鉛酸蓄電池充放電的監(jiān)測(cè)和控制

林立鵬,鄭曉玲，吳江一

(1.廣東電網(wǎng)責(zé)任有限公司 佛山供電局， 廣東 佛山 528000；2.國(guó)網(wǎng)重慶電力公司 江北供電分公司，重慶404100)

鉛酸蓄電池充放電的監(jiān)測(cè)和控制

林立鵬1,鄭曉玲2，吳江一1

(1.廣東電網(wǎng)責(zé)任有限公司 佛山供電局， 廣東 佛山 528000；2.國(guó)網(wǎng)重慶電力公司 江北供電分公司，重慶404100)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求越來(lái)越提高，進(jìn)而提高了對(duì)變電站蓄電池及直流電源的要求。我國(guó)電力系統(tǒng)變電站所使用的蓄電池維護(hù)技術(shù)成本較高，效果也不太理想，最終影響了蓄電池的性能。本文分析了鉛酸蓄電池充放電的監(jiān)測(cè)和控制指標(biāo)、蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成及系統(tǒng)應(yīng)用的實(shí)際效果。

鉛酸蓄電池；充放電；監(jiān)測(cè)；控制

National Grid Chongqing Electricity Company，Chongqing 404100，China)

在變電站直流供電系統(tǒng)中，蓄電池的作用非常重要，其主要功能是為變電站的二次系統(tǒng)提供電力保障，使其更加穩(wěn)定、安全、可靠，實(shí)現(xiàn)變電站的控制和保護(hù)，實(shí)現(xiàn)通信設(shè)備有序運(yùn)行；所以，加強(qiáng)蓄電池的穩(wěn)定性和充放電檢測(cè)、控制，確保其提供給負(fù)載的實(shí)際容量，對(duì)電力設(shè)備的安全運(yùn)行意義重大。在變電站直流系統(tǒng)中應(yīng)用的鉛酸蓄電池一般為閥控式密封鉛酸蓄電池，由于閥控式密封結(jié)構(gòu)比較特殊，因此對(duì)于蓄電池的運(yùn)行狀況不能準(zhǔn)確把握，一旦蓄電池發(fā)生故障，將會(huì)給電力系統(tǒng)造成不可估量的損失。

由于蓄電池供電可靠性對(duì)電力系統(tǒng)的影響較大，因此很多電力企業(yè)采用先進(jìn)的蓄電池監(jiān)測(cè)方法確保蓄電池的正常運(yùn)行。廣東電網(wǎng)責(zé)任有限公司佛山供電局應(yīng)用蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)蓄電池的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。應(yīng)用蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之后，降低了工作人員的蓄電池運(yùn)行維護(hù)工作量，并實(shí)時(shí)掌握蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)的性能變化，可以防患于未然，避免問(wèn)題的發(fā)生，保證變電站直流系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性[1-2]。

1 鉛酸蓄電池充放電的監(jiān)測(cè)和控制指標(biāo)分析

蓄電池的性能和使用壽命與蓄電池在工作時(shí)的電壓、溫度、充放電電流、內(nèi)阻和容量有關(guān)。當(dāng)蓄電池充電電壓過(guò)大時(shí)，會(huì)加劇蓄電池內(nèi)部水的電解反應(yīng)，最終導(dǎo)致蓄電池干涸繼而壽命終止，同時(shí)還會(huì)加劇腐蝕蓄電池內(nèi)部正極板柵，損壞蓄電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)；而蓄電池過(guò)度放電時(shí)，會(huì)生成大量硫酸鉛，導(dǎo)致蓄電池電極鈍化，失去供電作用；蓄電池內(nèi)部溫度過(guò)高，會(huì)出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象，導(dǎo)致內(nèi)部硫酸流出來(lái)污染設(shè)備和環(huán)境。而當(dāng)蓄電池充放電電流過(guò)大時(shí)，正極板收縮太快且不均，使正極板彎曲膨脹變形，影響蓄電池壽命；充電電流過(guò)小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致蓄電池負(fù)極硫酸鹽化，使其性能下降。在設(shè)計(jì)蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí),可以將這些參數(shù)設(shè)置極限值,當(dāng)檢測(cè)到有蓄電池參數(shù)達(dá)到這些極限值時(shí)，給管理維護(hù)人員報(bào)警,可有效減少因蓄電池故障帶來(lái)的損失。

