變電站蓄電池組運行年限的影響因素分析

崔辰晨，齊振忠，郭 麗，吳潔珊，劉小紅

(國網長治供電公司，山西 長治 046011)

1 概述

直流系統是變電站二次設備的生命線,是變電所二次設備的重要組成部分[1],而蓄電池組又是直流系統的“心臟”。當變電站交流電源出現故障時，將由蓄電池組直接對分、合閘操作及其他重要負載提供電力。目前,長治供電公司所轄的69座變電站均為閥控式密封鉛酸蓄電池組,常由17節或104節蓄電池串聯構成。通過開展直流系統專業化巡視及定期對蓄電池組進行核對性放電試驗來精準確定其實際容量，進而判斷蓄電池組的運行工況及壽命。但由于工作人員疏于日常規范管理和維護等原因，導致蓄電池組在正常使用中經常出現容量不足或過早失效現象，大大縮短了其正常的運行年限。

2 閥控式密封鉛酸蓄電池

2.1 工作原理

閥控式密封鉛酸蓄電池具備密封和免維護兩大特點。鉛酸蓄電池充電時，正極發生的電化學反應：PbSO4+2H2O→PbO2+H2SO4+2H++2e，H2O→1/2O2+2H++2e

負極上發生的化學反應：PbSO4+2H+→Pb+H2SO4，2H++2e→H2

純鉛的化學反應：Pb+1/2O2→PbO，PbO+H2SO4→PbSO4+H2O

由于正負極的充電接受能力存在差別，當正極板充電至70%時，開始析出氧，而負極板充電至90%時，才開始析出氫。為此，閥控式密封鉛酸蓄電池采用負極活性物過量設計，保證蓄電池內只有正極產生的氧，沒有負極產生的難以復合的氫。閥控式密封鉛酸蓄電池通過采用貧電解液設計，解決了氧的傳輸問題，完成氧的再化合，進而實現了密封和免維護兩大性能。

2.2 相關規定

根據國家電網公司發布的《直流電源系統管理規范》中相關規定及十八項電網重大反事故措施要求，本文對各變電站蓄電池組定期進行核對性放電試驗及更新。

a．新安裝的閥控式密封鉛酸蓄電池，在驗收時應進行核對性放電試驗。以后每隔2年進行1次，運行4年后，每年做1次核對性放電試驗[2]。

b.蓄電池更新原則

個別故障蓄電池無法繼續修復或達不到規定要求時，應予以個別更換；當故障蓄電池數量達到整組蓄電池的20%及以上時，應整組更換；蓄電池組達不到額定容量的80%及以上時，應整組更換。

3 蓄電池組壽命的影響因素及防控措施

3.1 單個電池電壓落后

運行中由于各方面原因，會出現大部分蓄電池已充滿電，而個別電池電壓偏低，也就是單個電池電壓落后情況，這些電壓偏低的電池會在絕大多數電池性能良好時提前損壞或發生故障，導致蓄電池報廢。建議提高該單體落后電池的浮充電壓，目前主要采用2種措施。

a.采用落后電池電壓均衡裝置

在1組蓄電池組個別電池特性發生劣化、電壓偏低需要更換時，在落后電池兩端并接落后電池電壓均衡裝置，以達到提高電壓的目的。本設備主要包括外部電源適配器、微控制器、數字式溫度傳感器以及十大電路(內部電源電路、顯示電路、微控制器監控復位電路、模數轉換電路、電壓基準電路、負電壓發生電路、電池電壓分壓電路、充電電流采樣電路、模擬開關電路、脈寬調制電池充電電路)等組成[2]，結構如圖1所示。通過本設備減少了運維人員對蓄電池的更換工作，保證了落后蓄電池的正常工作，從而延長了蓄電池運行年限。

圖1 落后電池電壓均衡裝置結構

b.利用大功率二極管直接更換

本措施是在不切斷充電機及電池組供電情況下，對落后電池進行直接更換。利用二極管、導線、夾子及絕緣膠布制作即可，其原理是利用二極管的正向導通、反向截止的原理，用1只硅元件將被更換蓄電池兩側相鄰的2節蓄電池反向相連，從而使硅元件與蓄電池組的充放電回路形成一個完整的回路，從而將被更換蓄電池完全斷開，同時不影響剩余N-1個蓄電池組成的蓄電池組的容量充足且正常帶電運行，如圖2所示。

