變電站直流電源在線檢測系統(tǒng)應用

于 軍，王 毅，劉湘霞

（山東濟寧供電公司，山東 濟寧 272123）

0 引言

運行實踐表明，保證變電站直流系統(tǒng)安全可靠運行的核心是蓄電池，而直流系統(tǒng)運行管理的難點也是蓄電池。偏離標準的高溫、一切非正常的浮充、過充，超過蓄電池規(guī)定的深度放電而又未及時進行充電等，都將對蓄電池的性能和使用壽命帶來不利影響，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行構成潛在的威脅。

1 變電站直流電源運行維護存在的主要問題

由于直流系統(tǒng)的運行相對于其他變電設備較為穩(wěn)定，且自身的缺陷并不直接對電力系統(tǒng)安全運行構成威脅，因此在管理方面的投入略有不足，較為突出的問題是專業(yè)人員配置較少，難以按要求完成定期檢修內(nèi)容，對直流系統(tǒng)的運行狀況難以掌握［1］。

個別充電設備運行不穩(wěn)定，浮充電壓出現(xiàn)漂移，造成蓄電池處于過充或欠充狀態(tài)，縮短蓄電池的使用壽命。

蓄電池運行環(huán)境惡劣，冬夏溫差較大，不能保證在最佳溫度（25℃左右），運行時間受到很大影響。而在使用過程中，無法實時監(jiān)測其現(xiàn)有容量，無法準確判斷其健康狀況。

無論是檢修人員還是運行人員，所得到的直流電源運行信息很少，主要是一些故障及異常信息。如充電機交流電源故障、充電機故障、直流絕緣接地、直流電源電壓異常，不能反映直流系統(tǒng)運行的詳細信息，更不知道蓄電池的現(xiàn)有容量。

2 變電站直流電源在線檢測系統(tǒng)

變電站直流電源在線檢測系統(tǒng)以較為全面的信息檢測、遠程充放電控制以及數(shù)據(jù)專家分析等功能，使運維人員及時掌握各變電站直流系統(tǒng)各組部件的運行狀況，尤其是能夠通過遠程放電控制，快速準確核對蓄電池的現(xiàn)有容量，及早發(fā)現(xiàn)異常情況，把事故消滅在萌芽狀態(tài)。該系統(tǒng)的應用，緩解了當前變電站直流電源運維管理所存在的矛盾，為變電站直流電源實行狀態(tài)檢修提供了信息支持和在線檢測手段。

2.1 充電裝置在線檢測

直流系統(tǒng)正常運行時，不但要承擔正常直流負荷電流，更重要的是向蓄電池組補充電，以補充蓄電池的自放電，使蓄電池以滿容量處于備用狀態(tài)。若充電機紋波系數(shù)超標，恒壓限流特性不好，就會造成蓄電池過充、欠充、電壓過高、充電流過大、電池溫度過高等問題，縮短電池的使用壽命。

浮充電對蓄電池使用壽命的影響。浮充電壓設置過低，會因蓄電池充電不足，使蓄電池極板硫化而縮短電池壽命。浮充電壓設置過高，蓄電池將長期處于過充電狀態(tài)，使電池的隔板、極板等由于電解氧化而遭破壞，造成電池極板柵腐蝕加速，活性物質(zhì)松動，而使容量失效。此外單體電池的浮充電壓升高10 mV，浮充電流可增大10倍，浮充電流過大時，電池內(nèi)部產(chǎn)生的熱量不能及時散掉，電池中將出現(xiàn)熱量積累，使電池溫度升高，又促使浮充電流增大，最終造成電池溫度和電流不斷增加的惡性循環(huán)，即熱失控現(xiàn)象。

充電電流倍率的影響。大電流充電時，電池內(nèi)部產(chǎn)生的氣體的速率將超過電池吸收氣體的速率，電池內(nèi)部壓力提高，氣體從安全閥排出，造成電解液減少或干枯。通常水分損失15%，電池容量將會減少15%，水分過量損耗，將使閥控蓄電池的使用壽命提前終止。

