紀(jì)哲夫 謝歡歡 郭興強(qiáng)

摘 要：為降低變電站管理的運(yùn)維成本，延長(zhǎng)蓄電池組的實(shí)際使用壽命，降低因蓄電池過早報(bào)廢造成的資源浪費(fèi)和對(duì)環(huán)境的污染，文章通過對(duì)變電站閥控式鉛酸蓄電池的修復(fù)試驗(yàn)，研究蓄電池容量狀態(tài)與蓄電池的修復(fù)效果及修復(fù)時(shí)長(zhǎng)的關(guān)系，以及對(duì)比不同的運(yùn)維管理策略下的蓄電池年使用成本，確定了基于蓄電池修復(fù)技術(shù)的蓄電池組最實(shí)用的運(yùn)維管理策略，該策略在生產(chǎn)實(shí)踐中具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，值得在電網(wǎng)大力推廣和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：閥控式鉛酸蓄電池；修復(fù)；環(huán)保；使用壽命；降低成本；管理策略

中圖分類號(hào)：TM912 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）28-0001-05

Abstract： In order to reduce the operation and maintenance cost of substation management， prolong the service life of batteries， reduce the waste of resources caused by premature scrapping of batteries and the pollution to the environment， this paper makes a repair test of valve regulated lead acid battery（VRLA battery） in substations. The relationship between the capacity state of the battery and the repair effect and time of the battery was studied， and the annual operating cost of the battery under different operation and maintenance management strategies was compared. The most practical operation and maintenance management strategy of battery group based on battery repair technology is determined. The strategy has good economic and social benefits in production practice and is worth to be vigorously promoted and applied in power grid.

Keywords： valve regulated lead acid battery（VRLA battery）； repair； environmental protection； service life； cost reduction； management strategy

1 概述

對(duì)變電站直流系統(tǒng)蓄電池日常運(yùn)行維護(hù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，投入電網(wǎng)使用的蓄電池通常在使用3-5年后，放電容量已經(jīng)低于標(biāo)稱容量80%。閥控式鉛酸蓄電池的設(shè)計(jì)壽命為10-12年，而大部分的蓄電池的實(shí)際使用壽命只有6-8年。失水和硫酸鹽化是引起閥控式鉛酸蓄電池容量下降的主要原因，而且是蓄電池運(yùn)行過程中無法避免的[1-7]。隨著閥控式鉛酸蓄電池活化修復(fù)技術(shù)研究的日趨成熟，針對(duì)無物理結(jié)構(gòu)損傷的蓄電池，由失水和硫酸鹽化引起失效的閥控式鉛酸蓄電池進(jìn)行修復(fù)已驗(yàn)證可行[8-10]。本文通過對(duì)變電站閥控式鉛酸蓄電池進(jìn)行修復(fù)試驗(yàn)，對(duì)比不同放電容量情況下其修復(fù)效果、修復(fù)時(shí)間及成本，確定將蓄電池修復(fù)技術(shù)納入變電站蓄電池組運(yùn)維管理能夠有效解決蓄電池實(shí)際使用中壽命短的問題。結(jié)合修復(fù)效益分析，制定合理的蓄電池組管理策略，能夠延長(zhǎng)蓄電池使用壽命，降低蓄電池全生命周期的使用成本。

2 蓄電池組修復(fù)試驗(yàn)

本文所選用的蓄電池修復(fù)技術(shù)為修復(fù)液修復(fù)技術(shù)，在待修復(fù)電池中添加一種能夠促進(jìn)大顆粒硫酸鉛結(jié)晶分解蓄電池修復(fù)液，加載安全的充放電電壓及電流，可使附著在負(fù)極板上的大顆粒硫酸鉛結(jié)晶分解為化學(xué)反應(yīng)活性物質(zhì)鉛和二氧化鉛（如圖1），降低電池的內(nèi)阻，提升電池容量。

2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)對(duì)象：變電站在役核容不合格電池6只，型號(hào)為SNS-300，核容放電容量分別為額定容量的1#：79%、2#：75%，3#：66%，4#：60%，5#：58%，6#：20%。

蓄電池修復(fù)液：型號(hào)HBDL-2，廠家為廣州泓淮能源科技有限公司。

蓄電池智能修復(fù)系統(tǒng)：型號(hào)：HBRS-2V，廠家為廣州泓淮能源科技有限公司。

試驗(yàn)環(huán)境：環(huán)境溫度22°C～25°C；環(huán)境濕度：45%RH～62%RH

試驗(yàn)過程[11]：以1mL/2V.AH的比例添加蓄電池修復(fù)液后靜置1h；再以先恒流（0.1C）再恒壓（2.55V）的方式充滿電后進(jìn)行核對(duì)性放電；若核容放電容量未達(dá)到額定容量的80%，則再次進(jìn)行上一步的充電放電過程，最多進(jìn)行3次循環(huán)，對(duì)于3次循環(huán)后容量仍不滿足要求的，可深放電至0.5V。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

