摘要：近年来因阀控式铅酸蓄电池组发生运行寿命降低、容量速降，造成变电站蓄电池组开路导致区域电网解列等严重的电网事故屡见不鲜，引起了巨大的社会影响和经济损失。变电站阀控式铅酸蓄电池的浮充运行设计寿命为10-12年，实际上投入变电站使用的阀控式铅酸蓄电池组，在使用5～7年后，蓄电池的容量已经低于电力行业标准的80%标称容量的要求。因此，提高蓄电池组运行寿命显得尤为重要。本文提出了一种蓄电池组从维护、检验、修复等一系列运维策略，目地是提高变电站阀控式铅酸蓄电池组运行寿命至12年及以上，确保变电站直流电源系统安全运行，提高变电站阀控式铅酸蓄电池组的运行寿命，降低蓄电池组技改项目净值率。
关键词：动力环境监控系统、电压均衡、蓄电池修复、分组活化
A new type of valve-regulated lead-acid battery set for substation Operation and maintenance strategy of operational life
Zhou yong guang、Zhang tao、Cao jianwei、Zheng runlan
(Shenzhen Power Supply Bureau 4020 Shennan East Road ,Luohu District ,Shenzhen 518000)
Abstract: In recent years, due to the loss of operating life and rapid capacity of VRLA batteries, the open circuit of battery in substation leads to serious power grid accidents such as regional power grids, which has caused great social and economic losses. The design life of valve-regulated lead-acid battery in substation is 10-12 years, in fact, the valve-regulated lead-acid battery group used in substation has been used for 5-7 years, and the capacity of battery has been lower than that of the power industry standard 80% nominal capacity. Therefore, it is very important to improve the life of storage battery. This paper puts forward a kind of battery group from maintenance, inspection, repair, such as a series of operational strategy, is to improve the substation valve-regulated lead-acid battery operating life to 12 and above, to ensure the safe operation of substation DC power supply system, improve the substation valve-regulated lead-acid battery group operating life, reduce the battery group technical renovation project net worth rate.
Keywords: Dynamic Environmental Monitoring System、Voltage Balance、Battery Repair、Group activation。
一 阀控式铅酸蓄电池寿命降低因素
1阀控式铅酸蓄电池设计缺失
阀控式铅酸蓄电池由正极板、负极板、稀硫酸（贫液或胶体）电解质、隔板、槽、盖、汇流排、端子、排气阀等组成。以300Ah阀控式贫液铅酸蓄电池按10年及以上的运行寿命设计为例：“300AH蓄电池的总重量至少应大于38斤，正极板栅投铅量应大于3600（g/Ah），正极板的厚度应大于4.5mm，负极板的厚度应大于3.7mm，稀硫酸电解质密度应在1.24 -1.285（g/cm3）之间，铅锡合金汇流排截面积应大于128mm2，极板极耳应该比极板格子体边框薄0.2mm,不能等厚。”现有变电站阀控式铅酸蓄电池设计缺失因素如下：
