林浩勤 吳文健 黃楊明 鄧健強(qiáng)

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0 引言

變電站用直流系統(tǒng)蓄電池維護(hù)手段有蓄電池核容放電、內(nèi)阻測量、電壓測量和定期均充，在眾多手段中，缺少用于蓄電池開路故障在線監(jiān)測及蓄電池開路故障反措的設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來不少電力系統(tǒng)的擴(kuò)大事故是由于蓄電池開路故障引發(fā)的，表1列舉了幾個案例。

表1 蓄電池開路引起的電力系統(tǒng)事故

蓄電池開路故障常有發(fā)生，且故障可能給電力系統(tǒng)帶來較為嚴(yán)重的事故，但目前規(guī)程中沒有明確對蓄電池開路故障進(jìn)行監(jiān)測與反措的規(guī)定。

直流系統(tǒng)在站/廠大修期間，有部分負(fù)荷還需繼續(xù)運(yùn)行，在對充電機(jī)進(jìn)行檢修時，充電機(jī)需要退出運(yùn)行，此時蓄電池給直流系統(tǒng)供電。蓄電池長時間工作可能發(fā)生過放，過放電會直接損壞蓄電池。目前還沒有對蓄電池放電容量設(shè)置專業(yè)監(jiān)測設(shè)備，蓄電池放電存在過放損壞的安全隱患。

本文研究了一種直流蓄電池開路續(xù)流與過放告警裝置，能夠有效監(jiān)測蓄電池開路故障并在蓄電池開路故障發(fā)生時實(shí)現(xiàn)有效續(xù)流，同時對蓄電池過放電事故進(jìn)行告警，從而避免直流系統(tǒng)蓄電池開路故障引起電力系統(tǒng)二次擴(kuò)大事故和蓄電池過放電損壞帶來的不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

1 蓄電池開路故障分析

1.1 導(dǎo)致蓄電池開路故障的原因

很多蓄電池開路故障的發(fā)生沒有預(yù)見性，而是十分突然，與蓄電池其他故障如酸化、漏液、短路等相比，缺少了性能漸變過程，這是由蓄電池的結(jié)構(gòu)決定的。蓄電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為蓋與殼體、溢氣閥、匯流導(dǎo)體（匯流排）、單格與間隔、正極板、負(fù)極板以及含電解液的多孔物質(zhì)。其中極板與匯流排間采用的工藝是焊接，在大電流情況下可能會發(fā)生脫落導(dǎo)致蓄電池開路，即浮充狀態(tài)下表現(xiàn)良好的蓄電池可能在均充或大電流情況下發(fā)生開路故障。在日常維護(hù)工作中常遇到蓄電池核容放電能夠正常進(jìn)行，但往回充瞬間因充電機(jī)不受控，電流過大導(dǎo)致蓄電池開路故障發(fā)生。所以，蓄電池除了由于漸變老化發(fā)生開路故障外，還有可能在大電流沖擊下發(fā)生開路故障。

1.2 蓄電池開路故障危害

蓄電池開路故障危害大，不及時處理可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)發(fā)生重大事故。蓄電池開路故障可能造成的危害有蓄電池?fù)p壞、設(shè)備失電和電力系統(tǒng)保護(hù)拒動等。

1.2.1 蓄電池?fù)p壞

蓄電池正常情況下運(yùn)行在浮充狀態(tài)，即蓄電池需要充電機(jī)不停地為其補(bǔ)充自放電消耗掉的電能；若某一節(jié)蓄電池由于性能原因發(fā)生開路故障，而又未能及時發(fā)現(xiàn)處理，則可能導(dǎo)致整組蓄電池由于長期沒有得到補(bǔ)充充電而發(fā)生損壞的隱患。

1.2.2 直流系統(tǒng)失電

直流系統(tǒng)正常浮充情況下，系統(tǒng)電源由充電機(jī)提供；在站用交流電源故障時，直流系統(tǒng)電源需要由蓄電池提供。按照設(shè)計(jì)要求，蓄電池應(yīng)能正常提供2 h及以上事故電源；若此時某一節(jié)蓄電池發(fā)生開路故障，則整組蓄電池將因不能提供事故電源導(dǎo)致直流系統(tǒng)失電。

1.2.3 保護(hù)拒動事故

在電力系統(tǒng)一次設(shè)備發(fā)生故障時，為了避免更大損失，保護(hù)裝置檢測到故障發(fā)生會啟動重合閘繼電器重合一次，然而重合閘繼電器需要直流電源供電，直流系統(tǒng)充電機(jī)由于此時一次設(shè)備故障已失去交流電壓，直流充電模塊不能提供浮充電壓；若此時蓄電池組亦發(fā)生開路故障，則會引起整個直流系統(tǒng)崩潰，造成二次擴(kuò)大事故的嚴(yán)重后果。

1.3 蓄電池過放電危害

蓄電池組在直流系統(tǒng)中的作用是作為后備電源和在交流電壓失壓后提供事故電源。蓄電池屬于化學(xué)儲能體，能夠在化學(xué)能和電能之間靈活轉(zhuǎn)換；但打破某種平衡后，這種相互轉(zhuǎn)換就不可逆——蓄電池?fù)p壞。所以蓄電池在放電時不能過量，過放電會導(dǎo)致蓄電池不能充電，從而發(fā)生損壞。一組蓄電池成本從幾萬至幾十萬，損壞蓄電池帶來的損失是不可估量的。

