關于變電站蓄電池組運維及更換周期的探討

胡 非，詹習生，涂 建，黃貞輝

(湖北師范大學 電氣工程與自動化學院，湖北 黃石 435002)

0 引言

直流電源系統是電力系統的重要組成部分，直流系統在變電站中為自動化控制、繼電保護、信號、事故照明及開關操作等提供直流用電，直流系統的可靠與否對變電站的安全運行起著至關重要的作用，是變電站安全運行的保證[1]。目前直流電源系統一般由充電裝置和蓄電池組成，主要采用單母線分段方式接線，集中式分級輻射供電。其中蓄電池是直流電源系統的關鍵和核心，是直流電源安全供電的最后保障，一旦出現問題，將造成保護失效、斷路器拒動，整個變電站處于無安全防護的癱瘓狀態，后果不堪設想[2]。近年來，國家電網公司發生的幾起因直流電源系統蓄電池組故障造成的變電站越級跳閘的重大事故直接證明了蓄電池組安全、可靠的運行的重要性，蓄電池組的運行維護管理工作不容小覷，為此，本文基于某地區現有變電站直流電源系統蓄電池組運維現狀及更換周期，針對其中存在的一些問題，提出相應的解決對策，希望能夠給同行業人員提供幫助。

1 當前變電站蓄電池組管理面臨的新問題

從2000年開始，閥控式密封鉛酸蓄電池(以下若非特別指明，蓄電池均指閥控式密封鉛酸蓄電池)開始被大量應用，相關專業人員對蓄電池組的運行維護已經積累了豐富的經驗，保證了直流系統蓄電池組的長期安全穩定地運行。但是近些年來，蓄電池組的安全穩定運行與蓄電池組更換周期把控之間的矛盾已經成為變電站蓄電池組管理面臨的新問題。

1.1 蓄電池的特性決定了其無法應用其他備品備件的庫存方式

一般當變電站中設備出現故障時，可以利用庫存設備實現快速更換。但是蓄電池組中有個別蓄電池損壞卻不能隨意更換，需要同廠家、同型號、同批次的蓄電池，且內阻相同才能更換[3]，否則新舊蓄電池搭配在一起使用，將會加快整組蓄電池的損壞速度。因此，當蓄電池組中某只蓄電池損壞，不能用其他蓄電池簡單替換，只能拆除處理；而當一組蓄電池組中損壞的蓄電池達到一定數量，使該蓄電池組電壓不能滿足直流系統的要求時，必須整組進行更換。另外，由于蓄電池存在自放電現象，任何蓄電池在不充電的情況下，放置一段時間后其容量會自然下降，若時間足夠長，蓄電池將因容量消失殆盡而損壞，蓄電池自放電時間曲線如圖1所示。除非配套直流充電裝置對蓄電池進行長期的充電保養，但這樣會占用大量的場地并增加人力物力的消耗。

圖1 蓄電池自放電時間曲線

1.2 蓄電池的壽命期限呈現新的變化，變電站蓄電池組的更換更加頻繁

據觀察統計，某供電公司所轄變電站2007年以后投入的蓄電池組使用壽命呈現明顯下降趨勢，與之前的蓄電池組平均壽命相比有較大差距。某供電公司近年來部分變電站蓄電池使用年限如表1所示。根據統計數據，這不是某一個廠家、某一個品牌或某一種型號的蓄電池的特有現象，而是普遍性的。

表1 某供電公司近年來部分變電站蓄電池使用年限統計表

經分析，造成這種現象有以下幾種因素：

1)2007年以來，國際大宗商品連續漲價，蓄電池主要生產材料鉛、銅等價格也達到高位，造成蓄電池廠家生產成本不斷上升。同時，由于通貨膨脹等因素，人工工資不斷攀升，人工成本也在增加。而隨著國網招標體制的改革，集中招標過程中的廠家競爭愈發激烈。不排除部分蓄電池生產廠家為了保證利潤，降低生產質量；

