變電站直流系統(tǒng)蓄電池在線維護技術(shù)研究及應(yīng)用

柴玉紅，王潤琴，楊愛晟

（國網(wǎng)山西省電力公司晉中供電公司，山西晉中030600）

變電站直流系統(tǒng)蓄電池在線維護技術(shù)研究及應(yīng)用

柴玉紅，王潤琴，楊愛晟

（國網(wǎng)山西省電力公司晉中供電公司，山西晉中030600）

分析了直流系統(tǒng)蓄電池運行、維護現(xiàn)狀，提出了一種新型蓄電池在線電壓巡檢、內(nèi)阻測試和動態(tài)均衡維護技術(shù)方案，實現(xiàn)蓄電池的狀態(tài)檢修；給出了該方案的技術(shù)原理，詳細闡述了方案的各組成部分，并通過應(yīng)用實例證明其具有良好的工程實用性。

直流電源；蓄電池；動態(tài)均衡；電壓巡檢；內(nèi)阻測試

0 引言

直流系統(tǒng)在變電站中為自動化控制、繼電保護、信號、事故照明及開關(guān)操作等提供直流用電，直流系統(tǒng)的可靠與否對變電站的安全運行起著至關(guān)重要的作用，是變電站安全運行的保證[1]?，F(xiàn)在直流系統(tǒng)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。其中蓄電池是直流系統(tǒng)的關(guān)鍵和核心，是直流電源安全供電的最后保障，一旦出現(xiàn)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(tài)，后果不堪設(shè)想。

為此，基于現(xiàn)有直流系統(tǒng)蓄電池運行、維護現(xiàn)狀，本文設(shè)計了一種新型蓄電池在線維護技術(shù)方案，實現(xiàn)了蓄電池的在線電壓巡檢、內(nèi)阻測試和動態(tài)均衡，并進行了實際應(yīng)用驗證。

1 蓄電池運行及維護現(xiàn)狀

目前，變電站直流系統(tǒng)中，閥控式密封鉛酸VRLA(Valve Regulated Lead Acid)蓄電池成為主流，具有密封無泄漏、環(huán)保無污染、成本低廉、性能穩(wěn)定、運行經(jīng)驗成熟等優(yōu)點。維護也相對簡單，一般是運維人員定期清掃、電壓測量，并依據(jù)電力規(guī)程進行放電試驗核對容量。核對性放電是目前測試蓄電池容量最直接、最準(zhǔn)確的方法，但費時、費力，對蓄電池也有一定傷害，不可頻繁進行。為了滿足母線電壓的要求，直流系統(tǒng)蓄電池需多只串聯(lián)成組使用，這種運行方式，本身存在先天不足，雖然蓄電池組各單體充放電電流一致，但由于電池極板、電解液等組成部件及自放電的差異，使得整組電池的一致性變差，出現(xiàn)過欠充、容量衰減現(xiàn)象，而且隨著時間的推移，各單體電池電壓更加不均衡，而且這種趨勢還會逐步加速，正是這種惡性循環(huán)極大地縮短了蓄電池組的使用壽命[2]。當(dāng)前，蓄電池的檢測和維護裝置，僅局限于電池巡檢儀、放電儀、內(nèi)阻測試儀等，但都存在功能單一、只能檢測不能維護的缺點。傳統(tǒng)的定期（180 d）蓄電池均充維護，是為了提高個別充電不足單體電池的電壓，人為地對整組電池進行所謂的“均衡充電”，希望能夠恢復(fù)欠沖電池容量，提升單體電池電壓一致性，實際上卻犧牲了大部分正常單體電池的性能，反而可能有損電池組的使用壽命及可靠性。因此對蓄電池進行在線電壓、內(nèi)阻檢測和實時均衡維護，實現(xiàn)蓄電池狀態(tài)檢修，是直流系統(tǒng)的一個重要發(fā)展趨勢。

2 技術(shù)原理

2.1 蓄電池均衡原理及策略

本文采用雙向DC/DC變換器低充高放控制原理，趨勢預(yù)估提前介入控制策略，實現(xiàn)串聯(lián)蓄電池組在線均衡。雙向DC/DC變換器低充高放均衡原理見圖1。

