摘要：本文就一起典型阀控铅酸蓄电池容量失效问题引入，提出针对日常维护可实现的蓄电池运行状况监测的方法，认真分析两种常用蓄电池内阻测试方法的优劣，提醒广大现场运维专业人员，要加强对阀控铅酸蓄电池运行情况的监测与跟踪，及时排除设备隐患。
关键词：阀控式铅酸蓄电池；大电流放电试验；交流注入法；在线监测
Research on On-line Monitoring Method of Valve-regulated Lead-acid Batteries
ZHANG Junhui
(Huaneng Lancang River Hydropower Co, Ltd,Weizhaodu Hydropower Plant,Puer,Yunnan 665000,China)
Abstract:This paper introduces a typical problem of capacity failure of VRLA batteries, puts forward a method of monitoring the operation status of VRLA batteries which can be realized in daily maintenance, carefully analyses the advantages and disadvantages of two commonly used methods of battery internal resistance testing, reminds the majority of field operation and maintenance professionals to strengthen the monitoring and tracking of the operation status of VRLA batteries, and eliminates the hidden troubles of equipment in time.
Keyword:Valve regulated lead acid battery High Current Discharge Test AC injection method Online Monitoring
1前言
电力系统中直流电源有着其独特的作用，因其有着极高的安全性和可靠性，往往用于对系统中的继电保护、监控、通信以及UPS等核心控制设备供电，是保证电力系统安全稳定运行的重要保障。而其中蓄电池又是直流电源系统的核心关键部件，对直流电源安全运行起着绝对支撑作用。近年来，采用内部氧复合技术的阀控式铅酸蓄电池（又简称VRLA电池），其电解液损耗大大降低，具有体积小、性能稳定且维护工作简单等系列优点，因此在电力系统中的应用也越来越广泛。然而随着国内VRLA电池生产厂家的日益增多，工艺技术水平参差不齐，在现场应用中暴露出不少新的问题，已发生多起蓄电池容量不足进而造成系统中故障扩大的恶性事件。因此，就如何有效掌握VRLA电池当前性能，已成为阀控式铅酸蓄电池应用的一项关键研究技术。
2阀控铅酸蓄电池现场应用典型问题
2018年06月09日，某大型水电厂发生一起直流蓄电池失效导致的两台650MW机组控制电源完全失电的严重异常事件，现场在进行厂用电倒换操作时，直流电源段互为冗余配置的两台相邻发电机其直流电源充电机交流电源同时失电，全部负载切换至对应直流蓄电池，而此时蓄电池容量严重不足，进而导致机组控制电源故障的严重后果。
现场对所用蓄电池组进行了仔细检查，发现有单只蓄电池出现了严重开裂异常，进一步对开裂蓄电池进行了解体（如下图所示），确认其负极极柱部位严重腐蚀，回路发生开裂断路。最终确认导致此次恶性异常事件的根本原因是，未能及时掌握到现场阀控式铅酸蓄电池组的运行性能，间接导致直流系统失去蓄电池供电，严重不满足DL/T 724-2000《电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程》要求（图1）。
图1 严重故障蓄电池解体情况
之后又对该两组蓄电池开展了核对性放电容量测试，确认分别已有多只蓄电池容量严重不足，试验不合格不能继续投入运行。因该两组投产已近6年，电厂按照规程要求每2年开展一次核对性放电试验，查阅事件发生前一年的核容试验报告，此批次蓄电池已出现容量下降趋势，但尚能满足8小时放电要求，可以继续运行，因此导致现场运维人员未能及时了解到存在的严重安全隐患。
3蓄电池组性能常用检测方法
按照多年来阀控式铅酸蓄电池现场应用以及对其原理结构掌握所总结的经验，用于评估蓄电池组运行工况的方法一般有三种：单体端电压检查、核对性放电试验以及蓄电池内阻测试。
3.1单体端电压检查
蓄电池的性能最终体现在电池电压的稳定以及容量的持续保证，当电池放电到一定深度，其端电压会有明显降低，电池电压一定程度上能反映电池性能好坏。因此早期电池维护中，常常将单体电池电压的测量作为判断电池性能好坏的一项重要依据，因而在铅酸蓄电池运行维护技术规程中也将运行过程中对单体蓄电池电压的测量以及整组运行电压的均衡性检查作为一项重要的定期工作。然而，在实际工程应用中，电池电压的高低与其容量关系并不能呈现准确的相对应关系，规律性并不突出，图2为一组典型容量不满足要求的蓄电池，其容量与端电压对应关系。
3.2核对性放电试验