1）降低正负极板厚度
变电站300AH阀控式铅酸蓄电池的总重量均小于35斤，对不同厂家容量300AH的蓄电池进行解剖测量：“正极板低于3.5mm，负极板低于3mm。极板粘膏不良，存在漏膏、空隙划痕等。”这些设计和生产上的不足，导致变电站阀控式铅酸蓄电池的运行寿命只有5-7年（按运行标准80%标称容量）。
2）提高电解质的比重
阀控式铅酸蓄电池的稀硫酸电解质比重d在1.24-1.285之间是最标准的，电解质比重d在1.25时,腐蚀能力最小，正极板保护能力最好。如不按极板厚度的标准设计时，初次放电容量可能小于100%。如电解质比重d大于1.29时,电阻最小,冰点最低-70度，腐蚀能力最大，但是初次放电容量大部分大于100%，运行2年以上，容量速降，导致运行寿命缩短。
2阀控式铅酸蓄电池维护缺失
1）蓄电池组浮充电压过低
变电站直流充电装置出线电缆至蓄电池组的正负极有一段距离，会产生电压降。专业维护人员在设置或测量浮充电压时，以直流充电装置输出熔断器为准。由于电缆产生电压降的原因，蓄电池组正负极总电压与直流充电装置输出电压存在偏差，大致在0.5-1.5V之间。导致浮充电流小于蓄电池自放电电流，蓄电池产生极板硫化，使极板中参加化学反应的活性物质减少，因此容量降低，以致蓄电池组运行寿命下降。
2）蓄电池组浮充电流过大
变电站蓄电池组运行4年以上后，蓄电池内阻和电压会产生不同的变化，蓄电池之间内阻值大于1.5倍初始值、电压差ΔU≥50 mV。蓄电池组中有1节或多节的蓄电池内阻大于1000多uΩ后，整组浮充电流升高，以300AH蓄电池组为例，一旦浮充电流超过1A以上，内阻高的蓄电池缓慢发热直至热失控，引起电解液挥发，导致蓄电池组运行寿命下降。
3）蓄电池室环境温度失控
变电站蓄电池室内空调没有自启动功能，如站用交流电源失电，导致室内空调停机，引起蓄电池室内温度升高。一是由于蓄电池生产工艺缺陷、极板硫化等原因导致电压和内阻缓慢升高，充电时发热现象缓慢加重，加上浮充过程中因电解作用释放氢气和氧气，当其内部压力累积到一定程度时，安全排气阀打开排放气体，电解液不断减少。二是蓄电池室内温度升高，蓄电池组产生过充电，蓄电池极板上将在硫酸铅的溶解、重结晶作用下，生成一种粗大、难于接受充电的硫酸铅结晶，这种结晶导电性差、体积大、会堵塞极板上的微孔，妨碍电解液的渗透作用，使极板中参加电化学反应的活性物质减少。因此容量降低，导致蓄电池组运行寿命下降。
二 阀控式铅酸蓄电池组的运维策略
1阀控式铅酸蓄电池组的运维策略
1）传统运维方式
传统运维方式以每个站点的蓄电池组为管理对象，按每年每套蓄电池组进行1次专业维护和2次专业巡视，投产4年内的蓄电池组每两年进行1次容量检验，投产4年后的蓄电池组每年进行1次容量检验。蓄电池维护、巡视、检验，只能判断蓄电池组容量、蓄电池电压、蓄电池内阻是否满足运行要求，不能及时对异常的蓄电池组进行修理。不能确保变电站蓄电池组满容量运行，也未能有效解决蓄电池组开路和寿命下降问题。
2）新运维策略
新运维策略以深圳电网所有变电站的蓄电池组为管理对象。基于蓄电池修复技术的应用，投产4年内的蓄电池组每两年进行1次容量修复，投产4年后的蓄电池组每年进行1次容量修复，并采用远程蓄电池运行状态分析和室内动力环境监测对蓄电池组进行实时运维。结合蓄电池运行状态分析和动力环境监测数据，对发现的电压落后、内阻过高、容量下降等异常蓄电池及时进行修复，并建立蓄电池组备用库和蓄电池数据库。当检查发现蓄电池组容量下降需要进行修复时，使用备用库蓄电池组进行更换，及时确保变电站蓄电池组满容量运行要求，同时减少维护专业人员的工作量。换下的蓄电池经过修复后，容量满足要求的进入备用库，并编制每只蓄电池的识别信息纳入蓄电池数据库。如此良性循环，可确保变电站蓄电池组实时满容量运行，同时使变电站蓄电池得到更大程度的利用。新维护策略实行流程详见图1变电站蓄电池组维护策略流程图。
图1：变电站蓄电池组维护策略流程图
2新运维策略的修复技术
1）蓄电池分组活化
基于蓄电池修复技术的应用，蓄电池组修复前需对蓄电池逐只测试容量、电压、内阻等数据，查看极柱和极板有无物理损伤等情况，参考测试数据进行比较，把数据接近的蓄电池进行串联，6只蓄电池为1组，与蓄电池修复仪正负极输出端并联，蓄电池电压和内阻的采集线接入蓄电池修复仪数据采集接线端子。蓄电池分组活化接线详见图2变电站蓄电池分组活化接线图。
图2变电站蓄电池分组活化接线图。
6节蓄电池分成每12V为1组进行活化充电，每节蓄电池电压设置为2.4V（活化电压不大于2.55V），总组电压14.4V对6节蓄电池组活化充电3小时，同时检查充电电流在0.5A-1.5A之间，无明显变化的，确认为可以进行下一步的放电，进行容量检验。容量检验以0.1C10（300Ah蓄电池10小时率放电电流30A）的电流放电10小时，按图1内容：“修复容量等级”进行区分。放电容量大于90%标称容量的蓄电池为合格（可直接投入运行）并做好标记；放电容量在80%-90%之间的蓄电池，需要进行二次活化充电，并重新设置单节蓄电池充电电压为2.5V，其它按以上步骤进行；放电容量在0%-80%之间的蓄电池，需要进行添加修复液或深度活化进行修复。