圖2 利用大功率二極管更換蓄電池原理

蓄電池的使用壽命與環境溫度關系很大[4-5]。閥控型蓄電池電解液的溫度按不同廠家規定，應該在15～30 ℃。但在25 ℃時為最佳，蓄電池在溫度25 ℃下,其壽命與浮充電壓的關系如圖3所示。而蓄電池浮充電壓均控制在2.25 V左右，故電池的環境溫度才是影響其壽命的關鍵因素之一。如110 kV故驛站冬天蓄電池室溫度過低，不能滿足要求。建議蓄電池室應裝設溫控設備或采取其他采暖、降溫措施，在通風良好的情況下，使溫度盡量保持在25 ℃左右。

圖3 蓄電池壽命與浮充電壓的關系

3.2 未進行核對性試驗和過放電現象

分析原因：一是蓄電池投運前施工工程混亂，可能未及時進行核對性試驗，使后期接管的運維人員不能充分了解蓄電池容量真實情況。二是由于電池存放期不能超過6個月，一般電池存放3～6個月就應進行充電試驗，而新建變電站建設周期較長，蓄電池廠家從發貨到施工安裝又需要一段時間，安裝完成后已經超過6個月，一旦直流裝置供電電源失電，蓄電池就要開始對負荷供電，加上之前本身自放電，蓄電池很快會達到極限電壓，若不能對蓄電池及時進行充電，會造成蓄電池過放電，嚴重影響蓄電池組使用壽命，甚至導致蓄電池報廢，例如110 kV聰子峪、里信站均發生過此類情況。建議投運前必須進行試驗，并有真實的試驗報告，不能單純以廠家給出的試驗報告為準。另外，施工人員應加強對直流裝置運行情況的巡視，發現異常及時上報、處理。

3.3 蓄電池柜結構缺陷

110 kV變電站蓄電池組均放置于主控室專用柜內。但部分蓄電池柜結構存在缺陷：一是部分所使用的蓄電池柜都沒有合理的通風散熱設計；二是缺少溫度監測，柜內無溫度計；三是柜體空間設計不合理，影響蓄電池擺放，不便于維護，不利于散熱，造成電池使用壽命縮短。例如110 kV歐亞園站蓄電池組柜內上、下層隔板間距離過小；城西站蓄電池現為臥式排列，正常應為立式等。建議蓄電池柜體結構要有良好的通風、散熱設計，蓄電池擺放整齊且留有適當的間距，保證蓄電池間不小于15 mm，與上層隔板間不小于150 mm。建議日常運行巡視時，打開柜門通風、散熱。同時加裝溫度傳感裝置，實現對蓄電池柜內溫度實時監測。

3.4 未進行周期容量核對性試驗

長期處于浮充電運行方式的蓄電池，只是充電裝置內定期均衡充電是不夠的，而且無法判斷蓄電池實際容量、內部是否失水或干涸。不按周期進行蓄電池容量試驗，蓄電池內部的電化學物質得不到活化，容易形成硫酸鉛，且不能再還原成氧化鉛，成為有害物質，嚴重影響蓄電池的壽命。通過周期性試驗，可以發現蓄電池容量缺陷，并且可以通過每次試驗結果對比，橫向比較掌握蓄電池運行狀況。建議嚴格按照規定定期對蓄電池進行容量核對性試驗。

3.5 蓄電池整體質量存在差別

現階段長治主網變電站蓄電池組廠家分別為：山東圣陽、長沙豐日、英國霍克、哈爾濱光宇、深圳理士、德克、銀杉、廣東湯淺、東北沈陽、江蘇雙登、海志、非凡等，通過每年直流設備檢查和蓄電池組容量試驗發現使用壽命較長、質量較好的產品廠家為山東圣陽、東北沈陽、廣東湯淺，較差的為深圳理士、海志。建議變電站在進行技術改造、大修等工程項目時，優先選用質量較好的蓄電池廠家產品。

4 結束語

為確保直流系統穩定運行，運維人員應充分了解蓄電池的工作機理，通過合理的維護手段及科學的維護方法，有效地提高變電站蓄電池的運行效率，從而延長其使用壽命，打造更加堅強的智能電網。