納米硅膠體蓄電池在變電站直流電源系統(tǒng)中的應(yīng)用

韓志凌，張勝寶

(1.承德石油高等?？茖W(xué)校，河北 承德 067000;2.河北省儀器儀表工程技術(shù)研究中心，河北 承德 067000;3.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518001)

在傳統(tǒng)變電站中，蓄電池是站用電源的核心設(shè)備，包括操作蓄電池組、通信蓄電池組、UPS蓄電池組等。它們?yōu)樾盘柣芈?、控制回路、合閘回路、變電站綜合自動化、站內(nèi)應(yīng)急照明提供動力電源，關(guān)系到變電站一、二次設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，可以說蓄電池是站用電源的心臟。鉛酸蓄電池憑借其價格低廉、原材料易于獲得、供電可靠性高、適用于大電流放電等優(yōu)點(diǎn)，在變電站的直流電源系統(tǒng)中一直占有很大的比重。

目前，傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池面臨兩個方面[1-2］的問題:一方面，現(xiàn)有的鉛酸蓄電池由于其循環(huán)壽命較短、維護(hù)較難的問題，其主導(dǎo)地位正面臨著鋰電池、全釩液流電池[3］、燃料電池等新興電池的沖擊。另一方面，從2012年7月1日起，由工信部與環(huán)保部共同制定的《鉛蓄電池行業(yè)準(zhǔn)入條件》正式實(shí)施，由于鉛酸電池廢料的難以回收性，意味著鉛酸蓄電池整個行業(yè)將面臨巨大的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)鉛酸蓄電池要想繼續(xù)在變電站用蓄電池中占有一席之地，必須要解決自身的問題，而納米硅膠體蓄電池是一種新型的經(jīng)過技術(shù)改進(jìn)的鉛酸蓄電池，在一定程度上解決了上述問題。

1 納米硅膠體蓄電池材料及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

目前，國內(nèi)外采用納米氣相SiO2(Fumed SiO2，俗稱白炭黑)制作膠體鉛酸蓄電池，由于二氧化硅純凈度好、顆粒度易調(diào)整，因此，蓄電池的活性好，性能優(yōu)良。納米硅膠體蓄電池的材料與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下。

1.1 材料特點(diǎn)

1)蓄電池極板的活性物質(zhì)中，添加了納米級硅碳材料、稀土材料以及銀、鉍等材料;隔板采用碳素纖維材料;外殼采用ABS與PP材料復(fù)合技術(shù)[4］。

其效用在于:電解液不分層，提高了電池極板的利用率，蓄電池容量提高30%以上，使用壽命延長50% ～100%，蓄電池工作溫度范圍可達(dá)到－40℃ ～+55℃(一般蓄電池為－20℃ ～+40℃)。

2)蓄電池電解液主要由15～20 nm的德國原產(chǎn)氣相二氧化硅為凝膠劑，添加有穩(wěn)定劑、增能劑、絡(luò)合劑等化學(xué)添加劑，其工藝為直接分散法制作。

其效用在于:蓄電池組的一致性較好，蓄電池單體電壓偏差在20 mV之內(nèi)(閥控鉛酸蓄電池一般電壓偏差在100 mV之內(nèi)，一般膠體蓄電池的電壓偏差超過100 mV)。

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

在極柱上套有兩個耐酸橡膠密封圈，密封圈內(nèi)徑小于極柱外徑，實(shí)現(xiàn)緊密配合。其作用在于:下密封圈置于電池殼極柱下面，當(dāng)電池內(nèi)壓增加時，密封圈越壓越緊，上密封圈置于電池殼極柱上面，并加有一個塑料鎖緊扣，以固定上密封圈，不會產(chǎn)生酸霧從極柱四周析出，防止極柱腐蝕斷裂。

銅極柱采用預(yù)鍍錫工藝及倒三角匯流排設(shè)計，解決蓄電池大電流充/放電時溫升過高的弊端，進(jìn)一步減小蓄電池內(nèi)阻;采用雙向預(yù)壓縮技術(shù)，解決各單體內(nèi)每片極板吸膠量完全相同的技術(shù)瓶頸，從根本上解決了蓄電池組一致性的問題;采用極群自動進(jìn)槽、焊接、全自動電腦控制加巡檢的化成設(shè)備及集中酸霧處理技術(shù)，從源頭上改變了蓄電池廠綠色環(huán)保、無污染的生產(chǎn)工作。