圖1 電池均衡原理圖

雙向DC/DC變換器高壓側(cè)連接直流母線KM，其低壓側(cè)經(jīng)由開關(guān)K1—K n連接蓄電池組各單體電池；電池組充電電流主要還是靠直流系統(tǒng)充電機提供，只是個別欠充單體電池接通對應(yīng)開關(guān)利用雙向DC/DC變換器從直流系統(tǒng)母線攝取電能進行補充電，過充電池接通對應(yīng)開關(guān)經(jīng)由雙向DC/DC變換器對直流母線進行旁路放電。在均衡過程中，始終挑選電壓偏差最多的電池進行操作，以此類推，最終實現(xiàn)整個電池組的均衡。

趨勢預(yù)估提前介入控制策略是指在蓄電池組充放電過程中，尤其是在電池均充和故障放電時，如果等某些單體電池電壓超出規(guī)程規(guī)定的上下限時才進行均衡，由于主回路充放電電流較大，均衡效果緩慢，這樣對該電池就會產(chǎn)生較長時間的過欠沖，從而造成傷害。因此，依據(jù)趨勢預(yù)估原理，實時比較各單體電池和電池組平均單體電壓差，差值超過某一設(shè)定值時，就預(yù)測該電池未來有較大可能欠過沖，提前介入進行均衡操作，從而杜絕了對電池造成實質(zhì)傷害的可能性。

2.2 電池內(nèi)阻在線測量方法

基于四線制接線方式，以測試模塊為單位把蓄電池組分為多個單元小段，依次在每個單元段內(nèi)采用直流法進行蓄電池內(nèi)阻測量，測試原理如圖2所示。

圖2 電池內(nèi)阻在線測試原理圖

測試過程如下：測試模塊控制接通放電電阻R0對相應(yīng)電池段進行瞬間直流放電，測量放電電流I0，同時通過多路轉(zhuǎn)換器MUX依次接通該段內(nèi)各單體電池，測得放電前后各電池電壓值Ui1、Ui2，得出其壓降ΔUi，再利用歐姆定理求得電池內(nèi)阻。

因電池組分為多個單元段，每單元段電池數(shù)目遠小于整組電池個數(shù)，單元段電池放電和充電機浮充電流之間的相互影響很小，這樣就克服了傳統(tǒng)電池內(nèi)阻直流放電測試法——電池組必須脫離直流母線——的不足，從而實現(xiàn)蓄電池內(nèi)阻在線測量。

3 方案設(shè)計

采用DCS集散控制模型，由監(jiān)控裝置和均衡內(nèi)阻采集模塊兩部分組成；監(jiān)控裝置通過RS485總線將多個均衡內(nèi)阻采集模塊連接到一起，構(gòu)成整個蓄電池均衡內(nèi)阻采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)對變電站蓄電池內(nèi)阻、電壓、電流、溫度等的在線監(jiān)測，并對蓄電池進行自動均衡，使每節(jié)電池處于同等的工作狀態(tài)，防止電池過充、欠充，避免蓄電池組出現(xiàn)長期不均衡而損壞電池，給蓄電池提供一個理想的運行工況，延長其使用壽命；同時比較電池內(nèi)阻相對變化量，能及時發(fā)現(xiàn)電解液干涸、匯流排斷裂、極板腐蝕過度、連接條松動、電池開路等隱性缺陷并預(yù)警，增強直流系統(tǒng)運行的安全性。

3.1 監(jiān)控裝置

監(jiān)控裝置配置ARM系列微處理器，5.7寸彩色液晶屏，采用基于iCoupler磁耦隔離技術(shù)的RS-485收發(fā)器，通過RS485總線與均衡內(nèi)阻采集模塊通訊，對蓄電池進行動態(tài)均衡和內(nèi)阻、電壓、溫度在線監(jiān)測，收集上傳數(shù)據(jù)，并以報表、曲線，柱狀圖等多種形式靈活呈現(xiàn)。蓄電池電壓、內(nèi)阻、溫度、電流等超出閥值時及時向用戶提出告警；運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，對測試數(shù)據(jù)進行自動分析，在線找出失效或即將失效電池；可就地操作控制，同時預(yù)留串行通訊接口RS232、RS485及局域網(wǎng)RJ45端口，具備“四遙”功能，擴展性能良好。3.2均衡內(nèi)阻采集模塊

