淺談蓄電池監測系統在地鐵安全運營中的作用

摘要：地鐵做為北京市交通運輸的重要組成部分，它高效便捷的特點使其成為北京市交通運輸的重要組成部分。本文以北京地鐵多年來的運營經驗為基礎，充分考慮到北京地鐵在首都交通運輸中的關鍵作用，從平穩、可靠、安全的運營角度出發，結合地鐵日常運營維護的特點，著重闡述了蓄電池監測系統在地鐵供電系統中的重要意義，以及在保障安全運營中發揮的作用，詳細分析了引發蓄電池故障的可能性，結合生產實踐，淺談應用測量浮充電壓、測量電池表溫、測量電池內阻的原理和優缺點。

關鍵詞：蓄電池監測;內阻;浮充電壓;表溫

緒論

蓄電池是電力電源系統中的重要組成部分，它作為直流供電電源，主要擔負著為電力系統中二次系統負載提供安全、穩定、可靠的電力保障，確保微機保護和通信設備的正常平穩運行。因此，能夠時刻掌握電池運行狀況也就有十分重要的意義。然而蓄電池經過一定時間的使用后，易因活性物質脫落、板柵腐蝕或極板變形、硫化等因素，而使容量逐漸降低直至失效，電池老化和失效后突出的表現就是內阻增大。尤其在北京地鐵這種地下密閉空間布置的電池來說，如果發生起火冒煙等危險，后果將會非常嚴重，目前北京地鐵的變電站已經全面實行無人值守。所以，找出落后的電池，并將其予以及時處理，快速消除隱患，就是地鐵運檢人員的其中一項工作。

一、閥控式密封鉛酸蓄電池（VRLA）應用場景

1、蓄電池在北京地鐵中的重要作用

蓄電池的作用就是作為電能儲存裝置安裝在電源屏內部，當市政電網發生停電或者波動或者倒閘操作時，能提供不間斷的穩定電源。目前北京地鐵的主要供電系統包含10kV系統、直流牽引系統、低壓400V系統，這三大系統中都采用直流電源供電，目的就是在市政電網發生停電或者波動以及倒閘操作時，保證其穩定不間斷工作。

2、閥控式密封鉛酸蓄電池在北京地鐵中的現狀

北京地鐵1號線始建于1976年，內部空間狹小，設備機房的通風條件十分有限，這樣就導致工作環境粉塵大、溫度高，需要格外注意蓄電池運行狀況。以1號線八寶山站變電站為例，站內溫度常年維持在35攝氏度以上，然而蓄電池的理想運行溫度是25攝氏度，溫度過高就會導致電池內電解液流動性提高，加劇化合反應使電池內部升溫，使相當一部分充電電流轉化為熱能，導致電池內部升溫，進入惡性循環，同時產生的熱量不能及時擴散出去，加速電解液的損失，因此閥控式鉛酸蓄電池壽命的第一“殺手”就是高溫。隨著使用時間的增加，必然會有個別或部分電池導致內阻變大，呈退行性老化現象。

3.監測蓄電池內阻可以及時了解電池的健康狀況

蓄電池的電壓、電流、溫度都是其重要運行參數，但是不能反映蓄電池內部狀態。內阻作為國際公認的對蓄電池最有效的，測量最便捷的性能參數，能夠反映蓄電池的劣化程度，容量狀態等性能指標，而蓄電池失水、負極板硫化、正極板腐蝕是造成內阻升高的主要原因。

蓄電池組的容量是以狀況最差的那一塊電池的容量值為準，當電池容量下降到原來的80%以下時，電池便進入衰退狀況，衰退期很短，這時電池組已存在極大的事故隱患。

二、蓄電池監測系統在地鐵中的實際應用

1、蓄電池監測系統的必要性

隨著蓄電池的廣泛應用，特別是備用電源中的應用，由于蓄電池的運行要求比較嚴格，電池在偏離了正確的使用條件下運行會影響電池使用壽命，甚至造成嚴重的后果，因此，2009年6月1日開始執行新的《電子信息系統機房設計規范》GB50174—2008，對蓄電池的管理提出了明確的要求，特別是對A級機房的蓄電池要求監測到每一塊電池，這對于提高機房應對供電災難的水平意義重大。

2、蓄電池監測系統的組成部分

1號線直流屏電池監測系統由系統管理單元（主機）、單體監測模塊、系統管理軟件等部分組成。蓄電池監測系統采用模塊化設計，蓄電池單體檢測模塊的檢測線通過可插拔接頭與電池的正負接線柱連接，負責采集蓄電池的電壓、內阻、溫度，通過監測主機進行數據管理，最后通過柱狀圖在屏幕上顯示出來，供巡視人員實時監管。每個單電池監測模塊安裝在電池外殼上，通過正負極接線為模塊供電并且對電池的浮充電壓和內阻進行測量，同時每個模塊上嵌有熱敏電阻，通過電阻隨溫度近似于直線的變化，來反映出電池表面的溫度。然后監測主機根據設定的報警值，找出狀態不好的電池，發出報警。

