變電站電池組的電壓監測與維護

吳志勇

(國家電網寧夏吳忠供電公司,寧夏 吳忠 751100)

隨著經濟社會的發展,電力行業已步入全國聯網、大機組、微電網、數字化時代,逐步向環保、經濟、高效、安全的方向邁進。變電站直流系統是變電站的關鍵部分,主要為斷路器控制、繼電保護裝置提供直流電源,與繼電保護、故障切除存在直接聯系,是維護電網安全運行的重要保障,可以降低發生事故時的經濟損失。電池組作為變電站直流系統的一部分,主要在變電站突然斷電期間及時為相關設備供電,避免造成難以預估的損失。當前多數變電站不需要專人值班,主站(調度中心)主要通過遠程監測通信獲取子站的實時數據和運行狀況。現有變電站直流系統監測設備多數只能實時獲取子站充電機故障、電池電壓故障、熔絲故障、交流電源故障等問題,難以及時將內阻、電池溫度等信息上傳到調度中心,可能擴大事故影響。隨著電力產業的發展,變電站分布范圍越來越廣、數量越來越龐大。為及時準確掌握變電站電池組電壓運行狀況,需要高度重視變電站電池組電壓檢測和維護,以提升變電站日常運行的穩定性、可靠性。

1 變電站直流電源系統基本組成

變電站直流電源系統是變電站中一個相對獨立的系統,主要作用是為變電站安全自動裝置、繼電保護裝置、應急電源等提供穩定可靠的直流電源,以滿足變電站設備的工作需求。直流電源系統運行不會受到站用電、發電機、系統運行等的影響,即便沒有交流電源供電,仍可借助電池組保持運行狀態,確保不失電。直流電源系統主要由電池組、直流監控系統、充電機、交流輸入、直流負荷和直流母線等構成。電池組一般由多只電池串聯而成,是變電站直流電源系統的核心部件,用于儲存能量并在交流電源斷電時為相關設備提供直流電源,可以根據需要增加或減少串聯的電池數量。電池組選型和布置需要考慮到變電站的負載需求、備用時間和可靠性等因素。

電池組的監測和維護是變電站直流電源系統日常管理的重要工作,采取優質監測維護設備和最佳維護方案,可以提高系統運維效率,保障系統運行安全。相關資料顯示,電池使用期間實際容量降到額定容量的90%以下時,會步入半衰期,降到80%以下時,進入急劇衰退期。電池的衰退期非常短,進入衰退期表明即將失效,存在嚴重的事故隱患。電池工作機理非常復雜,不同電池的結構、工藝、材料各不相同,使用環境存在較大差異,電池組的監測和維護成為維持變電站穩定運行的關鍵。需要根據電池特性選擇合適的維護方案,實現變電站直流電源系統電池組的健康管理。

2 變電站電池組

電池作為性能優異的便攜儲能設備,在工業控制和日常生活中占據重要地位,變電站、照明設備、不間斷電源(UPS)、應急設備等都有電池的存在。從本質上講,電池工作過程中需要將電能轉化并存儲為化學能,需要時再將存儲的化學能轉化為電能輸出,電池的充放電過程即能量轉換過程。變電站電池組主要為閥控式密封鉛酸(VRLA)電池。

VRLA 電池是一種常見的電池,結構設計簡單,主要由正負極板、隔板、電解液、極柱、安全閥、蓋板和外殼等組成。正負極板通常由鉛錫合金制成,通過隔板進行隔離;隔板通常由聚乙烯或玻璃纖維材料制成,絕緣性能良好;電解液通常由硫酸和蒸餾水混合而成,主要作用是提供離子導電路徑,使正負極板能夠進行電化學反應;極柱是連接正負極板的組件,通常由鉛或鉛合金制成,極柱設計會影響電池性能,如電流傳導性能和耐腐蝕性能;安全閥是電池的重要安全裝置,可在電池內部產生過高壓力時自動釋放壓力,防止電池爆炸;蓋板是用于封閉電池的上部結構,通常由塑料或金屬制成,有連接電極的孔,以及安全閥和其他配件的安裝孔;外殼是電池的外部保護結構,通常由塑料或金屬制成,主要作用是保護內部組件,同時防水和防塵。總之,每個組件都起著重要的作用,正負極板、隔板和電解液共同構成電池的電化學反應系統,極柱和安全閥保證了電池的安全性能,蓋板和外殼則起到保護和封裝的作用。組件的合理設計和優質材料選擇,可提高電池的性能和壽命,確保電池組安全可靠。

電池組的電壓涉及電池端電壓、開路電壓、浮充電壓和放電終止電壓。這些電壓參數可反映電池組的工作狀態和性能,對電池的選擇、使用和維護具有重要意義。實際應用中,需要根據具體需求和電池特性,合理設置和調整電壓參數,以保證電池組的安全運行和延長使用壽命。首先,電池端電壓,又稱工作電壓,指在電池正負極之間的電壓差。電池組端電壓主要受電池內部化學反應和外部負載的影響,當電池組處于放電狀態時,端電壓會逐漸降低,直至達到放電終止電壓;而在充電狀態下,端電壓則逐漸增加,直至達到浮充電壓。其次,開路電壓指電池在沒有外部負載下的電壓,主要取決于電池的化學成分和內部結構。正常工作溫度下,開路電壓可作為電池的電量指示,即開路電壓越高,電量越充足。再次,浮充電壓指在電池組充電完成后,通過恒定電壓充電方式維持電量的電壓,旨在保持電池組的電量滿足需求,避免過度充電造成損壞。一般來說,浮充電壓略高于開路電壓,以保證電池組的穩定工作。最后,放電終止電壓指電池組在放電過程中,停止放電時的電壓。放電終止電壓的設定與電池的類型和用途有關,一般會根據電池的額定電壓和使用要求進行合理設置,以避免過度放電造成損壞,是評估電池性能和壽命的一項重要指標。

