孔圣立，陳 宇，郭志克，趙光金，劉 昊

（1.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南 鄭州 450052；2.國網(wǎng)河南省電力公司平頂山供電公司，河南 平頂山 467000）

0 引 言

蓄電池作為變電站備用直流電源，長期浮充運行。當(dāng)突發(fā)交流電源失去或電壓降低時，充電裝置無輸出，蓄電池應(yīng)為直流負(fù)荷提供持續(xù)可靠電源。此時若蓄電池發(fā)生斷格，則可能導(dǎo)致變電站保護和開關(guān)發(fā)生拒動，擴大故障范圍[1]。近期某110 kV變電站發(fā)生一起因蓄電池斷格造成變電站故障擴大事件，造成變電站設(shè)備燒損，帶來了巨大的經(jīng)濟損失。經(jīng)調(diào)查，在事故發(fā)生半年前，該組蓄電池剛完成核對性放電試驗，并根據(jù)試驗結(jié)果更換了容量不足的單體蓄電池。本文旨在查明事件原因，并探索診斷蓄電池實際運行情況的有效方法。

1 事件簡述

1.1 設(shè)備配置情況

110 kV甲變電站電氣主接線如圖1所示。110 kV甲變電站10 kV出線開關(guān)均為電磁型操作機構(gòu)。甲#1站用變帶動全站交流負(fù)荷（401開關(guān)為合位），甲#2站用變處于備用狀態(tài)（402開關(guān)為分位）。直流電源系統(tǒng)配置一套充電機和一組蓄電池。蓄電池組由108只VRLA蓄電池（密封式閥控鉛酸蓄電池）串聯(lián)構(gòu)成，容量為200 Ah，運行不足4年。

圖1 110 kV甲變電站電氣主接線圖

1.2 事件過程

10 kV甲I線發(fā)生三相短路故障，甲10 kV II母電壓隨之跌落。因站用變低壓側(cè)開關(guān)不具備電動分合閘功能，也未配置備自投裝置，甲#2站用變未能及時投入，造成直流充電裝置因欠壓閉鎖輸出，由蓄電池組帶動全站直流負(fù)荷運行。

10 kV甲I線保護出口跳閘后，1.5 s后重合。在重合閘電流沖擊下，蓄電池發(fā)生斷格，站內(nèi)直流電源系統(tǒng)失電[2]。10 kV甲I線桿塔弓子線熔斷后造成同桿的10 kV甲II線三相短路。因甲變電站直流失去，保護拒動，只能經(jīng)上一級保護動作切除故障，造成變壓器和開關(guān)柜燒損等設(shè)備損失。需要說明的是，曾發(fā)生過同類事件，10 kV丙IV線路發(fā)生故障，速斷保護動作，重合后報出電池異常，但18 min后未經(jīng)處理，該告警信號自行消失。

2 事故前電池組核對性放電試驗情況及分析

《電力系統(tǒng)用蓄電池直流電源裝置運行與維護技術(shù)規(guī)程》（DL/T 724—2000）6.3.3條文規(guī)定：“發(fā)電廠或變電所中只有一組電池，不能退出運行，也不能作全核對性放電，只能用I10電流恒流放出額定容量的50%，在放電過程中，蓄電池組端電壓不得低于2 V×N”。從VRLA蓄電池放電特性曲線圖來看，以0.1 C電流放電，5 h后蓄電池電壓為2 V，可知2 V截止電壓與滿容量VRLA蓄電池放電特性是相符的。圖2為VRLA蓄電池放電特性曲線圖。事故發(fā)生前6個月，運維人員對甲變蓄電池組進行核對性放電試驗。因該站僅有1組蓄電池組，將放電截止電壓設(shè)置為2 V，放電5 h，符合《電力系統(tǒng)用蓄電池直流電源裝置運行與維護技術(shù)規(guī)程》規(guī)定。

