閥控式鉛酸蓄電池在卡基娃水電站直流系統的應用

陳小龍

（四川華電木里河水電開發有限公司，四川 涼山 615800）

0 引 言

水電站直流系統的主要任務是為操作電源、繼電保護等提供穩定可靠的直流電源。直流系統運行的可靠與否，對水電站的安全運行極為重要。蓄電池作為直流系統獨立的備用電源，在交流停電時為水電站安全穩定運行提供有力的保障，是直流系統的核心部件。

卡基娃水電站位于四川省涼山州木里縣境內的雅礱江一級支流木里河干流上，是該流域的“龍頭水庫”工程。電站設機組及公用220 V直流系統和氣體絕緣組合電器設備220 V直流系統。機組及公用220 V直流系統蓄電池采用德國荷貝克OPZV 2 V型閥控式膠體鉛酸蓄電池（600 Ah/組、103只/組、2 V/只），共兩組。GIS 220 V直流系統蓄電池采用德國荷貝克OPZV 2 V型閥控式膠體鉛酸蓄電池（400 Ah/組、103只/組、2 V/只），共兩組。

1 蓄電池的類型及特點

蓄電池一般分為鉛酸類、鋰離子類以及鎘鎳類等。其作用是充電時將電能轉為化學能，放電時將化學能轉為電能，陽極上是二氧化鉛（PbO2）活性物質，陰極上是海綿狀鉛（Pb）活性物質，電解液為稀硫酸（H2SO4）。若干的“原電池”構成蓄電池組,單體原電池電壓為2 V左右。

蓄電池的基本工作原理是在充電時，通過氧化還原反應恢復成PbO2及Pb，電解液中H2SO4濃度升高。放電時，正極板的PbO2和負極板的Pb與電解液中的H2SO4反應，生成硫酸鉛PbSO4，電解液中H2SO4濃度降低。

鉛酸蓄電池包括防酸式與閥控式。VRLA目前應用最廣泛，該型蓄電池為密封結構，使用過程中無需加酸加水，不會漏，沒有排酸霧的現象，且電池蓋上設有安全閥，其作用是當電池內部氣壓超過設定值時自動排氣泄壓，在氣壓降至正常值后自動關閉，防止電池內部進入空氣。VRLA蓄電池由于使用方便，在電力系統中得到廣泛應用[1-3]。

2 VRLA蓄電池的結構及工作原理

VRLA蓄電池的構造如圖1所示。其中正極板中的活性物質為PbO2，負極板上的活性物質則是Pb，將正負兩極都浸入電解液H2SO4中時，正負極板之間放置耐腐蝕的超細玻璃纖維隔板，防止正負極板相互接觸，避免出現短路。

圖1 VRLA蓄電池內部結構

VRLA蓄電池的工作原理類似傳統電池，基本的電池充放電反應如下：

放電過程中正極板上的PbO2、負極板上的Pb均與H2SO4發生化學反應，生成PbSO4與H2O，正負極板都會出現PbSO4，H2O則與電解液H2SO4融合，電解液中H2SO4減少，濃度降低，蓄電池將電能轉化為化學能進入充電階段。充電過程中正負兩極上附著的PbSO4被還原成PbO2與Pb，電解液中H2SO4增多，濃度升高。

3 VRLA蓄電池運行方式

電站運行規程規定，蓄電池組正常運行時采用浮充方式，浮充電壓值一般控制為N×2.23 V，其主要監視項目包括蓄電池組的端電壓、浮充電流以及單體蓄電池電壓。

3.1 浮充電

充電后的蓄電池極板存在自放電現象，為了彌補電池這種現象，保證蓄電池在滿容量下運行，充電裝置除了為直流負荷提供電源，還為蓄電池組浮充電。浮充電時高頻開關電源將廠用交流電源整流為直流，一部分供直流負荷，一部分給蓄電池充電，以彌補蓄電池組的自放電，使其時刻處于滿容量備用狀態。浮充電壓為N×（2.23～2.28） V，一般取為N×2.25 V（25 ℃時）。

3.2 均衡充電

蓄電池浮充電運行一段時間后，會出現個別單體蓄電池容量降低的情況。為了改善落后的電池情況，可通過高頻開關電源對蓄電池進行手動或自動的均衡充電，使蓄電池組中所有單電池都置于充足電狀態。其過程為先用In（0.1C10）電流對蓄電池恒流限壓充電，待蓄電池端電壓上升到均充電壓時，轉入恒壓限流充電，當充電電流降低到In（0.1C10）時充滿，恒壓充電保持一段時間后轉入浮充電狀態。均充電壓與次數設置合理可以保證蓄電池組的正常使用壽命[4-6]。

3.3 事故放電和自動充電

當水電站廠用交流電源中斷時，水電站的主要負荷與事故照明負荷轉為蓄電池組供電，蓄電池進入放電過程。隨著蓄電池放電電壓和放電電流逐漸減少，若蓄電池組端電壓下降到終止電壓N×1.8 V時，廠用交流電源仍未恢復供電，此時應使蓄電池停止放電，避免過放電損壞蓄電池。當廠用交流電源恢復供電時，高頻開關電源將自動（或手動）先后進入恒流充電、恒壓充電以及浮充電狀態，并恢復到正常運行狀態。

