深圳地鐵2號線供電系統(tǒng)用蓄電池故障分析及對策研究

許寧寧

摘 要：深圳地鐵2號線供電系統(tǒng)用蓄電池在運行中多次發(fā)生核對性放電容量不足的故障，嚴(yán)重影響了直流系統(tǒng)的安全運行。本文旨在揭示蓄電池內(nèi)阻和故障的關(guān)系，針對不同故障機理制定相應(yīng)的應(yīng)對策略，確保蓄電池穩(wěn)定運行，此舉對供電系統(tǒng)穩(wěn)定運行有重要意義。

關(guān)鍵詞：蓄電池；內(nèi)阻；故障分析；策略

0引言

我們知道，由蓄電池組成的直流電源系統(tǒng)在供電系統(tǒng)中占用至關(guān)重要的位置，當(dāng)直流屏由于交流輸入中斷或充電機故障等原因?qū)е聼o法輸出直流電源時，蓄電池可以不間斷地給變電所內(nèi)1500V直流開關(guān)柜保護(hù)裝置，斷路器操作機構(gòu)提供直流電源，如果蓄電池鏈路出現(xiàn)故障，將可能導(dǎo)致保護(hù)裝置失電而造成保護(hù)誤動，甚至造成斷路器跳閘，危機行車安全，故蓄電池可靠性至關(guān)重要。

深圳地鐵2號線供電系統(tǒng)用蓄電池分為首通段（赤灣—世界之窗、蛇口西車輛段、后海主所，共計15組）和東延段（僑城北—新秀，后海停車場，共計18組）兩期供貨，蓄電池全部采用閥控式鉛酸蓄電池。其中首通段15組蓄電池自2010年12月投運后的3年時間里，有14組在核對性放電試驗（1年檢）中發(fā)現(xiàn)了故障電池，故障占同批供貨蓄電池比重為93.3%。本文旨在就2號線蓄電池揭示內(nèi)阻和故障的關(guān)系，通過深入分析其故障機理，制定相應(yīng)對策，延長電池使用壽命。

1 蓄電池的性能檢測方法

蓄電池在使用中無法判斷其現(xiàn)有容量，內(nèi)部是否失水或干裂，只有通過核對性放電，才能判斷蓄電池的運行狀態(tài)是否正常。當(dāng)今監(jiān)測鉛酸蓄電池性能的方法有核對性放電法（即負(fù)荷測試法）和內(nèi)阻測試法。核對性放電法是檢驗蓄電池性能最可靠的方法，可對蓄電池單節(jié)及整組進(jìn)行100%的全面檢查，不足之處是操作麻煩，充放電時間較長，因蓄電池已放出部分容量，存在放電時直流系統(tǒng)不可靠引發(fā)系統(tǒng)事故的風(fēng)險，還存在電能浪費的問題。這里推薦一種新的測試方法——內(nèi)阻測試法，通過測量蓄電池內(nèi)阻來判定蓄電池運行狀態(tài)。實驗表明，如果單體蓄電池的內(nèi)阻增加到一個經(jīng)驗數(shù)值，這個電池就不能放出應(yīng)有容量了，故可以作為核對性放電法的廉價補償或替代手段。以下介紹內(nèi)阻測試法應(yīng)用實例。

2號線蛇口西車輛段采用型號為12-135閥控鉛酸蓄電池：額定電壓為12V，額定容量為120Ah（10小時率），19節(jié)組成1組，單體浮充電壓采用2.23～2.28V/2V，25℃取2.25V，均衡充電2.3～2.4V/2V，25℃取2.35V，即12V電池正常浮充電壓為13.5V（2.25*6），整組電池浮充電壓為13.5V*19=256.5V。根據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《DLT 724-2000電力系統(tǒng)用蓄電池直流電源裝置運行與維護(hù)技術(shù)規(guī)程》（以下簡稱《規(guī)程》），在2013年5月對該組蓄電池進(jìn)行內(nèi)阻測試及核對性放電試驗（1年檢）。試驗數(shù)據(jù)見表1所示。

內(nèi)阻測試法測試蓄電池性能可以結(jié)合兩個指標(biāo)：電池在線內(nèi)阻、電池浮充端電壓。從表1中可以看出，4、5、8、9、17#電池在放電前在線測試內(nèi)阻分別為：28.38 mΩ、34.26 mΩ、22.72 mΩ、7.376 mΩ、8.119 mΩ；經(jīng)查閱廠家新電池出廠內(nèi)阻基準(zhǔn)值為3.3mΩ。經(jīng)過2年多的運行，電池內(nèi)阻逐漸升高，但也都在平均值5.374mΩ左右（正常電池平均值），而該5節(jié)電池內(nèi)阻分別已經(jīng)超標(biāo)準(zhǔn)值428%、538%、323%、37%、51%。由于不同的蓄電池廠家生產(chǎn)技術(shù)水平、制造工藝不同，故生產(chǎn)的蓄電池的內(nèi)阻初始值都不盡相同，也就無法采用一個內(nèi)阻絕對值來斷定電池的性能，但是根據(jù)經(jīng)驗，蓄電池壽命終止時的內(nèi)阻值一般比初始值增加25%以上，該5節(jié)電池浮充電壓分別為：12.94V、12.54 V、12.26 V、12.64 V、12.99 V，全部低于正常浮充端電壓13.5V。根據(jù)《規(guī)程》中規(guī)定12V電池運行中電壓偏差值≦0.3V，端電壓低于13.2V（13.5V-0.3V），說明電池欠充可以導(dǎo)致電池內(nèi)阻增大，機理如下：

