一種適用于發電廠直流系統蓄電池組的在線監控技術

曾梓倫

（廣西西江開發投資集團有限公司 廣西南寧 530023）

一種適用于發電廠直流系統蓄電池組的在線監控技術

曾梓倫

（廣西西江開發投資集團有限公司 廣西南寧 530023）

針對蓄電池組監控不足、電池健康狀況無法評估所帶來的可靠性問題，分析蓄電池組自動在線容量監控原理，設計蓄電池組在線監控裝置，實時監控蓄電池組的運行狀況并提供蓄電池性能監測數據。實驗數據及效果表明，該方法能夠解決蓄電池性能的在線實時監控，能夠對蓄電池提供比較全面的性能參數，對蓄電池組的運行維護有極大幫助。

蓄電池組；直流系統；放電曲線；在線監控

引言

廣西某水力發電站，屬于河床式發電站，直流系統在水電站中承擔的負荷極為重要，它提供為確保全廠控制、信號、繼電保護、自動裝置、事故照明等的不間斷供電，為操作回路提供操作電源，因此直流系統運行是否穩定、供電是否可靠，對發電站機組的穩定運行及閘門的可靠調度至關重要。

蓄電池組是直流系統重要的組成部分，直流系統針對其監控不足、電池健康狀況無法評估而所帶來的直流系統可靠性問題，本文設計對蓄電池組進行在線容量監控裝置，實時監控蓄電池組的運行狀況，并能夠對蓄電池提供比較全面的性能參數，對蓄電池組的運行維護有極大幫助。

1 蓄電池組自動在線容量監控原理

蓄電池組的在線監控及蓄電池失效預期檢測，是一個很復雜的電化學測量問題。由于發電廠的蓄電池長期工作比較特殊的環境及存在極化電壓，使得它們的狀態處于過、欠充電，不僅會使其壽命大大縮短，而且會危及到直流系統的穩定。另外，由于蓄電池的應用環境、使用材料、結構工藝及電化學反應等不同，到目前為止，對蓄電池性能的方法過于復雜，而不能快速判定。本文研究了一種蓄電池組自動在線容量監控裝置并應用于發電廠直流系統中，試驗不同類型蓄電池得到其放電曲線，通過分析上述放電曲線得出以下結論：①對于同一類型蓄電池，其放電曲線基本一致；②蓄電池內阻主要用于反映其性能差異，從放電曲線可獲得動態的內阻，為使放電曲線具有較為明顯的下跌，需讓蓄電池通過較大的放電電流；③對于同一蓄電池，其放電曲線會隨著其運行時間和充電次數的增加而發生明顯變化，主要用于評估蓄電池性能和壽命。

上述較為全面地分析蓄電池的放電曲線，同時結合應用環境及現場條件，初步采用檢測原理如下：

首先需在線監控裝置的程序包括蓄電池典型放電曲線，然后通過實時檢測蓄電池的放電曲線，最后比較并匹配二者曲線，分析蓄電池的性能，并打印輸出。

為消除蓄電池的極化電壓，在線監控裝置依靠瞬間大電流脈沖放電來完成，由此實時其放電曲線，并完成其內阻計算。為蓄電池的性能進行判斷，需由在線監控裝置通過與前一次放電曲線結果進行比較分析。內阻計算公式為：

內阻=（蓄電池電動勢-蓄電池電壓）/放電電流 （1）

內阻與容量、電解液比重和電能消耗等因素有關。內阻與容量成反比，內阻越大，容量越小。與電解液比重也成反比，電解液比重越小，內阻越大。放電過程中，放電時，電阻隨著電能的消耗越大而逐漸增加，充電時，內阻隨著電能的增加而逐漸減小。蓄電池的內部電阻等效電路，如圖1所示。

圖1蓄電池內部電阻等效電路

圖1 中，Cd是蓄電池電極的雙電層電容，Zd是蓄電池由電極濃差極化而引起的阻抗，Rr為兩極電化學反應的電阻，RΩ為蓄電池的歐姆內部電阻。

設定恒流放電電流和放電時間，對蓄電池進行核對性容量測試。先需設定一放電終止電壓，對蓄電池進行放電并啟動計時，當其電壓低于設定的終止電壓時，在線監控裝置將自動停止放電并停止計時，由放電電流和放電時間就可以計算出蓄電池組的容量，其表示式為：