均衡內(nèi)阻采集模塊集成了在線電壓巡檢、內(nèi)阻測試和動態(tài)均衡三大功能，下放式安裝，通過RS485總線，連接監(jiān)控裝置。在線采集多路電池電壓、溫度。根據(jù)所采集數(shù)據(jù)，采用雙向DC/DC變換器低充高放控制原理，趨勢預(yù)估提前介入控制策略，智能判斷，適時啟動均衡功能，使電能在直流母線和過欠充單體電池之間合理流動，以環(huán)保節(jié)能方式，保證了電池組電壓的一致性；同時在以模塊為單位的電池單元段內(nèi)，基于四線制接線方式，采用直流瞬間放電法進行蓄電池內(nèi)阻測量，為判斷電池隱性缺陷提供依據(jù)。模塊接線采用插接件方式，接線、維護方便，并帶有可恢復(fù)保險，杜絕因模塊內(nèi)部故障短路電池造成的隱患，大大降低了在線維護風(fēng)險。

4 工程應(yīng)用

2012年5月，應(yīng)用該方案對220 kV北田變電站進行改造，該站直流電源系統(tǒng)是單母線分段接線，2組蓄電池，配置1臺監(jiān)控裝置和2套均衡內(nèi)阻采集模塊。均衡前蓄電池組最大單體電池壓差達127mV，遠超50mV的電力標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[3]，均衡后最大單體電池壓差為6mV，均衡效果明顯，達到了預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。

2013年8月對北田站2組蓄電池（300AH，2004年投入運行）進行年度核對性容量試驗，單體電池最大開路電壓差只有40mV，放出100%容量后，單體最低電壓1.84 V，2組電池性能良好，遠遠超出預(yù)期，達到了同類蓄電池組的最佳運行狀態(tài)。

5 結(jié)論

目前變電站直流系統(tǒng)蓄電池的運行維護技術(shù)還相對落后、單一，處于一種只檢測不維護狀態(tài)，無法滿足狀態(tài)檢修維護的要求。本文提出了一種變電站直流系統(tǒng)蓄電池在線維護技術(shù)方案，給出了該方案的技術(shù)原理，闡述了方案的組成設(shè)計，并進行了實地應(yīng)用。從現(xiàn)場情況來看，該方案實現(xiàn)了蓄電池組的在線電壓巡檢、內(nèi)阻測試和動態(tài)均衡，使電池處于最佳工作狀態(tài)，保證了蓄電池的一致性，并能及時預(yù)警電池的隱性缺陷。建議今后在直流系統(tǒng)設(shè)計階段即考慮配置蓄電池均衡維護裝置，對實測數(shù)據(jù)自動分析，自動預(yù)警，積累運行經(jīng)驗后，可逐步延長蓄電池核對性容量試驗周期，達到有效延長蓄電池組使用壽命，節(jié)約蓄電池定期維護和容量試驗成本之目的。

［1］田羽，何仲，范春菊.變電站蓄電池容量計算和算法改進［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38（22）：210.

［2］趙軍，石光，王浩彬，等.變電站直流電源遠程監(jiān)控及維護系統(tǒng)的設(shè)計［J］.水電能源科學(xué)，2012，（4）：149.

［3］中華人民共和國國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會.DL/T724—2000電力系統(tǒng)用蓄電池直流電源裝置運行與維護技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國電力出版社，2001.

Research and App lication of On-line M aintenance Technology for DC System Battery in Substations

CHAIYu-hong，WANG Run-qin，YANG Ai-sheng
（State Grid Jinzhong Power Supp ly Com pany，Jinzhong，Shanxi 030600，China）

The presentoperation andmaintenance conditionsofDC powerbattery are analyzed.A new technicalproposalon battery on-line dynamic equalizing，voltage itinerant detect and inherent resistance test is proposed，the technology principles are presented，and itscomponentsare described in detail.A case ofapplication proved ithassignificantengineering practicability.

DC power；battery；dynamic equalizing；voltage itinerantdetect；inherent resistance test

TM912

B

1671-0320（2014）05-0011-03

2014-07-10，

2014-08-20

柴玉紅（1967-），男，山西長子人，2004年畢業(yè)于天津工業(yè)大學(xué)信息管理專業(yè)，工程師，從事變電運行技術(shù)管理工作；

王潤琴（1965-），女，山西祁縣人，1987年畢業(yè)于太原工學(xué)院電力分院電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，高級工程師，從事電力系統(tǒng)職工教育培訓(xùn)工作；

楊愛晟（1969-），男，山西壽陽人，2007年畢業(yè)于太原工業(yè)大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，高級工程師，高級技師，從事變電運行技術(shù)管理工作。