配網10 kV開關站用閥控式鉛酸蓄電池的監測新思路＊

吳藝，時亨通，彭岳云

（1.深圳供電局有限公司福田供電局，廣東深圳518000；2.深圳市錦祥自動化有限公司，廣東深圳518000）

配網10 kV開關站用閥控式鉛酸蓄電池的監測新思路＊

吳藝1，時亨通1，彭岳云2

（1.深圳供電局有限公司福田供電局，廣東深圳518000；2.深圳市錦祥自動化有限公司，廣東深圳518000）

配網10 kV開關站備用蓄電池作為后備電源，在配網自動化設備終端應用發揮著重要的作用，在實際應用中的配電自動化現場終端對電池的管理和檢測僅對蓄電池的電壓電流進行簡單測量，而多數配電自動化終端設備安裝在戶外，工作環境惡劣，尤其是在冬夏要經受嚴酷的考驗，嚴重影響了蓄電池的使用壽命。所以，蓄電池故障成為可配電自動化終端的常見問題。提出了實時在線監測管理的新思路，實現了對配電自動化終端蓄電池健康狀態的遠程實時監測，為配網蓄電池管理和預防事故提供了參考。

自動化設備終端；閥控密封鉛酸蓄電池；內阻；在線監測

1 技術背景

配網自動化終端設備是整個配網自動化系統的底層設備，具有柱上開關、環網開關、箱式變、配電變壓器、開閉所、配電室等各種現場信息的采集處理及監控功能。為了確保配網自動化終端設備的安全、穩定、可靠運行，工作電源都需具備蓄電池作為后備電源，以滿足終端設備、操作機構、通信裝置的用電需求。作為后備電源的蓄電池，其運行環境對其使用壽命（容量）和電壓特性有著較大的影響，這是因為蓄電池在低溫下的化學活性降低，電池內阻增加，溫度下降會導致容量減少，蓄電池使用壽命縮短；蓄電池在較高的溫度下，電池內阻降低，放電電壓容量和能量通常也在增加，但此時化學活性的增加過快會導致凈容量的損失，蓄電池使用壽命縮短。所以，對配電自動化終端蓄電池在線管理的技術方法進行研究具有重要意義，以實現對蓄電池的電壓、內阻以及蓄電池運行溫度的準確測量，達到智能化判斷監測電池健康狀態、遠程化科學管理的目的。

2 配電自動化終端蓄電池管理現狀

2.1 配電自動化終端蓄電池現有使用模式

配電自動化終端蓄電池根據電源要求，一般配有2節或4節12 V閥控式鉛酸蓄電池，具有后備UPS電源功能，一旦交流電源中斷，則能自動切換到蓄電池供電方式，為開關操作機構、通信設備提供直流電源，供電時間不短于12 h。

2.2 蓄電池的電壓監測管理及其不充分性

在配電自動化終端，蓄電池全天候處于戶外使用狀態，尤其是中國大部地區都具有冬天溫度低、夏天溫度高的特點。在這種環境中，現有的系統提出了電源應具備蓄電池智能充放電功能的要求，但配電自動化終端蓄電池的管理工作只對電壓管理，未對其性能狀態進行監控，閥控式鉛酸蓄電池端電壓與放電能力的相關性不強，電壓正常的電池蓄電池內阻和容量不一定合格，所以，通過電池端電壓無法判斷蓄電池的健康狀態。因此，蓄電池電壓管理對蓄電池的性能判斷存在不充分性，不能有效、準確地反映電池的容量狀態。

3 在線監測管理的必要性

3.1 實時監控，提高維護效率

便攜式儀器都需要人工測試完成，數據統計需要維護人員進行大量日常測試。但由于配網開關站數量多、分布廣，要想實時了解所有蓄電池的健康狀況，則工作量非常大。實時在線監控系統由人力日常測試、維護轉變到了全自動智能維護和監控管理，可實時掌握蓄電池運行中的各項參數（電壓、電流、溫度），及時查找落后單體，使蓄電池正常運行，減少了維護人員的工作量，提高了維護人員的工作效率。

3.2 提高維護效果，有效減少維護盲區

通信蓄電池分布范圍廣，有些變電站、機房、基站在非常偏遠的區域，一般情況下一年做一次深度放電，一個季度做一次內阻測試，但這期間，蓄電池各個單體的變化是很大的，有些蓄電池容量進退化區會突然下降。應用蓄電池在線智能監控系統后，可以輕松解決偏遠地區蓄電池的維護和管理問題，從定期維護提升到全天候的監測、有針對性的維護，消除了維護中的盲點時間，提高了系統的可靠性。

3.3 延長蓄電池壽命，節約投資

使用在線智能監控系統以后，可實時監控蓄電池的各項運行參數，及時調整參數，排除故障，使每個蓄電池組時刻運行在最佳狀態，可以有效延長蓄電池的運行壽命。

4 鉛酸蓄電池的數學模型

蓄電池的電化學測試手段出現于20世紀70年代，在此基礎上，發展出把電池作為由傳統電子元件——電阻電容構成的電路系統的概念，見圖1.電阻R是指蓄電池內部的歐姆降，這是由電流通過電解質、接觸電阻等引起的。Rct和Cd是用來表示電荷在內部界面間的傳遞，Rct表示電荷傳遞電阻中的法拉第電阻部分，電池的電化學反應的難易程度可通過改變Rct實現；Cd是假設電容，用于表示物質的限制。這些參數的變化可以體現放電過程中理想電池V0的變化。

5 鉛酸蓄電池的失效機理

鉛酸蓄電池模型中包含以下反應：

正極：PbO2+HSO4-+3H++2e-→PbSO4+2H2O.

