一種在線式整組蓄電池維護(hù)裝置的 研究與設(shè)計(jì)

毛 焱 黃永東

（廣東電網(wǎng)公司中山供電局，廣東 中山 528400）

電力系統(tǒng)中直流電源系統(tǒng)是由充電裝置、免維護(hù)鉛酸蓄電池、饋出回路、調(diào)壓裝置和相關(guān)的控制、測量、信號、保護(hù)、調(diào)節(jié)單元等設(shè)備組成，為控制、信號、繼電保護(hù)、自動裝置及事故照明等提供可靠的工作電源。隨著投運(yùn)年限的不斷增加，直流系統(tǒng)中蓄電池組經(jīng)常會出現(xiàn)單體蓄電池端電壓參差不齊的現(xiàn)象。端電壓過高的蓄電池會出現(xiàn)過充，長期過充會嚴(yán)重影響蓄電池的使用壽命；端電壓過低的蓄電池會出現(xiàn)欠充，影響整組蓄電池的運(yùn)行效率。由此可見，合理調(diào)節(jié)整組蓄電池的單體電壓對電池本身及整組蓄電池都有著重要意義。目前，變電站維護(hù)人員一般采用蓄電池活化或補(bǔ)充電的方式對劣化初期的蓄電池進(jìn)行維護(hù)處理，但是該種方法需將蓄電池拆離整組后再單獨(dú)處理，工作量大，效率低。因此設(shè)計(jì)一種在線式整組蓄電池維護(hù)裝置對變電站直流系統(tǒng)顯得尤為重要。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 直流系統(tǒng)工作原理

如圖1所示，交流屏提供交流輸入并通過交流配電單元為充電機(jī)供給電源，充電機(jī)將交流電變換為220V/110V 直流電，該直流輸出一方面提供給直流母線滿足直流負(fù)載的需求，另一方面給蓄電池組充電。正常狀態(tài)下，蓄電池組處于浮充電狀態(tài)，浮充電流補(bǔ)償蓄電池自放電，而變電站直流負(fù)載需求完全由充電機(jī)提供。當(dāng)交流輸入或充電機(jī)輸出發(fā)生故障時(shí)，蓄電池組及時(shí)給直流母線充電，滿足直流負(fù)載需求，保證直流系統(tǒng)正常工作。

圖1 變電站直流系統(tǒng)工作原理簡明示意圖

1.2 LT1083 介紹

LT1083芯片[1]是高效率線性可調(diào)穩(wěn)壓器，能最大限度地減小過載條件下穩(wěn)壓器和電源電路上承受的應(yīng)力件，并高效率提供7.5A、5A 和3A 輸出電流。片內(nèi)修整把輸出電壓準(zhǔn)確度調(diào)節(jié)至1%，其電壓調(diào)整率為0.015%，負(fù)載調(diào)整率為0.01%。與PNP 穩(wěn)壓器（約10%的輸出電流作為靜態(tài)電流被消耗）不同，LT1083的靜態(tài)電流將流入負(fù)載，從而提升了效率，LT1083引腳圖如圖2所示。

圖2 LT1083 引腳圖

1.3 維護(hù)裝置工作原理

該維護(hù)裝置能在線適用于整組蓄電池，當(dāng)長期 運(yùn)行的蓄電池組出現(xiàn)單體電壓不一致現(xiàn)象時(shí)，將蓄電池組中各個(gè)單體電池加裝該維護(hù)裝置，如圖3所示。當(dāng)某一過充單體蓄電池端電壓高于上門檻值[6]時(shí)（可調(diào)，本裝置設(shè)為2.260V），維護(hù)裝置導(dǎo)通，工作指示燈點(diǎn)亮，此時(shí)維護(hù)裝置開始對該單體蓄電池恒流放電，并通過輔助旁路對整組中其他欠充蓄電池補(bǔ)充電；而當(dāng)該蓄電池端電壓低于下門檻值時(shí)（可調(diào)，本裝置設(shè)為2.246V），維護(hù)裝置將退出運(yùn)行，工作指示燈熄滅。利用整組蓄電池中各自維護(hù)裝置的反復(fù)導(dǎo)通與截止，從而使欠充及過充蓄電池同時(shí)得到優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)整組蓄電池維護(hù)目的，提高了蓄電池維護(hù)效率。另外，該維護(hù)裝置發(fā)生故障時(shí)能立即燈光告警，大電壓沖擊試驗(yàn)、電源線反接試驗(yàn)均不會對蓄電池造成惡劣影響，維護(hù)裝置安全性能滿足變電站運(yùn)行要求。

圖3 在線式整組蓄電池維護(hù)裝置應(yīng)用原理圖

1.4 維護(hù)裝置電路設(shè)計(jì)