閥控式鉛酸蓄電池鉛酸電池的化學(xué)反應(yīng)如下：

放電時正極板上的活性物質(zhì)二氧化鉛（PbO2）和負(fù)極板上的活性物質(zhì)海綿狀鉛（Pb）與電解液中的硫酸（H2SO4）發(fā)生反應(yīng)變成硫酸鉛（PbSO4）；充電時變成硫酸鉛的正負(fù)兩極活性物質(zhì)將反應(yīng)，失去硫酸根，分別變成海面狀鉛及二氧化鉛，反應(yīng)可逆。蓄電池正常運行在1～3mA/Ah的浮充狀態(tài)，以補充蓄電池的自放電，使其保持在滿容量狀態(tài)。當(dāng)加在蓄電池兩端的電壓低于13.5V時，蓄電池長期欠充電，浮充電不能抵消電池的自放電，一部分活性物質(zhì)轉(zhuǎn)化為硫酸鉛（極板硫酸鹽化），涂膏的電阻增大導(dǎo)致電池內(nèi)阻增大。

初步測試該5節(jié)電池內(nèi)阻已超過平均值25%，特別是4、5、8#電池超標(biāo)嚴(yán)重，基本上可以判斷蓄電池已經(jīng)放不出額定容量了。進(jìn)而繼續(xù)進(jìn)行核對性放電試驗進(jìn)行驗證，根據(jù)《規(guī)程》單組電池只能用I10電流以恒流放出額定容量的50%，在放電過程中，蓄電池組端電壓不得低于2V×N。4、5、8#電池放電不到5h后電壓降至10.49V、9.855V、9.56V。低于截至電壓10.8V，該三節(jié)電池容量已失效，為故障電池。9、17#電池放出50%容量電池端電壓分別降至12.02V和12.13V，滿足端電壓不得低于12V（2V×6），但由于內(nèi)阻偏高，說明電池已逐漸老化，應(yīng)對電池進(jìn)行充放電活化處理。

根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗，當(dāng)故障電池累計數(shù)量達(dá)到整組電池的25%時，應(yīng)安排整組更換。更換整組電池為新的電池組后，相關(guān)內(nèi)阻、電池端電壓以及50%容量放電試驗數(shù)據(jù)如表2所示：

由表中可見，各節(jié)蓄電池內(nèi)阻都在新電池基準(zhǔn)值3.3mΩ～3.9mΩ之間，平均內(nèi)阻值為3.82mΩ，浮充電壓約為13.5V，經(jīng)50%容量放電各節(jié)電池端電壓在12V以上，各項參數(shù)滿足正常要求，蓄電池運行正常。

2 蓄電池工況與內(nèi)阻

（1）蓄電池老化與內(nèi)阻。蓄電池內(nèi)阻的大小也表示蓄電池的老化程度。蓄電池老化過程與構(gòu)成蓄電池的材料和部件在蓄電池設(shè)計條件下?lián)p壞的速率有關(guān)。蓄電池的老化過程非常緩慢，其老化的標(biāo)志是內(nèi)阻增加和容量的降低。當(dāng)蓄電池容量降低至80%以下時，其老化速度加快，所以規(guī)程規(guī)定當(dāng)蓄電池容量降至80%以下時其壽命終止，應(yīng)整組更換。蓄電池壽命終止時的內(nèi)阻值一般比平均值增加25%以上。

（2）溫度的影響。主要高溫導(dǎo)致水的蒸發(fā)，硫酸溶液黏度變化，造成內(nèi)阻升高。

（3）充放電過程的影響。電池充電過程中內(nèi)阻減小（生成硫酸），放電過程中內(nèi)阻增加（生成硫酸鉛），同時與放電電流大小有關(guān)。

（4）浮充電與內(nèi)阻。大量故障表明，單體電池故障，其內(nèi)阻增大，浮充電壓上升，但內(nèi)阻增大與浮充電壓上升不是同時發(fā)生的，內(nèi)阻增大發(fā)生在浮充電壓上升的前一段時間。蓄電池內(nèi)阻從正常值變化到比基準(zhǔn)值（初始值）大60%，一般要經(jīng)歷較長時間（幾個月），當(dāng)內(nèi)阻比平均值增大25%就說明蓄電池已有嚴(yán)重故障，而此時浮充電壓仍保持正常狀態(tài)。所以檢查蓄電池內(nèi)阻可以較早發(fā)現(xiàn)故障電池。