可以看出，上述問題主要源于穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度、紋波系數(shù)以及對運行參數(shù)的正確設置。其中穩(wěn)壓精度的提高是避免蓄電池長期浮充電運行時，不會出現(xiàn)欠充電現(xiàn)象的最好方法，保證蓄電池在事故放電時保持容量。穩(wěn)流精度的提高對于蓄電池的初充電和均衡充電的長時間過程是有利的，滿足了蓄電池電化學反應的最佳狀態(tài)。紋波系數(shù)較大，降低了直流電源的質(zhì)量，引起浮充電壓波動，會出現(xiàn)蓄電池的脈動充電放電過程，對蓄電池不利。直流電源主要電氣參數(shù)允許范圍如表1所示。

在線檢測系統(tǒng)通過對這些重要的電氣參數(shù)進行實時檢測、記錄，并設定告警限值，當檢測數(shù)據(jù)超出允許范圍時，系統(tǒng)既給出相應的告警提示，以便及時加以修正，確保充電裝置處于良好的狀態(tài)。若充電裝置的電氣量頻繁發(fā)生偏離告警，這就表明充電裝置的某些特性 （穩(wěn)壓、穩(wěn)流、紋波）發(fā)生劣變，由此可對充電裝置進行針對性的檢查維修或更換，從而實現(xiàn)了對充電裝置的狀態(tài)檢修。

表1 直流電源主要電氣參數(shù)允許范圍

2.2 蓄電池的在線檢測

2.2.1 蓄電池可進行狀態(tài)評估的依據(jù)

一般來說，隨著電池使用時間的增加，電池組性能將逐步發(fā)生劣化，劣化程度總是表現(xiàn)為個別電池性能的落后，主要表現(xiàn)為：落后電池相對自身的電池電壓離散度逐步變大，相對整組電池的電池電壓離散度逐步變大，相對與自身的內(nèi)阻值逐步變大，且對于整體的離散度變大，整體的充放電曲線電壓值逐步變大；容量不足時，電池電壓充電上升慢，放電下降快；內(nèi)阻增大時，電池電壓充電上升快，放電下降快。這些突出的異常信息，被線檢測系統(tǒng)獲得后，便可自動判斷蓄電池組測試結果，提示某序號蓄電池發(fā)生電壓異常，內(nèi)阻異常，容量不足，據(jù)此對蓄電池健康狀況作出評估。

2.2.2 蓄電池常用檢測方法

判斷蓄電池狀態(tài)優(yōu)劣的最重要的指標，是按10 h放電率對蓄電池進行全核對性放電所能放出的電量的多少。一般要求，當蓄電池所放出的電量達到額定容量的95%以上，即認為該蓄電池組合格。

核對性放電法：將蓄電池組脫離供電系統(tǒng)，以I10電流進行恒流放電，同時測量每一蓄電池電壓，當降到規(guī)定值（單體1.8 V）時，停止放電，計算出蓄電池組容量。該方法作為蓄電池的檢測標準，是規(guī)程規(guī)定必須定期進行的檢測項目，他是保證直流電源安全運行最有效的手段。

電壓法：通過測量蓄電池電壓檢測蓄電池的狀態(tài)。一般可測出開路、短路、嚴重損壞的電池。在放電狀態(tài)下更為有效。該方法方便雖然可行，但只能判讀已嚴重失效的蓄電池，不能全面的反映每個單體的情況，且對性能的差異不能作出反應。

內(nèi)阻測量法：蓄電池的故障，如板柵腐蝕和增長、接觸不良、活性物質(zhì)可用量減少等，集中表現(xiàn)于蓄電池內(nèi)阻的增大、電導的減小。因此，電導或電阻的高低可提供反映蓄電池故障和使用程度的有效信息。該方法快速簡便，易于發(fā)現(xiàn)失效電池，對了解蓄電池性能具有一定的參考意義。

通過對上述3種常用檢測方法的比較可見，核對性放電法，仍然是檢測蓄電池健康狀況無可替代的最直接的方法，但是由于該方法耗時費力，難以按要求實施。要求尋求一種即準確可靠又簡便易行的檢測方法，由此提出蓄電池遠程放電檢測的概念。即按標準放電電流對蓄電池組進行淺容量（10%～30%額定容量）放電，通過對放電曲線的比較分析，判斷蓄電池健康狀況，以便制定針對性檢修策略。

