蓄電池內(nèi)阻與電壓是保證蓄電池始終處于良好狀態(tài)的可行辦法。
定期測量浮充電壓法,簡單方便,但不能及時準確地找出整組中落后電池。部分失效電池的浮充電壓表現(xiàn)正常,而浮充電壓異常的電池的內(nèi)在表現(xiàn)不一定差,因此可通過分析蓄電池充放電電壓比,判斷蓄電池的狀態(tài)[8]。電壓比超過 105 % 的電池應(yīng)被視為落后電池,需要盡早更換, 免得對整組電池帶來影響。
定期測量浮充狀態(tài)下的蓄電池內(nèi)阻可以判斷蓄電池狀態(tài)[9-10]。核對性充放電試驗后,應(yīng)測試蓄電池在浮充電狀態(tài)下的內(nèi)阻,并進行縱向分析對比。運維班組應(yīng)配置智能內(nèi)阻測試儀,同時開展電壓與電阻的測試??蓪y試周期放寬到每季度1次,測試過程中應(yīng)防止因兩極柱間的接觸面積不夠,接觸力度不足,螺栓墊片電阻等因素引起的內(nèi)阻數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。
對投運 6 a 以內(nèi)的蓄電池,可以用 3~5 mΩ作為蓄電池內(nèi)阻的基準值(或者參考出廠初始值不大于 10 %)。當蓄電池內(nèi)阻超過基準值 20 % 應(yīng)告警,進行核對性充放電容量試驗,若超過基準值 50 % 則應(yīng)認為蓄電池已失效。對內(nèi)阻正常的蓄電池,可以減少核對性充放電試驗,減少維護工作量,延長蓄電池使用壽命。