通過(guò)上述分析可知，變電站蓄電池需要監(jiān)測(cè)的指標(biāo)較多，如充放電電流、蓄電池組的組電壓、單體電池的內(nèi)阻、電壓和溫度等數(shù)據(jù)。判斷蓄電池使用壽命的長(zhǎng)短往往是依據(jù)電池的剩余容量能否滿足機(jī)房的基本工作要求。通過(guò)放電檢測(cè)判斷電池實(shí)際容量的方法風(fēng)險(xiǎn)極大，工作量大，且耗電費(fèi)時(shí)，頻繁地對(duì)蓄電池進(jìn)行深放電還會(huì)降低自身容量；因此，深放電無(wú)法滿足蓄電池定期維護(hù)的要求，所以一般采用其他方式進(jìn)行，目前蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用較為廣泛[3]。

蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該具有下述功能：實(shí)時(shí)獲得鉛酸蓄電池組內(nèi)阻、電壓的相關(guān)信息，通過(guò)電池內(nèi)阻、電池電壓的測(cè)試，判斷蓄電池性能趨勢(shì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)蓄電池運(yùn)行過(guò)程中潛在的問(wèn)題，并自動(dòng)對(duì)蓄電池進(jìn)行在線維護(hù)，如在線對(duì)單體蓄電池的充電電壓進(jìn)行均衡調(diào)整。此外，系統(tǒng)還應(yīng)該具有蓄電池組性能分析軟件，基于蓄電池組電壓離散性的蓄電池分析數(shù)學(xué)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池實(shí)際容量的計(jì)算，為遠(yuǎn)程蓄電池監(jiān)測(cè)維護(hù)及查詢分析提供有效的手段。

2 蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括直流互感器、主控模塊和多個(gè)節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)主要對(duì)蓄電池的參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，如電壓、內(nèi)阻和電流、環(huán)境溫度等。主控模板和電纜之間不直接相連，它們之間存在六芯扁平電纜，形成一個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)。從電氣設(shè)計(jì)方面來(lái)講，主控模塊與節(jié)點(diǎn)之間的交流通信是完全隔離的，測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)節(jié)點(diǎn)模塊進(jìn)行讀取，然后在主控模板的存儲(chǔ)空間中進(jìn)行緩存，此時(shí)，就能通過(guò)智能口查詢系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)了，參數(shù)的輸出通過(guò)液晶顯示的方式實(shí)現(xiàn)，這就是在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)數(shù)據(jù)采集、輸出過(guò)程[4]。

蓄電池參數(shù)信息采集層采集變電站的蓄電池信息，支持接入RS485和RS232兩類串口信號(hào)，將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成RS-232信號(hào)，被主控制器單元識(shí)別、接收。直流電流互感器和蓄電池的充放電主回路相接，采集其充放電電流數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，直接傳輸?shù)街骺刂破?。將采集的?shù)據(jù)和主控制器中設(shè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果采集的數(shù)據(jù)超出設(shè)定數(shù)據(jù)的范圍值就會(huì)通過(guò)相應(yīng)的軟件進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制硬件操作，從而及時(shí)控制蓄電池。

主控模塊負(fù)責(zé)接收和發(fā)送蓄電池?cái)?shù)據(jù)，控制和顯示現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)。系統(tǒng)接收到蓄電池在線監(jiān)測(cè)、直流電源充電裝置信號(hào)之后，檢查數(shù)據(jù)可信度，統(tǒng)一建模，存儲(chǔ)并顯示，發(fā)送到上位機(jī)。主控模塊的數(shù)目可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置多個(gè)，采集的信息經(jīng)過(guò)處理之后存入數(shù)據(jù)庫(kù)，分析直流設(shè)備狀態(tài)和蓄電池的性能[5-7]。

主控模塊對(duì)各個(gè)子程序進(jìn)行控制時(shí)，通過(guò)調(diào)用各個(gè)模塊的子函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的后處理、系統(tǒng)初始化、故障管理、SOC估算、通信調(diào)試及數(shù)據(jù)發(fā)送等。系統(tǒng)主控制板和上位機(jī)之間通過(guò)通信模塊實(shí)現(xiàn)蓄電池的數(shù)據(jù)傳輸。