新型納米硅膠體蓄電材料結(jié)合閥控式結(jié)構(gòu)，是針對傳統(tǒng)的閥控式鉛酸蓄電池的改善。有鉛酸使用量少、無污染、零排放、高低溫性能優(yōu)秀、使用壽命長的特點(diǎn)，比較符合變電站直流電源系統(tǒng)的環(huán)保要求和苛刻環(huán)境下保障設(shè)備供電正常方面的要求。

2 納米硅膠體蓄電池性能特點(diǎn)

通過不同廠家、型號的蓄電池運(yùn)行特性試驗(yàn)，表1給出了目前使用較多及研究熱門的蓄電池的特性。

經(jīng)綜合比較發(fā)現(xiàn)，

1)在能量比、循環(huán)次數(shù)方面，閥控式鉛酸蓄電池并不占優(yōu)勢，但蓄電池組的一致性與可靠性較高;

2)鋰電池的能量比、循環(huán)次數(shù)明顯優(yōu)于閥控式鉛酸蓄電池，但由于鋰電池中的鋰元素非?；顫姡瑢?dǎo)致鋰電池的自放電過快，故蓄電池一致性上很難達(dá)到較高要求。其次，鋰電池在可靠性方面中仍面臨很多問題，如電池成組規(guī)模龐大，連接復(fù)雜;電池成組中單體數(shù)量龐大，不能出現(xiàn)過充過放的情況，否則會引起爆炸起火的危險。另外，經(jīng)濟(jì)性方面，鋰電池的成本一直居高不下。

3)在鉛酸蓄電池中摻雜納米膠體活性添加劑而制成的納米硅膠體蓄電池，隨著納米技術(shù)和高分子合成技術(shù)的進(jìn)展，表面活性劑和硅、硼、鈦、鋁等聚合偶聯(lián)劑綜合合成技術(shù)的突破性進(jìn)展，其循環(huán)壽命和能量比、一致性與可靠性都要優(yōu)于鋰電池;在環(huán)保方面也無回收壓力。

表1 常見蓄電池主要特性

3 納米硅膠體蓄電池在變電站直流電源系統(tǒng)中的應(yīng)用

變電站的直流電源系統(tǒng)包括由硅整流器供電的直流電源系統(tǒng)和由蓄電池供電的直流系統(tǒng)兩大類[5］。而由蓄電池供電的直流電源系統(tǒng)是一種與電力系統(tǒng)運(yùn)行方式無關(guān)的獨(dú)立電源系統(tǒng)，在變電站發(fā)生故障甚至交流電壓完全消失的情況下仍能可靠工作，因此，具有較高的供電可靠性。傳統(tǒng)的站用蓄電池由于運(yùn)行維護(hù)工作量大、使用壽命較短、價格較貴，并需要許多輔助設(shè)備，限制了其適用范圍。而納米硅膠體蓄電池有效地改善了傳統(tǒng)的閥控式鉛酸蓄電池的缺點(diǎn)，更適合應(yīng)用于變電站直流電源系統(tǒng)中。

3.1 納米硅膠體蓄電池的工作溫度范圍寬

普通閥控型鉛酸蓄電池最合理的工作溫度是25℃，溫度過高會導(dǎo)致蓄電池的極板腐蝕加劇、水分消耗過高，造成蓄電池壽命縮短[6］，因此，使用普通閥控型鉛酸蓄電池時需要控制好電池室內(nèi)的溫度。納米硅膠體蓄電池工作溫度范圍為－40℃ ～+55℃，對溫度要求不高，無需安裝空調(diào)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，減少輔助設(shè)備投資，節(jié)約成本;同時電池對溫度變化不敏感，溫度變化對電池活性物質(zhì)的影響不大，使電池的使用壽命得到進(jìn)一步延長。