負極：Pb+HSO4-→PbSO4+H-+2e-.

在反應過程中，在每個電極上都遵循物質守恒的規律，但反應產物（比如PbSO4）的體積遠大于反應物，導致充放電過程電極孔隙率出現變化，圖2是整個電極厚度上的孔隙率分布圖。

圖2 整個電極厚度上的孔隙率分布圖

從圖2中可以看出，鉛酸蓄電池在放電過程中，整個電極厚度上孔隙率分布隨時間的變化而變化，這是由PbSO4引起的，PbSO4會造成電極表面阻塞，使電池內反應速率不均衡，直接限制了整個電極體積內電極與電解質的接觸，從而造成內部電阻Rct增加，容量開始衰減。

由此可見，蓄電池的失效模式可能引發性能惡化，且這種失效是不可逆的。

6 蓄電池在線監測新技術

6.1 內阻測試方法

蓄電池內阻能準確地反映電池的健康狀態，各標準中都明確了蓄電池內阻測試方法二次放電法，尤其是IEC 60896-21—2004明確定義了直流內部電阻。所謂“二次放電法”，是通過瞬間控制2個不同放電電流，同時測量蓄電池端電壓的變化，然后計算內阻的大小。蓄電池內阻測試如圖3所示。所以，建議蓄電池的內阻測量采用瞬間放電原理的測試法檢測。在放電過程中，短時間快速控制等電流放電（方波），同步檢測來自蓄電池本身能量層的蓄電池電壓的響應，從而測量內阻。該測量方法的優點是可以以更低的成本實現蓄電池內阻的精確測量，線路的諧波對其測量過程影響小。經過大量測試，測量的內阻準確性和重復性比較好。此外，相比交流注入法，能直接地反映蓄電池的內阻大小。具體如圖4所示。

圖3 蓄電池內阻測試

圖4 瞬間放電原理測試法

6.2 配電自動化終端蓄電池遠程監測

配電自動化終端具有現成的通信網絡，將蓄電池的監測數據通過通信接口上傳，遠程監控所有蓄電池的電壓、內阻、溫度等參數，可實現電池異常告警保護、電池自動維護。

7 內阻測試的必要性

7.1 防突變要求

配電自動化終端蓄電池在運行過程中，只要電池組中的某一個單體電池內阻逐漸變大或突變，且容量變小時，則會很快“拖垮”其他電池，所以，蓄電池內阻檢測可避免電壓檢測盲區出現，滿足規程中的防突變、防短路、防開路要求。

7.2 容量趨勢管理要求

蓄電池的內阻與蓄電池容量雖然沒有一一對應的關系，但內阻的趨勢變化規律同容量密切相關。當電池容量下降到80%或以下時，蓄電池便進入急劇的衰退期，使整組電池容量迅速下降，放電能力大大降低。此時，電池組已存在極大的事故隱患。

7.3 電池一致性要求

因為蓄電池單體串聯使用，所以，如果各電池內阻不一致，則在充電時各單體的充電電壓會不一致，易造成電池的欠充或過充現象。所以，在蓄電池的工程驗收和日常維護中，檢測蓄電池的內阻一致性是必要項目。

7.4 標準要求

保持蓄電池時刻處于良好運行的狀態，及時發現退化電池，是我們直流電源系統專業人員的職責要求，在IEC60896-2、GB/T 19638.2—2005等多個行業標準中，明確規定了蓄電池的內阻檢驗方法或要求。

8 結束語

在現有的配網系統中配置具備蓄電池內阻檢測功能的蓄電池在線監測單元，可以完善對配網自動化系統蓄電池的科學管理和維護，及時發現隱患和預防事故，提前消除隱患，提升配電自動化終端的穩定性，滿足配電自動化終端蓄電池的狀態監測要求。

［1］徐海明，王全勝.變電站直流電源設備使用與維護：閥控密封鉛酸蓄電池［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［2］王輝.發電廠及變電站二次設備分布式直流電源系統探討［J］.電力自動化設備，2004，24（07）.

［3］楊莉敏.淺談變電站直流系統的運行維護［J］.科技創新與應用，2014（35）.

〔編輯：張思楠〕

TM643

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.19.068

2095－6835（2017）19－0068－03

深圳市供電局有限公司2016科資0016科研項目

吳藝，男，工程師，長期從事電力系統配網自動繼電保護技術研究與運維管理方面的工作。時亨通，男，工程師，長期從事電力系統配網自動繼電保護技術研究與運維管理方面的工作。彭岳云，男，工程師，長期從事電力系統繼電保護、自動控制系統、直流電源系統的技術研究和產品開發管理方面的工作。