2 蓄電池開路續(xù)流與過放告警裝置的研制

2.1 設(shè)備原理

2.1.1 續(xù)流原理

單體蓄電池異常故障時，裝置能對該節(jié)故障蓄電池自動續(xù)流，而不影響整組蓄電池正常對外供電。如圖1所示，在蓄電池組中，每節(jié)蓄電池并聯(lián)大功率二極管。當(dāng)外部發(fā)生故障使直流模塊斷電，需由蓄電池組供電時，如任意一節(jié)電池開路，蓄電池組的放電電流I將自動不間斷地通過并聯(lián)二極管（圖1中粗線），可確保蓄電池組正常為負(fù)載供給直流電源，杜絕保護(hù)、控制裝置等直流負(fù)荷失去電源的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 開路續(xù)流部分原理圖

2.1.2 防過放原理

蓄電池組單體蓄電池是根據(jù)直流系統(tǒng)標(biāo)稱電壓確定數(shù)量（以變電站為例，直流電源系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓為110 V和220 V。2 V標(biāo)稱電壓的蓄電池浮充電壓為2.23～2.28 V，均充電壓為2.30～2.35 V）[1-2]，蓄電池運(yùn)行在均充和浮充狀態(tài)時，蓄電池組端電壓較高；當(dāng)給蓄電池組放電時，蓄電池組端電壓隨放電容量的增加而降低。可設(shè)計(jì)電路采集蓄電池組端電壓，根據(jù)現(xiàn)場蓄電池組單體電池節(jié)數(shù)設(shè)置電壓下限，電壓下降到設(shè)置值時發(fā)出告警并斷開負(fù)載。

2.2 設(shè)備開發(fā)

蓄電池開路續(xù)流與過放告警裝置分為開路續(xù)流部分和溫度、電壓采樣告警主機(jī)部分。

根據(jù)蓄電池容量選擇合適的續(xù)流二極管，根據(jù)續(xù)流二極管外形設(shè)計(jì)散熱鋁型材；在散熱鋁型材上設(shè)計(jì)安裝溫度開關(guān)，所有溫度開關(guān)并聯(lián)接到蓄電池開路續(xù)流與防過放裝置開關(guān)量采集電路輸入接口，供裝置采樣告警。單個開路續(xù)流器如圖2所示。

圖2 開路續(xù)流器

如圖3所示，采樣告警部分設(shè)計(jì)有CPU邏輯運(yùn)算電路、電源模塊電路、電壓采樣電路、開關(guān)量采集電路、LCD顯示電路、LED指示電路和告警通信電路。CPU邏輯運(yùn)算電路負(fù)責(zé)電壓AD轉(zhuǎn)換、開路續(xù)流器溫度開關(guān)狀態(tài)判斷、LCD顯示與人工交換、LED運(yùn)行指示及故障指示和告警信號控制等功能。電壓采樣電路負(fù)責(zé)把蓄電池組端電壓隔離放大，達(dá)到CPU AD轉(zhuǎn)換電壓值。開關(guān)量采集電路負(fù)責(zé)監(jiān)控開路續(xù)流器溫度傳感器狀態(tài)，轉(zhuǎn)化電平信號供CPU監(jiān)測。LCD顯示電路采用帶觸摸功能的顯示屏，負(fù)責(zé)顯示設(shè)備及系統(tǒng)信息，同時完成人機(jī)交換。LED指示電路負(fù)責(zé)顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)與系統(tǒng)故障告警狀態(tài)。告警通信電路處理通信電平轉(zhuǎn)換和告警開關(guān)量信號輸出。設(shè)備外接蓄電池組端電壓和開路續(xù)流器溫度傳感器輸出信號線。

圖3 采樣告警部分設(shè)計(jì)框圖

蓄電池開路續(xù)流與過放告警裝置分為開路續(xù)流和采樣告警主機(jī)兩個部分，開路續(xù)流部分安裝在每一節(jié)蓄電池正負(fù)極之間，如圖4所示，在蓄電池開路故障時起到續(xù)流作用，有開關(guān)量信號接到采樣告警主機(jī)?？梢詫⒉蓸痈婢鳈C(jī)安裝在蓄電池架上，采集蓄電池組端電壓，端電壓過低時發(fā)出告警信息，防止蓄電池過放電損壞；同時采集開關(guān)量信號，從而對蓄電池開路故障進(jìn)行有效告警。

圖4 蓄電池開路續(xù)流與過放告警裝置原理圖

3 運(yùn)行效果分析

本次研制的蓄電池開路續(xù)流與過放告警裝置在本地區(qū)選取了一個變電站在運(yùn)蓄電池組進(jìn)行安裝試驗(yàn)運(yùn)行，試驗(yàn)期間模擬了一節(jié)及多節(jié)蓄電池開路故障，裝置均能正常續(xù)流及告警，未造成整組蓄電池開路引起直流系統(tǒng)失壓的事故。另外，模擬蓄電池過放電故障，告警裝置能可靠告警，達(dá)到了預(yù)期運(yùn)行效果，性能良好。

4 結(jié)語

通過本次研究，有成果蓄電池開路續(xù)流與過放告警裝置，能夠解決電力系統(tǒng)直流蓄電池開路故障的檢測問題，其還具備蓄電池開路故障反措及續(xù)流功能，并能針對蓄電池組過放電事故進(jìn)行告警，避免蓄電池故障給電力系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p失。研究成果有現(xiàn)場運(yùn)行案例，運(yùn)行情況良好，成果可以在電力系統(tǒng)推廣使用，可保障電力系統(tǒng)更加可靠地運(yùn)行。