維護(hù)裝置電路[2]由電壓采集電路、驅(qū)動電路、光電監(jiān)視電路和恒流電路四部分組成，完整電路圖如圖4所示。

圖4 在線式整組蓄電池維護(hù)裝置PCB 電路圖

其中，電壓采集電路能高精度實(shí)時(shí)采集蓄電池端電壓，并通過高增益集成運(yùn)放電路將端電壓處理并送至下一級電路，電壓采集誤差不高于1mV。驅(qū)動電路[3]由遲滯電壓比較器和NPN 型三極管組成，基準(zhǔn)電壓精確穩(wěn)定，誤差小于0.5mV，驅(qū)動能力強(qiáng)。恒流電路由低壓差恒流器和限流電阻組成，控制IC三端可調(diào)，電壓調(diào)整率僅為0.015%，功耗低，電路效率高。光電監(jiān)視電路由發(fā)光二極管D1、D4、D5及其外圍電路組成，具有電路反接、斷線、短路告警，以及正常狀態(tài)工作指示功能。

此外，為了便于批量生產(chǎn)，提高設(shè)計(jì)效率，我們制作了PCB 電路圖，如圖5所示。

最終，通過合理選擇電路元器件、電源線、電源夾、指示燈、設(shè)計(jì)裝置外殼，制作出一套安全、可靠、便攜的在線式整組蓄電池維護(hù)裝置。該裝置重量小于100g，體積小于200cm3，采樣誤差不大于1.5mV，維護(hù)裝置實(shí)物如圖6所示。

圖5 在線式整組蓄電池維護(hù)裝置PCB 電路圖

圖6 在線式整組蓄電池維護(hù)裝置實(shí)物圖

2 維護(hù)裝置試驗(yàn)及結(jié)果

2.1 維護(hù)裝置實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)及結(jié)果

利用實(shí)驗(yàn)室工具，選擇三個(gè)型號相同的單體蓄電池（#1 單體初始電壓為2.437V、#2 單體初始電壓為2.285V、#3 單體初始電壓為2.034V）用作實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。

圖7 維護(hù)裝置實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

試驗(yàn)過程中，每隔0.5h 對蓄電池端電壓進(jìn)行記錄，如圖7所示。從圖中可以清晰發(fā)現(xiàn)，過充的#1單體經(jīng)過 10h 的維護(hù)處理后，最終端電壓達(dá)到2.246～2.260V 的預(yù)設(shè)電壓區(qū)間；欠充的#3 單體在維護(hù)處理后，端電壓緩慢上升，最終達(dá)到預(yù)設(shè)電壓區(qū)間。#2 單體由于其維護(hù)裝置反復(fù)導(dǎo)通截止，端電壓在預(yù)設(shè)電壓范圍內(nèi)波動。

2.2 維護(hù)裝置站端試驗(yàn)及結(jié)果

鑒于維護(hù)裝置實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果理想，我們選用中山供電局110kV 張溪變電站（中山供電局培訓(xùn)基地）#1 蓄電池組作為維護(hù)裝置站端試驗(yàn)對象，如圖8所示。

圖8 在線式整組蓄電池維護(hù)裝置站端試驗(yàn)圖

經(jīng)過將近一周維護(hù)試驗(yàn)后，張溪站#1 蓄電池組各單體端電壓均達(dá)到2.246～2.260V 的預(yù)設(shè)區(qū)間，試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

3 結(jié)論

利用在線式整組蓄電池維護(hù)裝置能在不拆除單體蓄電池的情況下使需維護(hù)的欠充及過充蓄電池同時(shí)得到優(yōu)化，避免了拆裝蓄電池所造成的人身、設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也解決了單獨(dú)處理蓄電池后運(yùn)行效果不佳的難題。

[1] Linear Technology Corporation. LT1083 Datasheet (PDF)-Linear Technology. http://www.linear.com

[2] 劉暢生,王博一,王家榮. 電源集成電路實(shí)用速查手冊[M]. 北京: 中國電力出版社,2010.

[3] 沙占友,龐志鋒. 開關(guān)電源外圍元器件選擇與檢測[M]. 北京: 中國電力出版社,2009.

[4] 秦鳴峰. 蓄電池的使用與維護(hù)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,2011.

[5] 中國電力企業(yè)聯(lián)合會. 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn):電氣裝置安裝工程蓄電池施工及驗(yàn)收規(guī)范. GB 50172—2012 中國標(biāo)準(zhǔn)書號[S]. 北京: 中國計(jì)劃出版社,2012.

[6] 廣東電網(wǎng)公司變電站直流電源系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范. Q/GD001 1176.03—2008. 廣州: 廣東電網(wǎng)公司,2008.