圖2 VRLA蓄電池放電特性曲線圖

在這次核對性放電試驗中，發(fā)現(xiàn)3只蓄電池容量不足并予以更換。它的放電時間如表1所示。5 h后，除這3只電池外，甲變電站的其他蓄電池單體電壓均在2 V以上。根據(jù)相關(guān)規(guī)程和運行經(jīng)驗，甲變電站蓄電池過壓告警定值為15 V（6只為一組，平均單只為2.5 V），過壓告警定值偏高。電池欠壓告警定值10.5 V（6只為一組，平均單只為1.75 V），欠壓告警定值偏低。核對性放電試驗后半年內(nèi)，多次報出蓄電池電壓異常信號，均持續(xù)很短時間后自行恢復(fù)。事故發(fā)生后，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)有2只蓄電池發(fā)生斷格。甲變電站蓄電池電壓告警定值設(shè)置寬泛后仍出現(xiàn)多次告警情況。放電試驗后至事故發(fā)生前，蓄電池組處于“帶病”運行狀態(tài)。可見，通過該種核對性放電試驗方式并不能排查出所有斷格蓄電池，且放出50%容量也不能真正核算出蓄電池容量[3]。此外，目前放電截止電壓根據(jù)滿容量蓄電池組放電特性確定，對于甲變電站蓄電池性能較差的情況，顯然放電深度不夠。

表1 甲變電站不合格蓄電池放電試驗數(shù)據(jù)表

3 事故后蓄電池解體測試分析

事故發(fā)生后，對甲變電站故障斷格蓄電池進行解體，發(fā)現(xiàn)斷格電池負(fù)極存在腐蝕斷裂現(xiàn)象，耳板和匯流排焊縫腐蝕斷裂，匯流排與接線端子連接焊縫存在燒熔現(xiàn)象。顯微鏡觀察斷裂的耳板，發(fā)現(xiàn)斷口上覆蓋致密硫酸鉛層，斷口具有腐蝕斷裂特征，匯流排上覆蓋硫酸鉛，斷口上有腐蝕減薄和燒熔現(xiàn)象。因此，可推斷故障電池內(nèi)部發(fā)生了過電流短路現(xiàn)象。內(nèi)部過電流能量在負(fù)極匯流排上以大量熱的形式釋放，超過負(fù)極匯流排材料承受范圍，將負(fù)極匯流排燒熔而留下殘渣。

測得斷格蓄電池正極板厚度為3.5 mm。根據(jù)《DL/T 637—1997 閥控式密封鉛酸蓄電池訂貨技術(shù)條件》4.2.4條文“蓄電池正極板厚度不得低于3.5 mm”可知，故障電池正極板厚度僅為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)下限。此外，測得它的內(nèi)阻較大，超出內(nèi)阻測試儀量程（3.1 Ω）。

4 蓄電池斷格相關(guān)因素分析

4.1 蓄電池電壓

運維人員每月對甲變電站蓄電池端電壓進行測試，在事故發(fā)生前2個月兩只斷格蓄電池端電壓分別為2.3 V和2.29 V，普遍偏高。運行期間，對于蓄電池電壓告警應(yīng)予以高度重視。

4.2 蓄電池內(nèi)阻

甲變電站事故發(fā)生后對其開展了蓄電池內(nèi)阻研究分析，以探索內(nèi)阻與容量之間的對應(yīng)關(guān)系。

對乙、丙兩變電站近兩年蓄電池內(nèi)阻變化率和放電試驗結(jié)果進行對比分析。測試結(jié)果顯示，所有容量不合格電池均有一顯著特征，即內(nèi)阻變化率較大。采用聚類法對蓄電池內(nèi)阻變化率和容量關(guān)系進行繪圖，結(jié)果如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，不滿足容量要求的電池單體內(nèi)阻變化率都大于30%。

分析可知，電池內(nèi)阻變化率可作為判斷蓄電池容量的重要參數(shù)。當(dāng)電池內(nèi)阻變化率大于30%時，蓄電池容量不合格，應(yīng)對蓄電池進行核對性放電檢查。

4.3 正極板厚度

甲變電站蓄電池組正極板厚度為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)下限，而正極板的腐蝕是常見的失效模式之一[4]。按照圣陽蓄電池廠家培訓(xùn)手冊，正極板厚度決定電池壽命。正極板柵厚度為3.4 mm時，預(yù)計浮充壽命為6年；正極板柵厚度為4.5 mm時，預(yù)計浮充壽命為12年。

圖3 電池內(nèi)阻變化率聚類圖

4.4 核對性放電試驗

首先，對蓄電池進行50%放電并不能據(jù)此判斷蓄電池容量是否合格，只能對蓄電池起到活化作用[3]。其次，對蓄電池進行50%放電并不能排查出所有故障電池。最后，甲變蓄電池放電50%出現(xiàn)3只蓄電池不合格現(xiàn)象，應(yīng)引起足夠重視。建議采用備用蓄電池組代用后做全核對性放電試驗，根據(jù)試驗情況進一步?jīng)Q定更換單只或整組。

