艦船大容量蓄電池組短路尖端放電故障機理研究

徐正喜，蔡久青，鄭中祥，陳 濤

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

蓄電池組是艦船重要的后備電源和應急供電電源，隨著艦船電網容量的不斷增加，蓄電池組的電壓等級和容量也隨之增長。大容量蓄電池組由數百節電池模塊串聯組成，為提高蓄電池組電氣性能和運行安全性，一般各電池模塊均需配置電壓、溫度檢測單元，并將檢測數據發送至電池管理系統[1]。

由于各電池模塊電壓檢測線直接連接于電池模塊正負極柱，當2根電壓檢測線同時由于絕緣損壞等問題導致檢測線短路時，會進一步造成電池模塊正負極短路[2-3]，從而導致電池模塊嚴重故障。對于由數百節電池模塊串聯組成的蓄電池組，當多節電池模塊的檢測線發生絕緣損壞并與電池柜體接觸時，會通過檢測線、電池柜體形成大范圍的短路回路，進而導致大規模的電池模塊故障。

本文從偶發的一起由于2節電池模塊電壓檢測線絕緣損壞導致的蓄電池組短路故障出發，結合蓄電池組故障現象，基于蓄電池組短路故障電路模型，對短路故障過程進行細致的模態分析，闡明了短路暫態過程能量產生和釋放路徑，并給出了蓄電池組短路故障導致氣隙擊穿[4]并引發尖端放電[5]問題的物理解釋。最后針對上述故障原因，提出了具體的解決措施。

1 系統結構

圖1 大容量蓄電池組系統組成Fig. 1 Composition of large capacity battery system

艦船大容量蓄電池組系統組成如圖1所示。蓄電池采用免維護閥控鉛酸蓄電池，為了節省空間，電池模塊臥放于電池柜架上，匯流排從3個電池柜體正面進行串聯。每節電池模塊正負極柱均連接有電壓檢測線，采集的電壓數據通過CAN總線發送至電池監測模塊進行管理。

2 蓄電池組短路故障暫態分析

2.1 短路故障現象

圖2 第A節電池模塊燒損部位圖Fig. 2 Burning region of A battery module.

第B節電池模塊極柱連接至接線端子排的一根電壓檢測線熔斷，同時其附近數節電池模塊及電池柜體也均有灼燒變黑痕跡。與第A節電池模塊不同的是，第B節電池模塊極柱及連接極柱的銅排不僅有電弧灼燒痕跡，同時伴有明顯的燒融痕跡，故障部位及現象如圖3所示。

圖3 第B節電池模塊燒損部位圖Fig. 3 Burning region of B battery module.

將第A節和第B節電池模塊拆除后，測量電池模塊端電壓為2.1 V，可以排除電池模塊內部短路，但絕緣電阻小于0.1 MΩ。進一步觀察發現，電池模塊電壓檢測線絕緣皮破損，破損部位如圖4所示。由于電壓檢測線與電池模塊正負極柱相連，絕緣層破損后電壓檢測線與電池柜體短接。當第A節和第B節電池模塊電壓檢測線同時與柜體短接時，會導致第A節至第B節間串聯的數百節電池模塊短路。

2.2 短路故障數學建模與模態分析

為進一步分析蓄電池組短路暫態過程，建立蓄電池組短路故障等效電路模型如圖5所示。其中，n為短路電池模塊數量，E為單節電池模塊開路電壓，R、L分別為單節電池模塊等效內阻和等效內電感，U為蓄電池組端口電壓，I為蓄電池組短路電流，R0、L0分別為短接線路等效電阻和等效電感，Rbd為氣隙擊穿時的等效電阻。

圖4 電池模塊電壓檢測線絕緣皮破損部位圖Fig. 4 Insulation damage region of voltage detection lines.

圖5 蓄電池組短路故障等效電路Fig. 5 Equivalent circuit of short-circuit fault with battery system.

基于短路故障等效電路模型，對短路暫態過程進行模態分析，并推導主要電參量計算方法。

1）短路電流上升階段

故障之初在蓄電池組較高的端電壓作用下，由于電池模塊內阻和線路短路阻抗很小，短路電流急劇上升，此時電流變化率dI/dt很大。該階段動態過程可以由下列微分方程式描述：

2）第A節電池模塊電壓檢測線熔斷階段

通過對歷史工程項目造價成本進行綜合分選，選取了以下具體參數作為BP神經網絡的參考指標：建筑面積、層數、基礎類型、層高、門窗、裝飾材料、屋面工程、造價指數、室內水暖氣電、設備及安裝費、弱電系統費用。網絡結構選擇為11-3-1的單隱層神經網絡模型，其構成的BP神經網絡結構模型如圖2所示。

短路電流同時流經第A節和第B節電池模塊電壓檢測線，由于2節電池模塊的電壓檢測線絕緣皮破損程度不同，A，B兩節電池模塊的電壓檢測線不會同時熔斷。在該起短路故障中，急劇上升的電流在第A節電池模塊電壓檢測線上積累產生的熱量高于第B節電池模塊，當銅導線溫度超過金屬銅的熔點后，第A節電池模塊的電壓檢測線首先熔斷。該階段動態過程可以由下列方程式描述：

