發電廠直流系統蓄電池組燃燒隱患的技術分析

蘇曉亮

（廣州華潤熱電有限公司，廣東廣州511400）

0 引言

直流系統作為發電廠廠用電中最重要的一部分，保證了在任何事故情況下都能可靠且不間斷地向開關電器的遠距離操作、信號設備、繼電保護、自動裝置及其他一些重要的直流負荷供電。

直流系統的構成包括蓄電池組[1]、充電機、監控系統、電池巡檢裝置、絕緣監測裝置等。其中蓄電池組作為一種獨立可靠的電源，在發電廠內發生任何事故，甚至在全廠交流電源都停電的情況下，仍能保證直流系統中的用電設備可靠而連續地工作，因此，在大容量機組的電廠中常設有多個彼此獨立的直流系統。

在火力發電廠中，直流系統直接影響著設備動力及控制電源電壓穩定性，影響著機組的穩定運行；而作為直流系統中最重要的組成部分，蓄電池組的安全性則尤為重要。國內外常出現因各類原因導致的蓄電池組發熱、燃燒甚至爆炸事故。如2020年5月，南方某電廠正進行#2蓄電池組全容量核容工作[2]，工作開始后約4 h，#2蓄電池組起火爆炸，并引起同處一室的#1蓄電池組高溫受熱鼓肚變形。

1 試驗分析

為進一步研究分析蓄電池組燃燒隱患的技術原因，及時采取措施加以防范，分別購買同品牌廠家同容量產品進行模擬試驗，試驗情況如下：

1.1 試驗目的

（1）分析蓄電池在夾接不銹鋼螺栓進行核容放電時，由于接觸電阻不同，造成夾接點溫度變化的規律；

（2）分析蓄電池進行核容放電時，由于各電池間連接松動，導致接觸電阻不同，造成夾接點溫度變化的規律；

（3）分析落后單節電池在放電過程中，內阻增大、電壓變為負值時，蓄電池溫度變化的規律。

1.2 試驗數據及分析

試驗環境溫度27 ℃，采用7節2 V蓄電池串聯組成蓄電池組。

1.2.1 模擬夾接造成接觸電阻變大對電池的影響

測試夾接電池極柱不銹鋼螺絲在松緊狀態下所造成的接觸電阻。

（1）試驗方法：在一個新電池上擰緊螺絲后再擰松，用放電夾子夾在螺栓頭上，然后用內阻測試儀分別測量電池極柱與螺栓、螺栓與放電夾子之間的接觸電阻。

（2）試驗數據如表1所示。

（3）試驗結論：螺絲越松，接觸電阻可能越大；夾接時由于螺栓緊固難于控制，造成接觸電阻值不確定。

表1 試驗數據1

1.2.2 模擬不同的接觸電阻導致的發熱情況

（1）試驗方法：在夾子和正極極柱之間設置一可變但可控的有固定阻值的分流器，模擬夾子和極柱之間的接觸電阻；放電電流60 A，紅外熱像儀測量正負極柱、夾子以及分流器的溫度。

（2）試驗數據：

1）負極極柱與夾子連接，接觸電阻0.60 mΩ；正極夾子通過1.00 mΩ分流器連接到正極極柱螺栓；夾子和正極極柱之間的接觸電阻1.60 mΩ。試驗數據如表2所示。

表2 試驗數據2

2）負極極柱與夾子連接，接觸電阻0.60 mΩ；正極夾子通過15 mΩ分流器連接到正極極柱螺栓（電池放電30 min后變為落后反極電池）；夾子和正極極柱之間的接觸電阻15.60 mΩ。試驗數據如表3所示。

表3 試驗數據3

（3）試驗結論：

1）存在較大接觸電阻的情況下，放電試驗開始10 min內溫度上升明顯。

2）接觸電阻較大，發熱量也大，接觸不良會導致接觸點紅熱。

1.2.3 模擬夾接松動螺絲進行核容放電時的溫度變化情況

（1）試驗方法：總正極所在螺絲用手擰緊后反松一圈，總負極所在螺絲用手擰緊后反松兩圈，然后用50 A電流放電，用紅外熱像儀監測落后電池溫度。

（2）試驗數據如表4所示。

1.2.4 電池間連接螺栓松動試驗

研究螺栓松動造成接觸電阻增大，試驗松動造成連續紅熱，溫度達到360 ℃以上時，對電池整體各部位的影響。

試驗一：放電電流60 A，調整1、2號電池間的連接片和螺栓，將螺栓和極柱松動至打火，螺栓與極柱間的接觸電阻20 mΩ，螺栓溫度360 ℃以上，螺栓整體發紅，持續2.5 h。