監測電池組的電壓可以幫助運營人員及時發現電池組存在的問題,并采取必要的維修或更換措施,以保證可靠性和穩定性。此外,電池組電壓監測有助于預測電池組的壽命和性能,并實施合理的維護計劃,以延長使用壽命、降低維護成本,提高電網的穩定性和安全性。

3 變電站電池組電壓監測

整組電池電壓監測裝置問世已久,主要通過監測電池組電壓確定電池運行狀況,直觀觀察變電站直流電源系統的電壓,但電池組在變電站正常運行期間處于浮充狀態,電池組電壓變化并不明顯,即便其中某只電池出現問題,也無法及時發現,可能造成潛在安全隱患。近年來,相關領域優化了整組電池電壓監測功能,裝置具備了監測電池組溫度、電流、電壓,實時容量管理,以及充放電管理等功能,且能在電池放電期間電壓低于下限時發出警報,并基于環境溫度對電池組進行溫度補償,及時調整電池組浮充電壓。雖然整組電池電壓監測功能在先進技術的支撐下日益豐富,但仍難發現因個別電池老化或單體電池一致性引起的積累效應,單只電池產生的信號會被電池組信號掩蓋,無法準確篩選老化電池。

為解決上述問題,變電站運維人員設計了電池組單體電池實時監測方案。該方案實現了部分與整體信息數據的同步,與整組電池電壓監測相比有所進步,但實用時發現,單體電池監測預警性較差。雖然在電壓過低或過高時可及時發現早期失效電池,但有時電壓數據顯示正常,有些電池性能仍明顯降低。為此,相關科研機構推出了電池組內阻監測和在線監測系統,能主動精確監測電池內部狀態,實時獲取電池組變化數據,提升了變電站電池組的穩定性和可靠性。

例如,某變電站現場有2 組208 只12 V 電池,為維持變電站穩定運行,該電池長期運行,其中可能存在老化電池,導致健康電池壽命急速下降,最終導致變電站電池組整體報廢。為此,可根據變電站電池組運行需求確定對應的組網方案,以YX-S121 電池參數傳感器為采集設備,在線采集變電站直流電源系統電池的電壓、內阻、溫度、總電壓和充放電電流,實現電池均衡管理功能;以YX-SBUS-485 通信轉換裝置配合電池智能參數傳感器使用,將電池實時信息轉化發送到用戶局域網Web 瀏覽器,相關責任人能夠實時掌握電池的健康狀態,實現總體電池統一管理,維護電池電壓穩定,為變電站安全、持續運行提供保障。

4 變電站電池組的維護

相關數據顯示,超過50%的VRLA 電池故障是由電池組維護不當或電池組故障引起的。為確保變電站電池組在日常工作中發揮作用,要加強對電池組電壓的維護和管理。首先,變電站應根據變電站負荷需求和備用時間要求選擇電池類型,綜合考慮變電站的負荷需求、備用時間要求和電池組壽命等因素,合理配置電池組,確保能夠滿足變電站的供電需求。其次,在電池投入使用前,需要進行安裝檢查,檢查安裝地面的平整度、安裝固定件的牢固程度、連接線路的接觸性能等,確保電池組安裝正確、可靠;需要進行系統調試,檢查電池組的電壓、電流、溫度等參數是否正常,調整保護參數,確保電池組可正常工作;投入使用前,需要進行試運行,觀察電池組的放電情況和電池電壓變化情況,確保能夠正常供電。最后,變電站電池組日常工作期間,需要借助在線監測系統等定期對電池組的溫度、電壓等進行監測,確保電池組在正常溫度范圍內工作;若在線監測系統發出警報,發現電池組溫度、電壓相關數據異常,應及時檢查電池組的充放電情況,采取措施進行處理;變電站運維人員需要定期對電池組進行充電,保持電量充足,充電時需控制電流和電壓,避免過充電;運維管理人員需定期對電池組進行清潔維護,包括清理電池組表面的灰塵和污垢,檢查連接線路的接觸性能等,以及對電池組進行放電測試,準確評估性能和壽命,以便及時更新電池組個別老化電池,確保電池組性能。

5 結語

電池組在變電站中扮演著重要角色,用于提供備用電源,保證電網穩定運行。為保證電池組正常運行,需要對電壓進行監測與維護。隨著技術的更新與發展,變電站電池組電壓監測系統不斷更新和完善,在線實時監測成為當前變電站電池組電壓監測的主要方式,可實時監測電池組的電壓、電流、溫度等,并將相關數據反饋到調度中心,還能及時發現電池組的電壓變化,在出現異常時發出報警,以便及時采取措施進行維修或更換。為進一步提升變電站運行的穩定性和安全性,運維人員需定期對電池組進行維護、充電和放電,檢查和補充電解液,清潔電池組的表面和連接器等,以提高電池組的使用壽命和可靠性,保證變電站的正常運行。