2）蓄电池添加修复液
基于蓄电池修复技术的应用，对放电容量在0%-80%之间的蓄电池，打开蓄电池放气阀口，用酒精清洗干净后，对蓄电池添加0.8ml/Ah-1ml/Ah的量，并静置2小时后，再重复活化充电。修复过程中严禁将放气阀盖子拧紧，只须虚盖在孔口上，防止东西掉落到电池里面，直到蓄电池修复完成后才能将放气阀盖子拧紧。
3）蓄电池深度活化
3蓄电池室动力环境控制系统
阀控式铅酸蓄电池因日常维护工作量少而被誉为“免维护”电池，但是对充电制度及蓄电池室的热管理有严格的要求，在浮充电压过高会导致内部气体溢出失水严重，其浮充电压需要根据电池温度或环境温度进行调节。目前蓄电池室的温度条件都是通过空调来维持室内温度在25℃左右，耗电量非常大。而且一旦空调损坏，室内温度会急剧增加，使蓄电池组存在热失控风险。密封阀控型铅酸电池在过电压状况下会析出大量的氢气并排出至空气中，因此变电站的蓄电池室一般要求加装抽风机，排除氢气和酸性气体，使抽风机的通风散热作用不能充分使用。目前变电站对抽风机及空调的控制相对独立，环境监测量主要用于控制抽风机的启停以达到通风的效果，不能同时满足抽风机和空调的智能化控制。通过对蓄电池室动力环境控制系统进行升级改造，使蓄电池室内温湿度调节实现智能化监测及控制，降低蓄电池室的维护需求，为蓄电池室的安全稳定运行提供技术保障。
三 运维策略效果
1社会价值
提高蓄电池组运行寿命的运维策略突破传统直流系统运行维护模式，通过引入的铅酸蓄电池修复技术将容量下降后的铅酸蓄电池修复后重新投入使用，提高铅酸蓄电池的利用率，从源头减少铅污染，大大降低了铅酸蓄电池作为固体废弃物处理的环境污染风险和压力，响应国家“青山绿水，就是金山银山”的发展理念。通过对蓄电池的运行维护过程进行优化，提高运行维护的效率，降低运行维护的成本；消除由于蓄电池容量不足造成的直流系统不能稳定运行的风险，保证直流系统的安全可靠运行，符合南网的精益化管理理念。
2经济价值
1）降低蓄电池购置成本
以100座110kV变电站共200套110V/300AH的蓄电池组为例。依据近几年的蓄电池组运行状态评估数据分析，每年蓄电池组容量低于标称容量80%的比例约为15%，因此每年需要退役报废的蓄电池组数量为200*0.15=30组。由于退役后蓄电池组使用年限较长，存在内部汇流排腐蚀，外壳膨胀变形、内阻增大、电压异常等因素使蓄电池修复效果下降至50%，则有15套蓄电池组需要从新购置。300Ah/2V蓄电池的购置成本约为3.6元/1AH，300Ah/2V蓄电池修复价格为0.85元/1AH，提高蓄电池组运行寿命的运维策略能够降低蓄电池的购置费用为（3.6-0.85）*300*54*15=668250元=66.825万元。且本运维策略的执行能够使蓄电池组的使用寿命从6年延长至11年，降低设备技术改造物质的净值率。
2）降低蓄电池安装成本
在传统的直流系统运行维护模式中，当蓄电池退役后安装投入新购置的蓄电池组，其中安装工程费用以每年15% 的300Ah/110V蓄电池组比例计算，则每年蓄电池组投入安装费用为2.6*15=39万元。本运维策略的执行将节省蓄电池组安装工程费用39万元。
提高蓄电池组运行寿命的运维策略按100座110kV变电站共200套110V/300AH的蓄电池组为例，结合以上两项费用，每年可节省66.825万+39万=105.825万元。
四 运维策略总结
针对变电站蓄电池组传统运维模式中存在问题，本文提出的提高蓄电池组运行寿命的运维策略主要解决了3个问题：对蓄电池的维护和修复过程进行整合及优化，延长蓄电池组的使用寿命，提高直流系统的运行安全性；将蓄电池组运行维护和修复由原来的两个项目整合成一个项目，减少工作所耗费的时间，提高运维效率和人员运维成本；摈除以单套蓄电池组为运维对象的传统，对所辖变电站蓄电池组进行统一运维管理，结合蓄电池修复技术建立备用蓄电池库和运行数据库，避免因物质购置申请周期长而带来的运行风险，确保变电站蓄电池组后备电源的可用率和可靠性。
参考文献：
[1]纪哲夫，一种基于资产生命周期的变电站蓄电池组运维策略研究
[J]. 科技与创新,2015 (7):72-75
论文作者:周永光,张淘,曹建伟,郑润蓝
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/14
标签：蓄电池论文; 变电站论文; 极板论文; 容量论文; 酸蓄电池论文; 电压论文; 寿命论文; 《电力设备》2018年第19期论文;