2)受國家環保政策的限制，蓄電池生產的形式發生了變化，由外化成改為內化成；另外，有些原來可以添加的物質，現在已經被嚴格禁止，這些都影響了蓄電池的壽命。

蓄電池壽命的縮短，使變電站蓄電池組的更換頻率迅速增加，直流檢修維護人員的工作強度也隨之增加。

1.3 蓄電池的更換與采購周期存在沖突

以某供電公司某具體事例說明：

2015年4月2日，220kVG變電站#2蓄電池組核對性放電過程中，發現蓄電池組放電至70%額定容量時，#43蓄電池端電壓已下降至1.78V，低于下限電壓，蓄電池組容量不合格，隨即停止放電，并上報缺陷。對蓄電池組充電后，蓄電池組恢復至浮充電運行狀態，#43蓄電池端電壓為2.18V.5月16日，運維人員發現#43蓄電池在浮充電狀態下端電壓僅為2.07V.為了不影響其他蓄電池的運行，檢修人員拆除了該蓄電池。8月10日，發現該蓄電池組中#17蓄電池端電壓偏低，為1.97V.將該蓄電池拆除處理后其他蓄電池投入浮充運行，并對蓄電池組進行普測，發現之前測量時端電壓尚在正常范圍內的#37蓄電池，端電壓已下降至2.08V，故將其拆除。經過幾輪處理后，該組蓄電池組中蓄電池總數由104只下降至101只，蓄電池在浮充電運行狀態下總電壓僅為227V.如果充電裝置交流故障斷電和蓄電池組容量不足的情況同時出現，由蓄電池組供給全站直流負荷，總電壓在初始狀態就可能下降至210V以下，將對直流系統及變電站設備的正常運行造成極大威脅。可以看到，短短幾個月時間內，該蓄電池組的運行出現了不斷惡化的趨勢。申報緊急缺陷后，沒有庫存的蓄電池組可供更換，而按照正規流程，預計至少一年后才具備更換條件。公司生技部門最終通過其他渠道和方式緊急調撥了一組蓄電池，于2015年12月對該組蓄電池進行了更換。

類似的情況近幾年也時有發生，如220kVD變電站#2蓄電池組、220kVI變電站#2蓄電池組、110kVF變電站蓄電池組等。

在相關直流系統管理的規程規定里，一般規定當蓄電池組連續三次充放電循環達不到其標稱容量的80%，可以認為該組蓄電池壽命已終止。根據實際經驗，現場某些蓄電池組在容量低于80%以后，容量衰退的速度很快，而這個變化程度和時間往往很難把握。而缺陷的上報、審批、招標、采購、生產、運輸、安裝等流程，至少需要一年時間，這與蓄電池組急需更換的情況形成了沖突。前文已經提到，蓄電池組是難以庫存的。在這個時間段里，如果蓄電池組損壞程度發展得很快，就會直接危及到直流系統乃至整個變電站和電網的安全。

從以上三個方面因素可以看出，變電站蓄電池組的更換牽扯到蓄電池廠家、采購流程等多個方面的問題，許多是在直流檢修維護工作中難以改變和解決的，因此，有必要探討如何從其他方面來解決這些困難和矛盾。

2 解決對策

2.1 從管理層面加強變電站蓄電池組運維的管控

1)加強直流檢修維護專業人員與運維部相關人員的合作，協同將各變電站蓄電池組每年的核對性充放電情況進行匯總和分析，對使用年限達6年以上或已經出現個別故障蓄電池的蓄電池組進行重點監測，對可能接近壽命周期的蓄電池組提前做出預案。

2)直流檢修維護專業人員建立蓄電池組壽命周期變化趨勢的數據庫，繪制不同廠家、不同型號、不同容量、不同標稱電壓等級蓄電池的壽命變化曲線，研究不同蓄電池壽命周期的經驗值。這項工作雖然有一定的滯后性，但收集的數據能為日后的檢修維護工作提供參考。

3)加強與公司技術部門分管專責的聯系，及時反饋直流系統蓄電池運行中發現問題，且應建立一個由公司技術部門分管專責、一線直流檢修專業人員和檢修、運維部門技術專責參與的，旨在總結當年各站蓄電池組的運行情況及發現問題的討論分析會，為公司直流系統蓄電池組下一年度更換計劃提供正確合理的依據。同時，確保需要更換的蓄電池組能及時更換。

2.2 從現場層面加強變電站蓄電池組運維管控

1)變電運維值班人員應加強對各站蓄電池組的運行監測，根據運規要求定期對直流系統充電裝置運行情況、輸出電壓、蓄電池組總電壓、單只蓄電池端電壓等進行巡查和記錄。記錄的數據必須真實可靠，如果不能巡查到位，提供的虛假數據將對今后蓄電池組的運行分析數據庫產生不良影響。

2)一線運維人員必須熟悉直流系統各設備的相關知識，對直流充電裝置、蓄電池組運行中出現的各種現象以及關鍵運行數據能及時作出正確分析判斷，避免誤判造成直流系統蓄電池組長期不正常運行，影響蓄電池組的正常壽命。

3)持續提高直流設備檢修人員的技術水平，堅持變電站直流設備缺陷處理的及時性，保證蓄電池組處于良好的運行狀態，避免設備因素或檢修質量原因造成蓄電池組壽命的縮短。

2.3 從技術層面對變電站蓄電池組的實際壽命進行綜合預測

目前，核對性放電是檢查蓄電池組實際容量和發現蓄電池組深層次問題的一個主要手段，但是僅用這一個技術手段很難對蓄電池組進行全面的評估，還需通過其他多種手段對蓄電池組進行綜合檢測和分析，力爭做到變電站蓄電池組使用壽命的提前預測、提前計劃、及時更換，避免蓄電池組發生緊急故障危及電網運行時，還在等待新蓄電池組到貨的尷尬局面。為了緩解上面出現的尷尬局面，可以考慮采用以下幾點措施：