該系統(tǒng)為用戶提供了標(biāo)準(zhǔn)RS485和RS232兩種不同的接口通信，同時(shí)與管理中心的計(jì)算機(jī)連接形成另一個(gè)遠(yuǎn)程分布式的檢測(cè)系統(tǒng)。管理中心的計(jì)算機(jī)(也就是監(jiān)測(cè)主機(jī))是該系統(tǒng)的信息交互接口，對(duì)外展示蓄電池的充放電等信息。工作人員可以通過(guò)監(jiān)測(cè)主機(jī)定時(shí)發(fā)布信息，并完成相關(guān)的報(bào)表，方便蓄電池相關(guān)參數(shù)信息的使用。監(jiān)測(cè)主機(jī)接收電池電壓數(shù)字信號(hào)后，采用CPU對(duì)其進(jìn)行分析和處理，并顯示相關(guān)的處理結(jié)果。在運(yùn)行狀態(tài)下，蓄電池一旦發(fā)生異常，會(huì)發(fā)出警報(bào)。在放電狀態(tài)下，計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)放電程序和電池的放電特性，判別蓄電池的好壞，顯示判別結(jié)果，找出失效電池并自動(dòng)終止放電，可應(yīng)用蓄電池組性能分析軟件對(duì)蓄電池的實(shí)際容量進(jìn)行計(jì)算。

3 系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用分析

蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主站端機(jī)房的運(yùn)行環(huán)境如下：相對(duì)濕度為≤20%～70%；機(jī)房溫度為10～40 ℃(空調(diào)設(shè)備故障)，16～26 ℃(空調(diào)設(shè)備運(yùn)行)；供電電源為交流(220±2%)V，接地電阻為≤0.5 Ω；UPS電源正常時(shí)，頻率為(50±0.2%)Hz，UPS電源故障時(shí)，交流為(220±5%)V , 頻率為(50±0.5%)Hz ；防干擾，防塵。蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在廣東電網(wǎng)責(zé)任有限公司佛山供電局運(yùn)行之后，能夠?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測(cè)鉛蓄電池的充放電過(guò)程，顯示蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)。蓄電池實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)界面如圖1所示。

圖1 蓄電池實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)界面

運(yùn)行期間，系統(tǒng)的性能較好，能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)蓄電池的相關(guān)數(shù)據(jù)，表現(xiàn)出一定的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。以其中1組蓄電池的監(jiān)測(cè)電壓和內(nèi)阻數(shù)據(jù)為例進(jìn)行說(shuō)明，其測(cè)量數(shù)據(jù)見表1。

表1 變電站蓄電池的電壓和電阻測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

從表1可以看出，蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的蓄電池電壓和內(nèi)阻的測(cè)量數(shù)據(jù)與人工用蓄電池內(nèi)阻(容量)測(cè)試儀等采集的數(shù)據(jù)相比，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性較高，并且運(yùn)行十分穩(wěn)定，可以降低由人工測(cè)量帶來(lái)的數(shù)據(jù)的偏差；因此，該系統(tǒng)可作為蓄電池監(jiān)測(cè)的主要系統(tǒng)，降低了工作人員的工作量。該系統(tǒng)在變電站運(yùn)行期間十分穩(wěn)定，很少出現(xiàn)故障，但是應(yīng)注意系統(tǒng)的日常維護(hù)，只有系統(tǒng)維護(hù)好，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的在線監(jiān)測(cè)、診斷和報(bào)警。蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)豐富的圖表實(shí)現(xiàn)了對(duì)蓄電池的遠(yuǎn)程監(jiān)控，并能直觀地反映蓄電池的運(yùn)行狀況。系統(tǒng)具有報(bào)警功能，可以減少排查故障所花費(fèi)的時(shí)間，使蓄電池一直處于良好的工作狀態(tài)。在線生成的蓄電池內(nèi)阻測(cè)試和性能分析報(bào)告節(jié)省了測(cè)試蓄電池電壓及內(nèi)阻的時(shí)間，減少了用工成本，而且，變電站交直流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所具有的數(shù)據(jù)查詢、用戶管理、報(bào)表管理、實(shí)時(shí)通信、參數(shù)管理、錄波瀏覽和系統(tǒng)設(shè)置等人性化功能，緩解了巡視和維護(hù)人員的工作強(qiáng)度，提高了維護(hù)工作效率。