3.2 納米硅膠體蓄電池的設(shè)備定檢次數(shù)少

電池容量核對性檢查的目的是檢查蓄電池組的荷載量以及進(jìn)行蓄電池活化。傳統(tǒng)蓄電池要求每2～3年進(jìn)行一次核容檢查，投運(yùn)六年后，每年進(jìn)行一次核容檢查。

納米硅膠體蓄電池電解液中含有一種能有效溶解硫酸鉛的絡(luò)合劑，因此電池容量核對性檢查的期限周期比較長。納米硅膠體蓄電池投運(yùn)五年后才需進(jìn)行核容檢查，以后每三年進(jìn)行一次核容檢查即可，同時每年進(jìn)行一次短時放電監(jiān)測，減少了設(shè)備的定檢次數(shù)。

3.3 納米硅膠體蓄電池的維護(hù)工作量小

當(dāng)普通閥控鉛酸蓄電池在放電深度超過20%、閑置時間超過三個月以上、長期全浮充時間超過三個月時，單體電池的電壓和容量可能會出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象，此時需要對電池進(jìn)行均衡充電，以延長蓄電池的使用壽命。另外，為確保普通鉛酸蓄電池良好的運(yùn)行狀態(tài)，需要經(jīng)常檢查蓄電池的端電壓、連接處有無松動和腐蝕、殼體有無滲漏和變形，保持電池極柱的清潔并涂抹凡士林油等工作。

由于納米硅膠體蓄電池的自放電率較低，作為備用蓄電池組，容量降低的速度非常緩慢，能減少備用蓄電池組的維護(hù)工作量，延長了蓄電池組的使用壽命。

4 結(jié)語

通過與各類蓄電池的特性比較，納米硅膠體蓄電池具有以下優(yōu)點(diǎn):

1)儲備容量高，可以達(dá)到國標(biāo)容量的1.5倍以上。

2)充電接受能力強(qiáng)，可以達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)的2倍以上。

3)可實(shí)現(xiàn)快速充電，采用硅能蓄電池專用充電裝置在0.5 h內(nèi)完成充電。

4)自放電速度慢。完全充電后，常溫存放2年仍可正常使用。

5)可大電流放電，達(dá)到10～20 C。8 s內(nèi)20 C放電時電池不損傷，并可深度放電至0.5V/格。

6)工作極限溫度寬，在－40℃條件下，容量仍可保持在80%以上。

7)生產(chǎn)和使用時無酸霧、無漏酸漏液，安全、環(huán)保。

8)使用壽命長，循環(huán)次數(shù)高。在25±5℃環(huán)境溫度下，大于1 200次。全充全放循環(huán)壽命大于500次。

由此可見，納米硅膠體蓄電池在改進(jìn)原有的閥控式膠體蓄電池缺點(diǎn)的同時，也比現(xiàn)有的鋰蓄電池要安全可靠;可以承受大電流的充放電、能在更寬的溫度范圍下運(yùn)行，更加適應(yīng)變電站的運(yùn)行環(huán)境及條件。其維護(hù)成本、環(huán)境污染成本均低于目前在用的各類蓄電池，對于變電站的直流電源系統(tǒng)是一個綜合效益更為可觀的選擇。

[1]王者恭.固定型鉛酸蓄電池的運(yùn)行維護(hù)要點(diǎn)[J］.蓄電池，1996，26(1):44－45.

[2]勾長虹，杜津玲.鉛酸蓄電池充電接受能力及充電方式選擇[J］.電源技術(shù)，1996，20(6):243－247.

[3]王海江，扈顯琦，田戈.無紙記錄儀在全釩液流電池管理系統(tǒng)中的應(yīng)用[J］.承德石油高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2013，15(3):31－35.

[4]張書元.納米硅膠體鉛酸蓄電池[J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2009，12(4):1－4.

[5]王艷華.工業(yè)企業(yè)供電[M］.北京:中國電力出版社，2006.

[6]鄭衛(wèi)東，殷合香.閥控型密封鉛酸蓄電池的維護(hù)[J］.水電站機(jī)電技術(shù)，2008(5):45－46.