蓄電池組容量=放電電流×放電時間 （2）

通過以上原理及方法，在線監控裝置完成對蓄電池電流高速采樣，實時分析計算，并比較判斷與在線監控裝置內部ROM設定的蓄電池失效模式曲線，由此得到該蓄電池性能運行情況報告。

2 監控裝置的設計及接線

蓄電池組自動在線容量監控裝置由軟、硬件兩部分組成。硬件部分主要包括充放電、測量、控制等模塊，其中，控制模塊采用采用16位單片機，測量模塊采用12位A/D采樣芯片，并配有微型打印機。軟件部分主要由放電、監控、顯示、采樣、比較、報警等模塊組成。在線監控裝置的整個程序由實時完成蓄電池電壓的采樣、比較、報警、記錄、輸入及顯示等掃描任務。主程序流程如圖2所示。

圖2 檢測裝置軟件流程圖

在現場施工過程中，根據我們水電廠的直流電源的接線方式，并結合該裝置主要進行核對性放電檢測的原理，對我們水電廠直流電源按照如下方案進行改進設計，實現了蓄電池組容量的在線監控，進而使我們水電廠直流電源的安全穩定得到有效地改善，現場接線框圖如3所示。

圖3 監控裝置現場接線圖

在圖3接線方式下，我們把容量自動監控裝置直接接入充電機的正、負極輸出端，取消了原先接線圖的外加二極管，可實現充電機與蓄電池組間的電氣隔離，從而保證蓄電池組放電數據及其它采樣數據的準確性，且接線方式簡單，外加較少設備，既能保證蓄電池組安全穩定運行，同時可以節省投資成本。

該裝置可根據實際運行情況自行設定任意放電的間隔，實際運行中實時記錄放電情況及曲線，與裝置ROM中蓄電池正常放電曲線進行比較，并輸出并打印曲線供我們水電廠運維班組人員進行判斷，從而確定單個蓄電池或整個蓄電池組容量是否異常。按照設定間隔定期放電，先斷開充電機回路（這是充電機處于暫時空載運行狀態），然后合上放電電阻回路，該裝置可監視對蓄電池組放電的全過程，放電時間結束后，整個直流電源重新恢復到原先正常運行方式，斷開放電電阻回路，合上充電機回路，并打印出對比曲線。

蓄電池容量監控裝置性能測試結果：①能在電池容量不足的情況下自動報警；②能在單節電池電壓、容量異常的情況下自動報警；③能按照程序設定的時間和放電電流自動進行；④蓄電池容量自動監控裝置能自動打印報表。

3 蓄電池組改造后運行效果

本文設計容量自動監控裝置并加裝于蓄電池組，經過一段運行時間后，我們水電廠運維人員發現蓄電池組運行狀況呈現了明顯的好轉，尤其蓄電池長期得不到定期放電而造成其極板硫化等問題得到解決。監控裝置可按照設定間隔進行放電，定期監視蓄電池組的運行狀況，同時“活化”蓄電池的極板，有效使蓄電池的性能和壽命得到提高。圖4為改進后其中某一組蓄電池的測試結果。

圖4 蓄電池電壓和比重變化趨勢圖

從圖4測試數據可以看出：監控裝置加裝于蓄電池組，有效地使蓄電池運行狀況得到提高，縮小各蓄電池電壓差別，且蓄電池組的極板硫化現象幾乎消失，同時也使蓄電池的使用壽命得到提升，該技術及裝置具有較大的安全效益和經濟效益。

4 結語

本文對蓄電池組容量在線監控裝置監控技術進行設計和研究應用，采用比較不同放電曲線的原理，依靠現場實踐經驗結果作為判據，在目前階段可以基本確認蓄電池的性能和容量，可以提供蓄電池的運行狀況的準確數據，為蓄電池組的現場正確使用和維護提供了科學依據，對提高蓄電池的使用壽命和提高直流系統的安全可靠性有重要的意義，解決了電廠直流系統中蓄電池組的不完善對直流系統安全、穩定運行造成的隱患。

[1]陳 杰.智能鉛酸蓄電池組性能的監控系統[J].機電工程，1999，6（6）：18～19.

[2]呂力行，何石魚.蓄電池檢測裝置在電廠的應用[J].浙江電力，1999，4（4）：46～47.

[3]彭宣戈.16位單片機原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

TM645

A

1004-7344（2016）11-0052-02

2016-4-3

曾梓倫（1984-），男，助理工程師，本科，主要從事發電廠設備運行維護工作。