修復(fù)試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，圖2為修復(fù)前核容放電曲線，圖3為修復(fù)后核容放電曲線：

修復(fù)成功后的電池在水貝直流實(shí)驗(yàn)室模擬站內(nèi)浮充運(yùn)行15天后進(jìn)行核對(duì)性放電試驗(yàn)，重復(fù)進(jìn)行6次，各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求，最后1次核容放電曲線如圖4所示。修復(fù)后電池重新投入站內(nèi)運(yùn)行，投運(yùn)時(shí)間已經(jīng)超過2年，未出現(xiàn)任何異常，最近1次核對(duì)性放電曲線如圖5所示。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

如表1所示，當(dāng)蓄電池放電容量在額定容量66%以上時(shí)，在添加修復(fù)液之后進(jìn)行核容放電即可恢復(fù)容量至100%，修復(fù)效率非常高。而在66%以下，則必須要完成1個(gè)以上的充放電循環(huán)修復(fù)過程才能恢復(fù)容量至80%以上，且修復(fù)前容量越差，修復(fù)難度越高。

綜上，蓄電池修復(fù)前容量狀況越好，修復(fù)效果越好，修復(fù)過程的耗費(fèi)時(shí)長(zhǎng)也越短。綜合考慮蓄電池修復(fù)效果及修復(fù)時(shí)長(zhǎng)，可以得出如下結(jié)論：蓄電池最佳的修復(fù)時(shí)機(jī)是蓄電池容量在標(biāo)稱容量的70%-80%時(shí)，此種情況視為輕度修復(fù)。蓄電池單體容量下降至30%-70%時(shí)，通過幾個(gè)充放電循環(huán)可成功修復(fù)，此種情況視為中度修復(fù)；蓄電池單體容量下降到蓄電池標(biāo)稱容量的30%以下時(shí)，修復(fù)難度增加，修復(fù)效率低，此種情況視為深度修復(fù)。

3 蓄電池組管理策略

3.1 蓄電池修復(fù)技術(shù)應(yīng)用優(yōu)化

為進(jìn)一步優(yōu)化蓄電池修復(fù)技術(shù)在變電站的應(yīng)用，對(duì)于需輕度修復(fù)的蓄電池，我們采取加入修復(fù)液后利用直流系統(tǒng)充電機(jī)充電在線活化的方式進(jìn)行，對(duì)3種電網(wǎng)常用電池型號(hào)共6組電壓等級(jí)為110V的蓄電池組進(jìn)行在線活化試驗(yàn)，均成功修復(fù)，修復(fù)時(shí)長(zhǎng)接近為0，修復(fù)結(jié)果如表3，在線活化試驗(yàn)前后的放電曲線如圖6-11所示。

蓄電池修復(fù)液：型號(hào)HBDL-2，廠家為廣州泓淮能源科技有限公司。

遠(yuǎn)程充放電管理系統(tǒng)：型號(hào)：HBDC-110，廠家為廣州泓淮能源科技有限公司。

試驗(yàn)環(huán)境：環(huán)境溫度22°C～25°C；環(huán)境濕度：45%RH～62%RH

試驗(yàn)說明蓄電池在容量為70%-80%之間能夠通過在線活化的方式進(jìn)行容量恢復(fù)。但是在變電站實(shí)際應(yīng)用中容量下降到80%及以下就應(yīng)該更換，為了提高變電站的運(yùn)維效率，建議在發(fā)現(xiàn)蓄電池容量下降到接近80%時(shí)就可以添加蓄電池修復(fù)液進(jìn)行在線活化。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后對(duì)變電站容量下降的蓄電池進(jìn)行修復(fù)可參考標(biāo)準(zhǔn)如表3。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)實(shí)際情況對(duì)蓄電池全生命管理周期成本建模如下[12-13]：LCC=CI+CO+CM+CF+CD。

即全生命周期成本=投入成本+運(yùn)行維護(hù)成本+檢修成本+故障成本+廢棄成本。

以容量為300Ah電壓等級(jí)為110V的蓄電池組為例，根據(jù)鉛酸蓄電池的特性，容量下降至標(biāo)稱容量80%以下時(shí)電池性能急劇下降，合理假設(shè)電池在使用X年后容量下降至80%，則在X+0.25年以后容量下降至70%以下。年維護(hù)成本平均0.15萬元，投入成本平均7萬元，中度修復(fù)檢修成本為投入成本的九分之二，輕度修復(fù)檢修成本為投入成本的八分之一，平均廢棄成本為-0.35萬元，修復(fù)一次后延長(zhǎng)使用壽命3年。則根據(jù)年均使用成本C=全生命周期成本/使用年限得到不同類型的運(yùn)維策略下蓄電池組的年均使用成本：

策略一：容量下降至80%時(shí)更換整組電池，則C1=（7萬元+0.15X萬元+0萬元-0.35萬元）/X=（6.35/X+0.15）萬元。

策略二：容量下降至70%以下時(shí)中度修復(fù)后使用，則C2=（7萬元+0.15（X+3.25）萬元+7*2/9萬元-0.35萬元）/（X+3.25）=（8.05/（X+3.25）+0.15）萬元。