試驗現象：極柱附近的ABS殼體燒裂，但電池殼體下部溫度仍為30 ℃左右，說明電解液溫度不高。

試驗二：維持原電阻不變，加大放電電流至180 A，螺栓溫度360 ℃以上，螺栓整體發紅，持續1.5 h。

試驗現象：同以上試驗比較，密封環氧材料冒煙，極柱附近的ABS殼體燒裂，電池殼體上部溫度已達到100 ℃，但電池殼體下部溫度仍為30 ℃左右，說明電解液溫度不高。

試驗結論：螺栓松動導致連接接觸電阻增大，會造成螺栓及連接條紅熱；電流越大，在同樣電阻下，熱效應越明顯。

1.2.5 研究單節落后電池在串接放電試驗時可能出現的異常

（1）研究將內阻較大的落后電池串接到新電池上，放電時出現的溫升現象。

試驗方法：串接7節電池，放電電流（I）60 A，研究7號舊電池內阻、負壓及特性（U=E+IR）。試驗數據如表5所示。

表4 試驗數據4

表5 試驗數據5

試驗結論：正常電池溫度為28～30 ℃，內阻在漸漸變大；而落后電池電壓在放電過程中端電壓變為負值，放電過程變為反極充電過程，內阻逐漸下降，反向電動勢逐漸上升，電池溫度逐漸上升。

（2）研究正常蓄電池及落后蓄電池放電時的發熱情況。

試驗方法：放電電流50 A，用紅外熱像儀監測電池溫度。試驗數據如表6所示。

表6 試驗數據6

試驗結論：放電過程中，落后電池的溫度明顯高于正常電池，這在熱像儀中可明顯看出。可以通過溫度查找落后電池。

（3）研究落后蓄電池放電的同時，模擬接觸電阻較大，造成極柱溫度較高時，氣體及電解液溢出的情況。

試驗方法：串接7節電池，在7號電池正極及夾子端串接15 mΩ分流器，放電電流（I）60 A，研究7號電池發熱及氣體、電解液溢出情況。試驗數據如表7所示。

試驗現象：落后蓄電池在反極性充電過程中出現了蓄電池電解液通過安全閥外溢現象。

表7 試驗數據7

試驗結果：在較高溫度（極柱溫度60 ℃時）下，反極充電時，落后電池會通過安全閥溢出氣體及液體。

2 試驗總結

（1）不良的夾接及連接條、螺栓松動都會加大接觸電阻，當接觸電阻大到一定程度（約7 mΩ），就會產生紅熱現象，造成蓄電池變形。但單純靠接觸電阻的發熱，很難導致電池燃燒，只有在環境溫度較高或工作電流較大的特定助燃條件下，才可能引起蓄電池組燃燒。

（2）落后電池在放電過程中有明顯的溫升，尤其是過放電造成反極充電的過程中，會產生一定的氣體壓力，使電解液外溢，在工作電流較大及環境溫度較高的特定環境下，可能引起蓄電池組短路，從而引發火災。

（3）蓄電池內部短路是蓄電池組燃燒的常見原因，由于技術原因，本次試驗未模擬蓄電池內部短路。

3 蓄電池組的維護建議

（1）由于夾接電阻的不確定性，不能采用不良夾接方式進行蓄電池組核容放電。

（2）在蓄電池組核容放電前，應確定連接條緊固。在放電的前10 min，要頻繁認真檢查各接頭點的溫度。

（3）在蓄電池組核容放電過程中，應加強蓄電池溫度與單體電壓的監測，及早發現落后單節電池，低于額定電壓的要退出放電。

（4）在日常維護中，要加強對蓄電池內阻及接觸電阻的測試，發現內阻較大的蓄電池及接觸電阻較大時應及時處理。

（5）在日常維護中，要加強對落后單節蓄電池的測試，發現低于規定電壓值的蓄電池應及時處理。