式中：Q為單位長度銅導線熔斷熱量；c為金屬銅的比熱容；m為單位長度銅導線的質量；ΔT為銅導線溫升值；R0A為第A節電池模塊電壓檢測線等效電阻；R0_20℃為單位長度電壓檢測線常溫下等效電阻；αR為金屬銅的電阻溫度系數。

3）第A節電池模塊氣隙擊穿階段

第A節電池模塊電壓檢測線熔斷后，短路電流急劇下降，此時電流變化率dI/dt很大，在蓄電池組端口形成很高的尖峰電壓。當尖峰電壓值超過電池模塊極柱與電池柜體間氣隙擊穿電壓時，第A節電池模塊極柱對電池柜體尖端放電。該階段動態過程可以由下列方程式描述：

式中：Ubd為氣隙擊穿電壓，Ebd為氣隙平均擊穿場強；x為氣隙間距。

4）第B節電池模塊電壓檢測線熔斷階段

第A節電池模塊極柱對電池柜體尖端放電，使得短路回路重新形成，由于在第A節電池模塊電壓檢測線熔斷階段，急劇上升的電流同樣在第B節電池模塊電壓檢測線上積累產生了大量熱量，因此此階段持續時間很短，即會使第B節電池模塊的電壓檢測線熔斷，熔斷過程短路電流同樣急劇上升。該階段動態過程可以由下列方程式描述：

5）第B節電池模塊氣隙擊穿階段

同理，第B節電池模塊電壓檢測線熔斷后，短路電流急劇下降，此時電流變化率dI/dt很大，在蓄電池組端口再次形成很高的尖峰電壓，當尖峰電壓值超過電池模塊極柱與電池柜體間氣隙擊穿電壓時，第B節電池模塊極柱對電池柜體尖端放電，電池柜體又對第A節電池模塊極柱及連接極柱的銅排放電。該階段動態過程可以由下列方程式描述：

式中：Ubd為氣隙擊穿電壓；Ebd為氣隙平均擊穿場強；x為氣隙間距。

6）熄弧階段

當第B節電池模塊極柱對電池柜體尖端放電，同時電池柜體對第A節電池模塊極柱及連接極柱的銅排放電持續過程中，放電能量不足以維持電弧時電弧熄滅。

2.3 短路故障現象物理機理

為深入理解故障現象與各模態間聯系，從能量角度對短路故障現象的物理機理進行闡述。短路電流上升階段，蓄電池組中部分能量通過短路回路轉移至回路電感中。進入第A節電池模塊電壓檢測線熔斷階段，檢測線上積累的能量轉化為熱量消耗，在檢測線熔斷后，蓄電池能量向回路電感轉移過程終止。到第A節電池模塊氣隙擊穿階段，回路電感儲存的能量釋放，轉化為電離能量消耗。類似的，進入第B節電池模塊電壓檢測線熔斷階段，檢測線上積累的能量轉化為熱量消耗；到第B節電池模塊氣隙擊穿階段，回路電感儲存的能量釋放，轉化為電離能量消耗。最后熄弧階段，釋放回路電感儲存的剩余能量，持續時間較長，此時第B節電池模塊始終通過極柱對電池柜體尖端放電，而電池柜體同時對第A節電池模塊極柱及與極柱等電位的銅排放電，這也解釋了第B節電池模塊極柱相比于第A節電池模塊極柱燒融現象更嚴重的原因。

3 數值分析與計算

由于實際故障工況下短路阻抗、氣隙擊穿場強、接觸阻抗等因素非常復雜且不易估計，難以準確求解，采用基于Matlab的數值分析方法僅能對短路故障過程的主要電參數進行初步估算，估算結果為短路電流最大達到近3 kA，A點尖峰電壓達到近20 kV，B點尖峰電壓達到近16 kV。

4 結 語

本文針對偶發的一起由蓄電池模塊電壓檢測線與柜體短路導致蓄電池組短路的故障，基于蓄電池組短路故障電路模型，細致分析了短路故障暫態過程各模態，并從物理機理上合理解釋了蓄電池組短路故障導致氣隙擊穿并引發尖端放電的現象。

蓄電池組短路故障極易引發火災等嚴重危害，因此不僅在艦船應用中，包括在電動汽車、儲能電站等其它工程應用中都必須在設計之初予以充分考慮，有效避免嚴重故障的發生，為此提出了多層次設計方法：1）在系統設計上，需要全面分析電壓檢測線可能導致電池組短路的路徑；2）在結構設計上，應排除電壓檢測線與柜體接觸的可能，如檢測線走線不與柜體交叉、檢測線長度短于電池極柱與柜體間距；3）在保護設計上，電池模塊電壓檢測線上可配置小型熔斷器作為保護，各低壓電池柜內蓄電池組電壓檢測線上可配置DC220 V低壓熔斷器作為保護。即使發生短路故障，由于熔斷器動作時短路電流較小，此時1/2LI2能量很小，不足以造成危害；4）在絕緣設計上，電池柜體之間、柜體與地之間采取絕緣處理措施，柜體材料優先選擇玻璃鋼等具有良好絕緣性能的材料。