策略三：容量下降至接近80%是加修復(fù)液輕度修復(fù)后使用，則C3=（7萬元+0.15（X+3）萬元+7/8萬元-0.35萬元）/（X+3）=（7.525/（X+3）+0.15）萬元。

對(duì)比不同使用年限不同類型運(yùn)維策略的年均使用成本如圖12所示，可見C3為最優(yōu)策略即在蓄電池組容量降到接近80%時(shí)，對(duì)其進(jìn)行輕度修復(fù)的成本最低，為蓄電池修復(fù)的最優(yōu)策略。

因不同容量不同電壓等級(jí)其投入成本成比例增加或減少，因此上述方法同樣適用于大部分變電站蓄電池組。

該最優(yōu)管理策略使蓄電池組購置、安裝、運(yùn)行、維修、技改、再生、更新直至報(bào)廢回收整個(gè)壽命期內(nèi)所涉及的總成本最低。

3.3 基于蓄電池修復(fù)的運(yùn)維管理策略

鑒于蓄電池組修復(fù)技術(shù)的有益效果及顯著的經(jīng)濟(jì)效益[14-15]，要將此運(yùn)維管理策略推廣普及，需要根據(jù)變電站現(xiàn)有的運(yùn)維管理模式，進(jìn)行多因素的綜合考慮，才能做出更合理更優(yōu)的運(yùn)維管理決策。

（1）蓄電池修復(fù)的時(shí)間點(diǎn)的多因素評(píng)價(jià)方法

a.通過不同品牌/型號(hào)的蓄電池組使用年限和容量下降的關(guān)系，建立數(shù)學(xué)模型，以獲得根據(jù)使用年限來確定蓄電池修復(fù)時(shí)間點(diǎn)的參考數(shù)據(jù)。

b.通過不同品牌/型號(hào)的蓄電池容量下降程度與修復(fù)效果關(guān)系，獲得根據(jù)容量來確定蓄電池修復(fù)時(shí)間點(diǎn)的參考數(shù)據(jù)。

c.通過現(xiàn)有的核對(duì)性放電試驗(yàn)所獲得的容量數(shù)據(jù)，形成蓄電池容量變化曲線，確定蓄電池的最佳修復(fù)時(shí)間點(diǎn)。

（2）蓄電池修復(fù)規(guī)范化管理機(jī)制

a.規(guī)范蓄電池修復(fù)的要求，將蓄電池修復(fù)納入常規(guī)的運(yùn)維管理。

b.建立蓄電池修復(fù)篩選指引，幫助篩選具備修復(fù)價(jià)值的蓄電池。

c.建立蓄電池修復(fù)指南，對(duì)篩選出的具備修復(fù)價(jià)值的蓄電池，進(jìn)行在線修復(fù)或采用專用設(shè)備修復(fù)。

d.建立蓄電池集中修復(fù)統(tǒng)一管理的方案，以深圳市的變電站為模型，考察深圳市各變電站的蓄電池性能，統(tǒng)計(jì)需要修復(fù)的蓄電池情況，確定物流運(yùn)輸機(jī)制，修復(fù)地點(diǎn)，修復(fù)流程，各變電修復(fù)時(shí)間表等。

e.建立修復(fù)后蓄電池狀態(tài)的檢驗(yàn)與考察機(jī)制，加強(qiáng)巡視及維護(hù)，保證修復(fù)后的蓄電池可以安全有效地工作。

（3）蓄電池報(bào)廢的合理化建議

a.不具備修復(fù)價(jià)值的蓄電池才能申請(qǐng)報(bào)廢。

b.根據(jù)蓄電池維修成本和更換成本分析，制定科學(xué)合理的蓄電池組報(bào)廢期限和報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語

（1）通過對(duì)不同容量狀態(tài)的蓄電池修復(fù)效果及修復(fù)時(shí)長(zhǎng)，得出在蓄電池容量在標(biāo)稱容量在下降至接近80%或不低于70%時(shí)進(jìn)行輕度修復(fù)效率最高，值得在電網(wǎng)內(nèi)推廣和應(yīng)用。

（2）通過比較分析不同管理策略下的蓄電池年使用成本，得出在蓄電池組容量降到80%左右時(shí)，展開輕度修復(fù)的年均使用成本最低，為蓄電池修復(fù)的最優(yōu)策略，即為企業(yè)節(jié)省運(yùn)維成本，同時(shí)延長(zhǎng)電池使用壽命，減少蓄電池報(bào)廢帶來的環(huán)境污染。

（3）闡述了蓄電池修復(fù)技術(shù)在變電站中推廣時(shí)，在制定相應(yīng)的運(yùn)維管理決策時(shí)應(yīng)綜合考慮多方面的因素，與現(xiàn)有運(yùn)維管理結(jié)合構(gòu)成完整的新的蓄電池組管理策略。

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