3.4 核對性充放電

浮充電方式限壓限流運行，只充電而不放電，會造成蓄電池陽極極板鈍化，內阻增大，容量大幅下降，縮短蓄電池使用壽命。另外由于VRLA蓄電池采用密封結構，所以不能直觀地判斷其當前容量及內部情況（如失水或干裂），因此需對蓄電池進行核對性放電。全核對性額定容量放電試驗適合新安裝或大修后的閥控蓄電池組。以電流In（0.1C10）放電10 h，對電池進行100%容量的放電，放電電流不應變化過大，放電電壓需小于蓄電池的終止電壓。蓄電池組放電結束后需及時充電，避免蓄電池因內部的硫化發生短路事故。先采用0.1C10恒流充電，蓄電池組端電壓上升到N×2.23 V后自動（或手動）轉為恒壓充電[7]。

4 影響VRLA蓄電池壽命的主要因素

一是環境溫度對VRLA蓄電池壽命的影響。VRLA蓄電池最佳運行溫度應在20～25 ℃，其內部水分的分解會因溫度升高而加速，并加劇蓄電池極板腐蝕，縮短電池壽命。25 ℃環境下的使用情況最為理想，可獲得最佳使用壽命。在超過標準溫度下長期運行時，會相應縮短使用壽命，若溫度升高10 ℃，則使用壽命會減少一半。此外，VRLA蓄電池低溫充電時有H2產生，導致電池內部壓力上升，電解液減少，電池壽命同樣也會縮短。

二是長期浮充電對VRLA蓄電池壽命的影響。若VRLA蓄電池長期處于浮充電狀態下，只充電而不放電則會造成蓄電池的陽極極板鈍化，內阻增大，容量降低，從而縮短蓄電池的正常使用壽命。

三是大電流充、放電對VRLA蓄電池壽命的影響。大電流過充、深放將使其極板膨脹變形，活性物質脫落，內阻增加，溫升過高，容量下降，影響其正常使用壽命。

四是均衡充電對VRLA蓄電池壽命的影響。均衡充電的目的是為了使電池容量、端電壓一致。均衡充電時產生的氣體量比日常浮充充電時大得多，因此不能長時間充電，防止過多的氣體對O2的再化合效率產生不利的影響，增大失水量，加快板柵的腐蝕速度，對蓄電池使用壽命產生不良影響。

五是過度放電對VRLA蓄電池壽命的影響。當廠用交流電源發生故障中斷后，電站主要負荷由VRLA蓄電池供電，若其長期為電站負荷供電則會發生過度放電。過度放電會在電池陰極造成PbSO4，由于其是絕緣體，因此會對VRLA蓄電池的充、放電性能產生不良影響。在VRLA蓄電池陰極上形成的PbSO4越多，其內阻越大，電池的充、放電性能越差，使用壽命就越短。當直流系統廠用交流電源中斷轉由蓄電池供電時，為防止VRLA蓄電池過度放電，應監視其電壓電流。

六是過度充電對VRLA蓄電池壽命的影響。VRLA蓄電池充電時間過長或者充電電壓過高時會對正常的電池造成過充的情況，將造成電池失水、電解液干枯，減少其正常使用壽命。正極在長期過充電狀態下出現析氧反應，水被消耗，正極附近酸度增加，板柵腐蝕加速而變薄，電池容量下降，同時蓄電池因水損耗加劇有干涸的危險，導致蓄電池提前報廢。

5 VRLA蓄電池運行常見故障原因分析、處理方法

VRLA蓄電池運行中出現故障，將使電站直流負荷缺少而發生事故保障，導致繼電保護出現誤動、拒動甚至越級跳閘。同時由于蓄電池內部有H2、O2的循環，在故障情況和偶發因素作用下可能會發生火災事故。水電站蓄電池組在運行中的常見故障類型有漏液現象、爬酸現象、外殼變形、鼓肚或爆裂以及活性物質軟化等。

5.1 漏液現象

蓄電池可能因為人為原因、氣閥質量、焊接工藝等原因造成漏液情況的發生，主要表現為極柱漏液、安全閥漏液以及電池槽蓋密封漏液等。蓄電池漏液必須及時處置，防止漏液擴大。殼體周圍輕微漏液時用與殼體材料相同的材料進行粘補，當發生漏液的蓄電池數量較多時，則應立即對整組蓄電池進行更換，并及時將電池架擦拭干凈。

5.2 爬酸現象

電池極柱端子被腐蝕，產生PbO2和PbSO4，在內部氣壓作用下電解液H2SO4沿腐蝕通道流到端子表面出現爬酸現象。在發現電池極柱有爬酸現象時，可涂抹一些凡士林，必要時應更換爬酸蓄電池。

5.3 外殼變形、鼓肚或爆裂

引起電池外殼變形、鼓肚或爆裂的因素主要有安全閥蓋片的出氣孔被堵塞、電池過充以及熱失控等。而閥控蓄電池殼體出現異常的最多原因是蓄電池過充，因此控制充電電壓和充電電流是延長蓄電池使用壽命的關鍵。

5.4 活性物質軟化

在充放電循環過程中，蓄電池的Or晶型轉化為B型，B型晶粒具有細小、結合力較差的特點，削弱了活性物質的結構，出現活性物質泥化現象，甚至導致蓄電池報廢。

6 結 論

卡基娃水電站直流系統自2015年投運以來，作為直流系統的供電核心，VRLA蓄電池已安全運行7年。正確地認識VRLA蓄電池的結構特點，更好地掌握蓄電池的運行特性，將大大提高電站運維人員的維護技能水平，確保直流系統的供電可靠性。