蓄電池監測模塊安裝示意圖

三、蓄電池的監測項目以及原理研究

閥控式鉛酸蓄電池組一般監測以下三項重要指標

（1）監測單電池的浮充電壓

1號線直流屏電池組的浮充電壓是固定的，一般為243V，平均一節電池13.5V，當某一節電池內阻升高時，分得的電壓就會升高，健康的電池充電電壓會維持在14V以下。電壓過高會引起蓄電池正極腐蝕和失水，降低蓄電池容量，并且引起電池發熱。因此測量單電池的浮充電壓成為一種快速判斷電池性能好壞的標準之一。

（2）監測蓄電池的溫度。

電池在充放電過程中都會伴隨著發熱，這就是電流引起的焦耳熱，因此內阻越高，產生的熱量就越大，從而引起蓄電池內部溫度的升高，因此溫度和內阻之間存在著正比的關系。還有一種就是電化學反應產生的熱，蓄電池的充放電過程為化學反應，過程中會產生不可避免的熱量，這都是正常的溫升現象，一般不會超過45攝氏度。因此蓄電池監測系統監測的溫度是一種非正常的溫度升高，在1號線電池監測系統中設置的溫度定值為50攝氏度，當發生溫度報警時應引起足夠重視。

（3）監測內阻，直接反應蓄電池的性能

閥控式鉛酸蓄電池的內阻與蓄電池故障機理：

①腐蝕。正極板和負極板的腐蝕使蓄電池金屬通道減少，金屬電阻增大。

②硫酸鹽化。由于一部分有效物質轉化為硫酸鹽，涂膏的電阻增大會使蓄電池的內阻增大。

③干涸。干涸是閥控鉛酸蓄電池所特有的最嚴重的故障，干涸將使相鄰板柵間導電通道電阻增大。

因此，根據內阻變化可以檢測蓄電池性能的部分問題，在蓄電池內部的化學反應過程中，其實質就是極板上的活性物質和稀硫酸電解液發生的電化學反應，產生電流。在這個電化學反應過程中，經常伴隨著一種學名叫“硫酸鹽化的”負反應，也就是鉛和硫酸生成了一種硫酸鉛，硫酸鉛是一種絕緣體，它的形成必將對電池的充放電產生極不好的影響，因為在負極板上形成的硫酸鹽越多，電池的內阻越大。

4、測量蓄電池內阻的原理方法

監測蓄電池的內阻，作為精確且及時判斷電池性能的關鍵參數，被電力行業廣泛認可，因而現在的熱點研究方向是對單體蓄電池的內阻監測。

閥控式鉛酸蓄電池內阻檢測原理概述：

系統控制監測模塊給電池兩極注入一個恒定交流信號，由于蓄電池存在歐姆阻抗和極化阻抗，然后模塊測量電池兩端電壓變化，通過歐姆定律，用電壓降除以恒定電流就是被測電阻的值。這種方法能夠一定程度上減少導線引起的誤差，提高測量精度。北京地鐵1號線安裝的蓄電池監測系統存在測量誤差較大的情況，究其原因如下：檢測導線通過插頭與蓄電池連接，這樣的安裝方式的優點是方便模塊出現故障后進行更換，方便檢修。可當蓄電池清掃后插頭會出現松動或者長時間運行，接觸面發生氧化后，就會導致線的阻值增大。以100AH蓄電池為例，其合格內阻值為4毫歐左右，當檢測模塊的檢測線出現輕微松動后，經過測量，線的阻值已經上升了10幾毫歐，所以導致這些線阻反映在了電池內阻上，出現測量誤差，導致誤報警的出現，目前這種情況在1號線出現的概率很高。

目前我們嘗試對監測模塊加以改進，把連接插頭換成了接線端子，檢測線用螺絲固定的方式與模塊連接，這樣就解決了插頭松動的問題，又不需要擰松電池正負極螺栓來更換模塊，大大降低了檢測誤差。

未來展望：蓄電池作為地鐵中不可缺少的一部分，如何使用及監測，則成為了重中之重，早一些發現有問題的電池，就會減少發生危險的概率。隨著物聯網信息技術的發展，蓄電池監測系統今后可以通過監測主機上傳到手機客戶端上，降低維護成本和人工成本。

結論

1、從地鐵運營平穩安全的角度出發，全面剖析了蓄電池故障引發的原因和消極影響，結合北京地鐵的重要性和特殊性，提出了在新的時代背景下蓄電池監測系統對于生產生活的重大意義。

2、闡述了蓄電池的起源和發展，全面解析了蓄電池內阻構成和影響內阻因素，通過測量電壓、溫度、內阻來監測蓄電池狀態。

3、簡單介紹了蓄電池監測系統的組成部分，闡述了內阻測量的基本原理，并簡要介紹了蓄電池監測系統在實際應用中出現的問題。

參考文獻

[1]《變電站直流設備使用與維護 》中國電力出版社 ? 徐海明 周艾兵 2015.4

[2]《VRLA蓄電池的熱失控》 管雄俊 2005.4

[3]《閥控式密封鉛酸蓄電池的最新發展》 胡信國 2001.3

作者簡介：劉兵，（1993-），男、漢族，北京市通州區宋莊鎮平家疃村，北京市地鐵運營有限公司供電分公司低壓及電源系統專責工程師，本科，負責1北京地鐵1號線、八通線、S1線的低壓及電源系統的技術管理與新線籌備工作。