4.5 斷格與VRLA蓄電池關(guān)系

甲變電站VRLA蓄電池組在受到較大合閘沖擊電流后發(fā)生異常并進而發(fā)生斷格，雖未見斷格與VRLA蓄電池相關(guān)性的公開報道，但從近些年VRLA蓄電池運行情況來看，發(fā)生斷格現(xiàn)象較多。VRLA蓄電池斷格與其結(jié)構(gòu)更易發(fā)熱有關(guān)[5]。

5 運維過程中判斷蓄電池斷格的實例

某供電公司蓄電池運維工作開展到位，蓄電池壽命均能保證8年以上壽命。該公司重視直流電源系統(tǒng)運檢管理工作，特別是針對斷格蓄電池采取了一系列排查措施，保障了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

5.1 排查方法

5.1.1 核對性充放電試驗

用0.1 C電流進行蓄電池核對性充放電試驗，測量蓄電池電壓，對電壓降為0的蓄電池判斷為斷格。但是，對于內(nèi)部匯流排腐蝕嚴(yán)重和似接非接的蓄電池，采用0.1 C電流放電很難判斷斷格，因其端電壓會在短時間內(nèi)波動后維持穩(wěn)定。此時，可采用0.2 C放電電流進行沖擊性試驗，分組測量蓄電池電壓，逐漸縮小故障范圍排查故障電池。也可開閥檢查，觀察蓄電池匯流排是否存在腐蝕現(xiàn)象，從而及時發(fā)現(xiàn)存在開路隱患的蓄電池。

5.1.2 蓄電池端電壓測量

蓄電池端電壓是判斷蓄電池好壞的重要因素。巡檢發(fā)現(xiàn)蓄電池電壓遠(yuǎn)低于正常值，要用萬用表進行測量核實。確實電池電壓低時，進行蓄電池組核對性充放電試驗或用活化儀對單只蓄電池放電。均充過程中發(fā)現(xiàn)蓄電池電壓偏高時，需進行開閥或放電，以及時發(fā)現(xiàn)存在斷格隱患的蓄電池。

5.1.3 蓄電池內(nèi)阻測試

通過測量蓄電池內(nèi)阻，將蓄電池歷年內(nèi)阻值進行對比，對可能存在斷格問題的蓄電池進行開閥檢查，及時發(fā)現(xiàn)存在斷格隱患的蓄電池。

5.1.4 測 溫

開閥檢查溫度過高的蓄電池，消除斷格隱患。

5.2 排查實例

110 kV丁變電站蓄電池為2 V/200 Ah，2012年8月投運。對該站開展蓄電池充放電試驗工作發(fā)現(xiàn)，蓄電池電壓瞬間消失。采用分組測量和逐漸縮小排查范圍的方法查找，發(fā)現(xiàn)2只蓄電池電壓為0 V。更換故障蓄電池后，再次進行蓄電池充放電工作，發(fā)現(xiàn)蓄電池端電壓波動異常，認(rèn)為仍存在異常蓄電池。由于20 A（0.1 C）電流放電已無法排查出故障蓄電池，采用35 A大電流進行放電，發(fā)現(xiàn)一只蓄電池電壓為0 V。再次更換后進行放電工作，蓄電池端電壓仍存在異常波動。再次升高放電電流，采用40 A（0.2 C）大電流進行放電，排查出一只異常蓄電池，更換后，隱患消除。

6 結(jié) 論

蓄電池組在交流電源失去后，其性能影響變電站的安全穩(wěn)定運行。近年來入網(wǎng)蓄電池產(chǎn)品質(zhì)量下降，對于仍然配置電磁操動機構(gòu)開關(guān)的老舊變電站，蓄電池組運行時間較短易發(fā)生斷格情況。本文通過對發(fā)生斷格的蓄電池組核對性放電試驗和解體測試等進行分析，剖析斷格相關(guān)因素，提出了供電公司檢查斷格的運維經(jīng)驗。實踐證明，通過內(nèi)阻變化率和適度提高核對性放電試驗等措施，能提前排查出斷格蓄電池，確保蓄電池組以良好的狀態(tài)運行。