3 2號線蓄電池故障現(xiàn)象及對策分析

3.1故障現(xiàn)象：浮充電時，電池電壓偏差較大、內(nèi)阻較高。

根據(jù)《規(guī)程》中規(guī)定12V電池運行中電壓偏差值應(yīng)小于0.3V ，即不能超出13.2V～13.8V范圍。異常情況如表3所示。

1、造成原因：蓄電池制造過程分散性大，工藝存在缺陷（質(zhì)量問題），電池運行一定時間后內(nèi)阻不均衡，內(nèi)阻大的電池端電壓大（如1、2#電池），容易過充（≥13.8V）導(dǎo)致極板活性物質(zhì)松動造成容量失效；內(nèi)阻小的電池端電壓?。ㄈ?、8、13、14#電池），電池欠充（≤13.2V），浮充電不能抵消電池的自放電，造成極板硫酸鹽化導(dǎo)致內(nèi)阻增大；充電機輸出電壓低于256.5V（13.5V*19節(jié)），造成電池欠充；更換的備用電池存放時間長，又沒有按規(guī)定補充電，造成換上去后電池電壓、內(nèi)阻偏差較大。

2、處理方法：

（1）如果屬于電池質(zhì)量問題，應(yīng)要求更換不合格電池。（2）保持環(huán)境溫度在恒溫25℃，正確設(shè)置充電裝置充電參數(shù)，浮充電壓取2.25V，均充電壓取2.35V。（3）在蓄電池月檢中，對蓄電池浮充電壓偏差超13.2V～13.8V，應(yīng)加強均衡充電（不少于5個小時），隔1周再均充1次，每月均充兩次，若壓差未得到改善，則更換電壓偏低電池。（4）每年對蓄電池進(jìn)行一次50%深度核對性放電，以消除極板硫化，保持蓄電池電氣最佳性能。（5）蓄電池內(nèi)阻在正常情況下若超出整組電池內(nèi)阻平均值的+25%，則進(jìn)行充放電活化及性能測試。（6）電池存放問題。應(yīng)按說明書要求定期對備件電池進(jìn)行補充電（均充標(biāo)準(zhǔn)，25℃取2.35V），當(dāng)25℃時儲存6個月補充電一次，對未激活的備用電池全容量反復(fù)充放2～3次，減少電壓偏差值。

3.2核對性放電時，蓄電池放不出額定容量。

1、造成原因：蓄電池長期欠充電，浮充電壓低于2.23～2.27V；電池放電后沒有立即充電，造成極板硫化。

2、處理方法：

（1）浮充電運行時，充電機浮充電壓設(shè)置為2.25*6*19=256.5V，均充設(shè)置為2.35*6*19=268V。（2）避免深度放電。根據(jù)國標(biāo)，有兩組電池可以進(jìn)行全核對性放電，1組電池以I10放出額定容量50%。（3）對核對性放電達(dá)不到額定容量的蓄電池，應(yīng)反復(fù)充放2～3次，容量可以恢復(fù)，若容量仍達(dá)不到額定容量的80%，應(yīng)更換電池組。

3.3運行中浮充電壓正常，但一放電，電壓很快下降到終止電壓值。

1、造成原因：蓄電池內(nèi)部失水干涸，電解質(zhì)變質(zhì)。

干枯是閥控密封蓄電池所特有的最嚴(yán)重故障。正常浮充時，正極產(chǎn)生的氧氣穿過隔板和負(fù)極的活性物質(zhì)海綿狀鉛發(fā)生反應(yīng)生成水。如果室溫過高，外殼隔熱性不好，加之大量過充或浮充電壓過高，就會導(dǎo)致充電電流增大，熱量增大不能及時散掉，溫度繼而升高又導(dǎo)致電流增大（熱失控現(xiàn)象），過高的溫度加速水的分解，氣體從安全閥逸出，造成電解液減少或干枯，內(nèi)阻增大，端電壓增大，這種電池可能在浮充時端電壓正常，可能一經(jīng)放電就很快下降到終止電壓。

2、處理方法：更換故障電池。

4 2號線蓄電池隱患整改效果

2號線蓄電池缺陷整改及整改后運行情況見表4所示：

5 結(jié)語

蓄電池壽命終止時的內(nèi)阻值一般比平均值增加25%以上，故測試電池內(nèi)阻可以較早發(fā)現(xiàn)故障電池。測試法可以作為核對性放電法的廉價替代手段，在蓄電池巡檢中應(yīng)間隔一段時間（如每月）實測蓄電池端電壓及內(nèi)阻，結(jié)合這兩個指標(biāo)判定電池性能，可以及早發(fā)現(xiàn)電池的運行趨勢并判斷電池性能，必要時加強均充，提高電池性能，以延長蓄電池的使用壽命。

參考文獻(xiàn)

[1] 張寬發(fā).地鐵供電系統(tǒng)用蓄電池的合理性選擇及運行維護(hù)[J].蓄電池.2009（3）：131-133.

[2] 李博.變電站閥控式鉛酸蓄電池的運行與維護(hù)[J].高等?？茖W(xué)校學(xué)報.2013（3）：3.

[3] 徐海明，王全勝.變電站直流電源設(shè)備使用與維護(hù)[J].中國電力出版社.2009，10（3）：25-27.