核对性放电试验是检测蓄电池容量最直接和有效的方法，现场往往通过恒流放电的方式，直接确认蓄电池组的容量剩余情况，也可通过此方法准确的查找到蓄电池组中的问题电池，提前对其进行隔离以保证整组蓄电池性能。另外一定周期内开展的蓄电池放电试验，也能够对蓄电池组起到活化作用，因此现阶段是检测蓄电池性能唯一得到公认的检测手段（参考文献1）。然而考虑到现场实际情况，核对性放电试验也有一定的局限性。其一，进行核对性放电试验时，一般应将蓄电池隔离，对直流系统的运行可靠性造成较大影响。其二，如若频繁深度放电，会导致硫酸铅沉淀增加、极板酸化，进而降低蓄电池寿命。其三，核对性放电试验耗时较长，维护工作量大。因此，蓄电池核对性放电试验目前作为直流系统维护中的一项年度性质的检测项目来开展，是作为蓄电池日常维护工作的重要参考和指导。
3.3蓄电池内阻测试
阀控式铅酸蓄电池因其结构所致内阻构成复杂，一般可认为包含有欧姆电阻以及电化学反应电阻两个部分(参考文献2)。随着现场应用的不断总结和分析，发现蓄电池组的容量与电池内阻有较大的相关性，尤其是蓄电池容量不足80%时，对应的蓄电池内阻会随着容量降低明显增加(参考文献3)。因此，近年来对蓄电池内阻进行在线检查已成为一项重要的日常维护工作，也是实现在线对蓄电池运行状态进行评估的一个重要研究方向。
图2 一组典型容量不足蓄电池端电压与容量对应关系
4阀控式铅酸蓄电池组内阻测试方法
现阶段实现阀控式铅酸蓄电池组内阻在线监测的主流方法一般有两种，一是瞬间大电流放电测试，二是交流注入法测试。如前文所述，从铅酸蓄电池的结构来看（蓄电池内阻等效电路如图3所示），电池内阻包含两大部分。其中欧姆电阻与电极、隔膜、电解液浓度、极柱、极板等多个组成相关，直接体现蓄电池容量存储能力、内部化学反应是否充分等问题。而电化学极化和电解液浓度极化水平等所呈现的极化电阻，与当前蓄电池电流相关，不同工况下的测量结果相差较大，会对电池内阻测量结果造成较大的干扰。
图3 蓄电池内部电阻结构等效图
4.1瞬间大电流放电法
瞬间大电流放电法采用投退纯电阻负载方式，利用蓄电池在断开负载瞬间电压会有明显跃升的特性，测量负载接入和退出瞬间的电池端电压以及放电电流差值，从而计算出蓄电池内阻，其测试响应示意图如图4所示。
图4 瞬间大电流放电测试测量
则通过下式可计算蓄电池内阻：
其本质上与GB/T 19638.1-2014《固定型阀控式铅酸蓄电池》规程中短路电流与内阻测试两点法相同（参考文献4），其优点在于采用大电流放电，每次测量工况相同，不受来自充电端的纹波电压等因素影响，同时测量量值较大，测值计算精确。
4.2交流注入法
交流注入法则是通过向蓄电池注入一固定频率的小幅交流电压，通过测量电池端部该频率电压及回路电流，采用欧姆定律来计算得出蓄电池内阻。如前文所述，蓄电池内部等效电路连接中包含有一可观的电容，容抗的大小对测量时间和结果得稳定都会产生影响，因此需尽量选取较低固定频率以降低容抗影响。此外，考虑到直流电源运行的安全性，所注入交流电压不宜过高，加之充电端纹波电压的干扰，所计算得出的电阻值精确度明显下降。
5阀控式铅酸蓄电池组在线监测构架
基于上述分析，建议采用大电流放电测试法来实现阀控式铅酸蓄电池组的在线监测。可以考虑将监测装置构架分为两个部分。
一是现地测控采集单元（如图5所示），利用蓄电池单体监测模块用于收集各单电池电压等数据，通过通讯实时与电池组收集模块连接。而电池组监测模块则采集电池组电流并最终与数据处理器通信。站点数据处理器通过设定周期定期投退预先设定在系统内的负载，同时启动数据采集与计算程序，最终获得各单体蓄电池内阻数据（参考文献5）。
图5 现地数据收集单元
二则是，数据收集整理与分析单元，系统结构图如图6所示。通过现地数据处理装置将各组蓄电池监测数据持续收集到站端服务器，再利用后台计算机数据分析功能，实现定期对数据进行整理和报告，供现场运维专业人员定期分析，及时发现问题并采取相应措施。
6结语
直流电源是电力系统安全稳定运行的重要保证，而其中蓄电池又作为其核心储能元件，实现对其运行性能的有效监测和预警对于现场运维工作来说，极具意义。本文结合阀控式铅酸蓄电池组技术规程要求，对目前技术手段上较为成熟的蓄电池在线监测方案进行了详细介绍，并以一起典型蓄电池容量不足而导致的恶性异常事件提醒广大的现场专业人员，可积极利用新技术，充分解放现场工作的同时，加强对重要设备运行状态的监测，及时排除设备隐患。
图6 在线监测系统整体构架
参考文献
[1]固定型阀控式铅酸蓄电池组充放电试验与运行分析[J].王秀霞.东北电力技术.2009(01).
[2]铅酸蓄电池内阻测量方法的研究[D].许新竹.哈尔滨工业大学 2017.
[3]基于内阻的阀控铅酸蓄电池故障预测方法研究[J].陈国荣，郑宽涵.机电信息.2013(18).
[4]GB/T 19638.1-2014《固定型阀控式铅酸蓄电池》 第1部分：技术条件.
[5]铅酸蓄电池在线监测与维护系统设计[J].夏明，温国强，张伟.科协论坛(下半月).2013(09).
作者简介
张军辉（1986-），男，湖北随州毕业于武汉大学电气工程学院，工程师，现于糯扎水电厂主要从事继电保护检修维护工作。电子邮箱:icyoliver@163.com。
论文作者:张军辉
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/9
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