4 結(jié)語(yǔ)

變電站蓄電池充放電的在線監(jiān)測(cè)和管理對(duì)于直流設(shè)備和變電站蓄電池的統(tǒng)一管理與監(jiān)控非常有利，能夠?qū)崿F(xiàn)信息化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的維護(hù)與管理，為變電站蓄電池的管理工作提供了便利，是一種良好的監(jiān)測(cè)管理手段。通過(guò)分析系統(tǒng)采集的蓄電池的參數(shù)，可以詳細(xì)掌握其運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)其存在的故障隱患，早期診斷，并采取相應(yīng)的預(yù)防控制措施，提高對(duì)直流系統(tǒng)的維護(hù)水平，有效保障了電力設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，提高了電網(wǎng)的穩(wěn)定性，降低了電力系統(tǒng)的損失。為了完善系統(tǒng)的功能，使監(jiān)測(cè)更加精確，在線蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的研究和改進(jìn)，并擴(kuò)充系統(tǒng)的相應(yīng)輔助功能。今后的研究主要包含下述2個(gè)方面：1)擴(kuò)充系統(tǒng)蓄電池的監(jiān)測(cè)組數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)變電站的蓄電池組同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)這些蓄電池進(jìn)行統(tǒng)一管理；2)采集大量蓄電池的參數(shù)數(shù)據(jù)之后，能夠建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型來(lái)表明蓄電池的充放電變化曲線和剩余電量與蓄電池內(nèi)阻之間的關(guān)系，并研究新的算法，使其更加精準(zhǔn)地算出蓄電池的預(yù)期使用壽命和剩余電量，從而對(duì)蓄電池的健康狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。

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責(zé)任編輯李思文

液力變矩器工作輪鑄造工藝研究項(xiàng)目取得成功

為了提高綜合傳動(dòng)裝置中的關(guān)鍵零件渦輪、泵輪的制造水平和鑄件質(zhì)量，中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)江麓公司技術(shù)中心在2014年開展了“液力變矩器工作輪覆膜砂組合砂芯鑄造工藝研究”。經(jīng)過(guò)近一年的努力工作，該項(xiàng)目現(xiàn)已取得一定成效，并通過(guò)公司專家組的驗(yàn)收。

“液力變矩器工作輪覆膜砂組合砂芯鑄造工藝研究”，首先，進(jìn)行了鑄造工裝CAD/CAM設(shè)計(jì)制造工作，建立了零件三維數(shù)字模型、鑄件三維數(shù)字模型和鑄造工裝三維數(shù)字模型，確保了模具的精度；其次采用覆膜砂芯組合工藝解決了葉片不能拔模的問(wèn)題，并淘汰了對(duì)員工有毒害作用的重金屬鉍的使用，提高了葉形的一致性。同時(shí)優(yōu)化了鑄件的澆注工藝，解決了鑄件的缺陷問(wèn)題。鑄造室技術(shù)人員還研發(fā)了一種專用涂料，提高了鑄件的表面質(zhì)量。通過(guò)縮短工藝流程，采取制芯、澆注機(jī)械化，生產(chǎn)效率提高50%以上。

——摘自中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)公司網(wǎng)

BatteryChargeandDischargeMonitoringandControl

LIN Lipeng1，ZHENG XiaoLing2，WU Jiangyi1

(1.Foshan Power Supply Bureau, Guangdong Grid Co., Ltd., Foshan 528000, China；2.Jiangbei Power Supply Bureau，

As China's economic development, stability requirements of the power supply system has been increased, thereby increasing the substation batteries and DC power requirements. However, the battery power system substation application of high technology maintenance costs, the effect is not ideal, and ultimately affects the performance of the battery. Therefore, the paper analyzed the monitoring and control of lead-acid battery charge and discharge indicator, battery-line monitoring system components and the actual effect of system applications.

lead-acid battery, charge and discharge, monitoring, control

TM 912

：A

林立鵬(1973-)，男，高級(jí)工程師，高級(jí)技師，主要從事繼電保護(hù)安裝、調(diào)試、運(yùn)行和維護(hù)等方面的研究。

2015-01-15