一種在線式整組蓄電池維護裝置的 研究與設計

毛 焱 黃永東

（廣東電網公司中山供電局，廣東 中山 528400）

電力系統中直流電源系統是由充電裝置、免維護鉛酸蓄電池、饋出回路、調壓裝置和相關的控制、測量、信號、保護、調節單元等設備組成，為控制、信號、繼電保護、自動裝置及事故照明等提供可靠的工作電源。隨著投運年限的不斷增加，直流系統中蓄電池組經常會出現單體蓄電池端電壓參差不齊的現象。端電壓過高的蓄電池會出現過充，長期過充會嚴重影響蓄電池的使用壽命；端電壓過低的蓄電池會出現欠充，影響整組蓄電池的運行效率。由此可見，合理調節整組蓄電池的單體電壓對電池本身及整組蓄電池都有著重要意義。目前，變電站維護人員一般采用蓄電池活化或補充電的方式對劣化初期的蓄電池進行維護處理，但是該種方法需將蓄電池拆離整組后再單獨處理，工作量大，效率低。因此設計一種在線式整組蓄電池維護裝置對變電站直流系統顯得尤為重要。

1 設計方案

1.1 直流系統工作原理

如圖1所示，交流屏提供交流輸入并通過交流配電單元為充電機供給電源，充電機將交流電變換為220V/110V 直流電，該直流輸出一方面提供給直流母線滿足直流負載的需求，另一方面給蓄電池組充電。正常狀態下，蓄電池組處于浮充電狀態，浮充電流補償蓄電池自放電，而變電站直流負載需求完全由充電機提供。當交流輸入或充電機輸出發生故障時，蓄電池組及時給直流母線充電，滿足直流負載需求，保證直流系統正常工作。

圖1 變電站直流系統工作原理簡明示意圖

1.2 LT1083 介紹

LT1083芯片[1]是高效率線性可調穩壓器，能最大限度地減小過載條件下穩壓器和電源電路上承受的應力件，并高效率提供7.5A、5A 和3A 輸出電流。片內修整把輸出電壓準確度調節至1%，其電壓調整率為0.015%，負載調整率為0.01%。與PNP 穩壓器（約10%的輸出電流作為靜態電流被消耗）不同，LT1083的靜態電流將流入負載，從而提升了效率，LT1083引腳圖如圖2所示。

圖2 LT1083 引腳圖

1.3 維護裝置工作原理

該維護裝置能在線適用于整組蓄電池，當長期 運行的蓄電池組出現單體電壓不一致現象時，將蓄電池組中各個單體電池加裝該維護裝置，如圖3所示。當某一過充單體蓄電池端電壓高于上門檻值[6]時（可調，本裝置設為2.260V），維護裝置導通，工作指示燈點亮，此時維護裝置開始對該單體蓄電池恒流放電，并通過輔助旁路對整組中其他欠充蓄電池補充電；而當該蓄電池端電壓低于下門檻值時（可調，本裝置設為2.246V），維護裝置將退出運行，工作指示燈熄滅。利用整組蓄電池中各自維護裝置的反復導通與截止，從而使欠充及過充蓄電池同時得到優化，實現整組蓄電池維護目的，提高了蓄電池維護效率。另外，該維護裝置發生故障時能立即燈光告警，大電壓沖擊試驗、電源線反接試驗均不會對蓄電池造成惡劣影響，維護裝置安全性能滿足變電站運行要求。

圖3 在線式整組蓄電池維護裝置應用原理圖

1.4 維護裝置電路設計

維護裝置電路[2]由電壓采集電路、驅動電路、光電監視電路和恒流電路四部分組成，完整電路圖如圖4所示。

圖4 在線式整組蓄電池維護裝置PCB 電路圖

其中，電壓采集電路能高精度實時采集蓄電池端電壓，并通過高增益集成運放電路將端電壓處理并送至下一級電路，電壓采集誤差不高于1mV。驅動電路[3]由遲滯電壓比較器和NPN 型三極管組成，基準電壓精確穩定，誤差小于0.5mV，驅動能力強。恒流電路由低壓差恒流器和限流電阻組成，控制IC三端可調，電壓調整率僅為0.015%，功耗低，電路效率高。光電監視電路由發光二極管D1、D4、D5及其外圍電路組成，具有電路反接、斷線、短路告警，以及正常狀態工作指示功能。

此外，為了便于批量生產，提高設計效率，我們制作了PCB 電路圖，如圖5所示。

最終，通過合理選擇電路元器件、電源線、電源夾、指示燈、設計裝置外殼，制作出一套安全、可靠、便攜的在線式整組蓄電池維護裝置。該裝置重量小于100g，體積小于200cm3，采樣誤差不大于1.5mV，維護裝置實物如圖6所示。

圖5 在線式整組蓄電池維護裝置PCB 電路圖

圖6 在線式整組蓄電池維護裝置實物圖

2 維護裝置試驗及結果

2.1 維護裝置實驗室試驗及結果

利用實驗室工具，選擇三個型號相同的單體蓄電池（#1 單體初始電壓為2.437V、#2 單體初始電壓為2.285V、#3 單體初始電壓為2.034V）用作實驗室試驗。

圖7 維護裝置實驗室試驗數據圖

試驗過程中，每隔0.5h 對蓄電池端電壓進行記錄，如圖7所示。從圖中可以清晰發現，過充的#1單體經過 10h 的維護處理后，最終端電壓達到2.246～2.260V 的預設電壓區間；欠充的#3 單體在維護處理后，端電壓緩慢上升，最終達到預設電壓區間。#2 單體由于其維護裝置反復導通截止，端電壓在預設電壓范圍內波動。

2.2 維護裝置站端試驗及結果

鑒于維護裝置實驗室試驗結果理想，我們選用中山供電局110kV 張溪變電站（中山供電局培訓基地）#1 蓄電池組作為維護裝置站端試驗對象，如圖8所示。

圖8 在線式整組蓄電池維護裝置站端試驗圖

經過將近一周維護試驗后，張溪站#1 蓄電池組各單體端電壓均達到2.246～2.260V 的預設區間，試驗結果達到預期目標。

3 結論

利用在線式整組蓄電池維護裝置能在不拆除單體蓄電池的情況下使需維護的欠充及過充蓄電池同時得到優化，避免了拆裝蓄電池所造成的人身、設備風險，同時也解決了單獨處理蓄電池后運行效果不佳的難題。

[1] Linear Technology Corporation. LT1083 Datasheet (PDF)-Linear Technology. http://www.linear.com

[2] 劉暢生,王博一,王家榮. 電源集成電路實用速查手冊[M]. 北京: 中國電力出版社,2010.

[3] 沙占友,龐志鋒. 開關電源外圍元器件選擇與檢測[M]. 北京: 中國電力出版社,2009.

[4] 秦鳴峰. 蓄電池的使用與維護[M]. 北京: 化學工業出版社,2011.

[5] 中國電力企業聯合會. 中華人民共和國國家標準:電氣裝置安裝工程蓄電池施工及驗收規范. GB 50172—2012 中國標準書號[S]. 北京: 中國計劃出版社,2012.

[6] 廣東電網公司變電站直流電源系統技術規范. Q/GD001 1176.03—2008. 廣州: 廣東電網公司,2008.