2.2.3 實施遠方放電操作應具備的條件

充電裝置應具備四階段充電方式，即恒流限壓主充—定壓均充—定時均充—定壓浮充，這樣電池極板的有效物質(zhì)還原充分，對延長電池壽命有一定好處。且均充轉(zhuǎn)換到浮充是根據(jù)充電電流的設定值來轉(zhuǎn)換，可靠性更高，可有效防止電池過充。

充電裝置應具有良好的穩(wěn)壓、穩(wěn)流特性。實施遠程放電前，應對充電裝置進行全面檢測，紋波系數(shù)、穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度均在合格范圍。

放電過程中，如發(fā)生通信中斷，系統(tǒng)可根據(jù)設定的終止放電條件，自動終止放電，并轉(zhuǎn)入充電狀態(tài)。

放電終止條件可靈活設置，一般應設置以下終止條件：蓄電池終止電壓（電池電壓、電池組電壓）；放電時間；電池溫度；通信中斷。

放電控制回路應簡單可靠，盡量減少對蓄電池原有充放電回路的改動。實施遠程放電時，蓄電池不得與直流負荷脫離。

圖1 一種簡單易行的遠方放電控制電路

圖1為一種簡單易行的遠方放電控制電路。在蓄電池端口，串入一組并有二極管的接觸器的接點，利用二極管單向?qū)ㄌ匦?，實現(xiàn)蓄電池與充電機的隔離，通過控制接觸器的分合，即可實現(xiàn)蓄電池的充放電。如放電時，出現(xiàn)充電機故障或市電消失，蓄電池可通過二極管無間隙的向直流負荷供電。

實施遠程放電時，應制定突發(fā)事件處置預案，備足常用備件，做好事故搶修準備。

2.2.4 遠方放電時間及周期

電力系統(tǒng)故障的高發(fā)期是雷雨季節(jié)，這期間電網(wǎng)處于全保護、全接線的運行狀態(tài)，也是對直流電源可靠性要求最高的時期。因此計劃性的核對性放電工作應安排在雷雨季節(jié)前后進行。如此可在電網(wǎng)故障高發(fā)期前對蓄電池運行狀態(tài)做全面的評估，及時發(fā)現(xiàn)并消除隱患，這對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行是必要的。經(jīng)驗表明，核對性放電時間安排在4－5月較為適宜。

實施了遠程放電控制，使蓄電池的核對性放電更加方便快捷，且可以多個變電站同時進行。以1組300 AH蓄電池組按0.1C10電流進行50%核對性放電，正常情況下5 h即可完成。1天有效工作時間按6 h計算，每組蓄電池放電間隔10 min，那么1天至少可完成5～6組蓄電池的核對性放電。這樣可以通過多次淺容量放電檢測蓄電池狀態(tài)，因此除每年4－5月進行一次50%容量的核對性放電外，還可在10－11月對蓄電池進行一次淺容量放電檢測，放電容量控制在30%以內(nèi)，終止電壓的設定不小于2V。對于運行接近規(guī)定年限的蓄電池還可根據(jù)健康狀況適當增加放電檢測的次數(shù)，以便了解蓄電池狀況，及時發(fā)現(xiàn)問題嚴重的蓄電池。

3 結語

通過直流電源監(jiān)控系統(tǒng)對直流電源進行狀態(tài)檢測，尤其是實施蓄電池遠程放電，確實存在一定風險，如電池爆裂、容量耗盡、開路等。為了避免這些突發(fā)事件的發(fā)生，應嚴格控制蓄電池放電電流及放電的深度，防止通過遠程放電方式進行全容量核對性放電，放電深度應嚴格控制在額定容量的50%以內(nèi)。經(jīng)驗表明，對一些性能明顯劣化的電池，當放出其額定容量的30%乃至10%，就可以被檢測出來。通過這種靈活的檢測方法，獲得蓄電池的狀態(tài)信息，并與原始數(shù)據(jù)（滿容量時）進行比對，預測蓄電池可能的保有容量、運行壽命，可以達到與全容量核對性放電同樣的效果。