1) 對變電站蓄電池組核對性放電的方案進行改進

若經過3次全核對性放充電，蓄電池組容量均達不到額定容量的80%以上，可認為此組閥控蓄電池使用年限已到，應安排更換[4]。對于220kV變電站，其配置的蓄電池組為兩組，可以在其中一組退出的狀態下，進行另一組蓄電池組的全容量核對性放電，對實際容量可以較好地把握。但是在110kV變電站，一般只配置一組蓄電池，無法退出，僅能在線放電，為了保存部分容量應付突發事件，按規定僅能放出標稱容量的50%，這與前文提到的規定條款產生了沖突。

因此，需要找到當蓄電池組實際容量處于80%時，其在放出50%容量后的電壓下限參考值。但這個參數蓄電池廠家難以提供，其只能提供新蓄電池的參數和放電曲線。所以，必須在實際工作中不斷摸索，對各變電站運行中出現類似情況的舊蓄電池，在合適時機對其放電數據進行多次記錄和分析，找出規律并驗證，確定符合實際的參考點。使110kV變電站蓄電池組核對性放電受條件限制，僅能放出50%容量的情況下，基本判斷出其實際容量，為蓄電池組使用壽命的判斷和及時更換提供依據。

2) 改變蓄電池巡檢裝置的告警值設定模式

隨著技術水平的不斷發展，蓄電池巡檢裝置被大量應用，它能對蓄電池組中每只蓄電池的端電壓進行在線監測，當某只蓄電池端電壓超出規定范圍時發出告警。但是設備廠家考慮到蓄電池組核對性充放電時蓄電池端電壓變化區間較大，一般把告警值默認設置為：上限1.80V，下限2.50V，以避免在蓄電池組核對性充放電時頻發告警，但因浮充電狀態下的蓄電池端電壓正常區間在2.25±0.05V之間，超出這個范圍即為單體蓄電池欠壓或過壓，因此這樣的設置方法不能對日常進行浮充電的蓄電池端電壓異常進行及時告警，延誤了處理時間。

變電站蓄電池組日常絕大部分時間都是運行在浮充電狀態，所以應將蓄電池巡檢裝置的告警值浮充電狀態時設置為：上限2.20V，下限2.30V.充放電狀態時，由現場人員將設置改為：上限1.80V，下限2.50V；充放電完成轉浮充電狀態后，恢復設置為：上限2.20V，下限2.30V.這樣的告警值設定模式可以更加及時地發現蓄電池的隱患，縮短處理時間。

3) 在變電站蓄電池日常維護工作中增加蓄電池內阻的定期測試

影響蓄電池內阻值的因素很多，如蓄電池內部極間隔板的材料、電解液的比重、溫度、極板的硫酸鹽化等[5]。當蓄電池內部發生任何變化時，都能在內阻值的變化上得到反映。所以蓄電池內阻也是反映蓄電池狀態的一個重要參數。

浮充電運行的蓄電池組，由于僅需滿足補充蓄電池組的自放電，所以浮充電流極小，內阻異常的蓄電池很難在其端電壓上得到反映，必須采用蓄電池內阻測試儀進行定期檢測，發現蓄電池組內各單只蓄電池內阻的異常變化，如將單只蓄電池內阻與其他蓄電池平均內阻進行比較，觀察偏離程度，把握蓄電池的健康狀況。配合其他數據和參數，大幅提高蓄電池使用壽命的預測準確率。蓄電池內阻分布如圖2所示。

圖2 蓄電池內阻分布

4)嘗試應用變電站直流系統蓄電池在線監測設備進行蓄電池組狀態監測

前述方案在現今直流設備檢修人員工作強度日益增大的背景下，已經難以滿足更大幅度、更大面積增強蓄電池組巡視、測量的要求，利用如今愈發普及的在線監測系統可以實現蓄電池組的在線充放電試驗、數據記錄、曲線繪制、內阻測量，保存歷史數據以供橫向及縱向的對比、參考，并根據設定的門檻值進行實時告警，在提升直流系統運檢水平的基礎上，也能同時減少直流設備檢修人員的勞動強度，提高工作效率。

3 小結

蓄電池在電路系統中充當電源，是一切無源電路器件工作的源動力。隨著電力行業的發展，蓄電池的品種和數量越來越多，其運行中出現的故障也越來越多[6]。以變電站直流電源系統的蓄電池組重要性、配置及運行現狀為背景，針對某地區所轄變電站直流電源系統蓄電池組管理中面臨的新局面，分析了各方面因素，并從運維管理、現場、技術等層面提出了對策，為解決變電站直流電源系統蓄電池組運行的現存問題和直流系統運維管控模式的發展趨勢提供了新思路。