一種適用于發(fā)電廠直流系統(tǒng)蓄電池組的在線監(jiān)控技術(shù)

曾梓倫

（廣西西江開發(fā)投資集團(tuán)有限公司 廣西南寧 530023）

一種適用于發(fā)電廠直流系統(tǒng)蓄電池組的在線監(jiān)控技術(shù)

曾梓倫

（廣西西江開發(fā)投資集團(tuán)有限公司 廣西南寧 530023）

針對(duì)蓄電池組監(jiān)控不足、電池健康狀況無法評(píng)估所帶來的可靠性問題，分析蓄電池組自動(dòng)在線容量監(jiān)控原理，設(shè)計(jì)蓄電池組在線監(jiān)控裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)控蓄電池組的運(yùn)行狀況并提供蓄電池性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及效果表明，該方法能夠解決蓄電池性能的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠?qū)π铍姵靥峁┍容^全面的性能參數(shù)，對(duì)蓄電池組的運(yùn)行維護(hù)有極大幫助。

蓄電池組；直流系統(tǒng)；放電曲線；在線監(jiān)控

引言

廣西某水力發(fā)電站，屬于河床式發(fā)電站，直流系統(tǒng)在水電站中承擔(dān)的負(fù)荷極為重要，它提供為確保全廠控制、信號(hào)、繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置、事故照明等的不間斷供電，為操作回路提供操作電源，因此直流系統(tǒng)運(yùn)行是否穩(wěn)定、供電是否可靠，對(duì)發(fā)電站機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行及閘門的可靠調(diào)度至關(guān)重要。

蓄電池組是直流系統(tǒng)重要的組成部分，直流系統(tǒng)針對(duì)其監(jiān)控不足、電池健康狀況無法評(píng)估而所帶來的直流系統(tǒng)可靠性問題，本文設(shè)計(jì)對(duì)蓄電池組進(jìn)行在線容量監(jiān)控裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)控蓄電池組的運(yùn)行狀況，并能夠?qū)π铍姵靥峁┍容^全面的性能參數(shù)，對(duì)蓄電池組的運(yùn)行維護(hù)有極大幫助。

1 蓄電池組自動(dòng)在線容量監(jiān)控原理

蓄電池組的在線監(jiān)控及蓄電池失效預(yù)期檢測(cè)，是一個(gè)很復(fù)雜的電化學(xué)測(cè)量問題。由于發(fā)電廠的蓄電池長(zhǎng)期工作比較特殊的環(huán)境及存在極化電壓，使得它們的狀態(tài)處于過、欠充電，不僅會(huì)使其壽命大大縮短，而且會(huì)危及到直流系統(tǒng)的穩(wěn)定。另外，由于蓄電池的應(yīng)用環(huán)境、使用材料、結(jié)構(gòu)工藝及電化學(xué)反應(yīng)等不同，到目前為止，對(duì)蓄電池性能的方法過于復(fù)雜，而不能快速判定。本文研究了一種蓄電池組自動(dòng)在線容量監(jiān)控裝置并應(yīng)用于發(fā)電廠直流系統(tǒng)中，試驗(yàn)不同類型蓄電池得到其放電曲線，通過分析上述放電曲線得出以下結(jié)論：①對(duì)于同一類型蓄電池，其放電曲線基本一致；②蓄電池內(nèi)阻主要用于反映其性能差異，從放電曲線可獲得動(dòng)態(tài)的內(nèi)阻，為使放電曲線具有較為明顯的下跌，需讓蓄電池通過較大的放電電流；③對(duì)于同一蓄電池，其放電曲線會(huì)隨著其運(yùn)行時(shí)間和充電次數(shù)的增加而發(fā)生明顯變化，主要用于評(píng)估蓄電池性能和壽命。

上述較為全面地分析蓄電池的放電曲線，同時(shí)結(jié)合應(yīng)用環(huán)境及現(xiàn)場(chǎng)條件，初步采用檢測(cè)原理如下：

首先需在線監(jiān)控裝置的程序包括蓄電池典型放電曲線，然后通過實(shí)時(shí)檢測(cè)蓄電池的放電曲線，最后比較并匹配二者曲線，分析蓄電池的性能，并打印輸出。

為消除蓄電池的極化電壓，在線監(jiān)控裝置依靠瞬間大電流脈沖放電來完成，由此實(shí)時(shí)其放電曲線，并完成其內(nèi)阻計(jì)算。為蓄電池的性能進(jìn)行判斷，需由在線監(jiān)控裝置通過與前一次放電曲線結(jié)果進(jìn)行比較分析。內(nèi)阻計(jì)算公式為：

內(nèi)阻=（蓄電池電動(dòng)勢(shì)-蓄電池電壓）/放電電流 （1）

內(nèi)阻與容量、電解液比重和電能消耗等因素有關(guān)。內(nèi)阻與容量成反比，內(nèi)阻越大，容量越小。與電解液比重也成反比，電解液比重越小，內(nèi)阻越大。放電過程中，放電時(shí)，電阻隨著電能的消耗越大而逐漸增加，充電時(shí)，內(nèi)阻隨著電能的增加而逐漸減小。蓄電池的內(nèi)部電阻等效電路，如圖1所示。

圖1蓄電池內(nèi)部電阻等效電路

圖1 中，Cd是蓄電池電極的雙電層電容，Zd是蓄電池由電極濃差極化而引起的阻抗，Rr為兩極電化學(xué)反應(yīng)的電阻，RΩ為蓄電池的歐姆內(nèi)部電阻。

設(shè)定恒流放電電流和放電時(shí)間，對(duì)蓄電池進(jìn)行核對(duì)性容量測(cè)試。先需設(shè)定一放電終止電壓，對(duì)蓄電池進(jìn)行放電并啟動(dòng)計(jì)時(shí)，當(dāng)其電壓低于設(shè)定的終止電壓時(shí)，在線監(jiān)控裝置將自動(dòng)停止放電并停止計(jì)時(shí)，由放電電流和放電時(shí)間就可以計(jì)算出蓄電池組的容量，其表示式為：

蓄電池組容量=放電電流×放電時(shí)間 （2）

通過以上原理及方法，在線監(jiān)控裝置完成對(duì)蓄電池電流高速采樣，實(shí)時(shí)分析計(jì)算，并比較判斷與在線監(jiān)控裝置內(nèi)部ROM設(shè)定的蓄電池失效模式曲線，由此得到該蓄電池性能運(yùn)行情況報(bào)告。

2 監(jiān)控裝置的設(shè)計(jì)及接線

蓄電池組自動(dòng)在線容量監(jiān)控裝置由軟、硬件兩部分組成。硬件部分主要包括充放電、測(cè)量、控制等模塊，其中，控制模塊采用采用16位單片機(jī)，測(cè)量模塊采用12位A/D采樣芯片，并配有微型打印機(jī)。軟件部分主要由放電、監(jiān)控、顯示、采樣、比較、報(bào)警等模塊組成。在線監(jiān)控裝置的整個(gè)程序由實(shí)時(shí)完成蓄電池電壓的采樣、比較、報(bào)警、記錄、輸入及顯示等掃描任務(wù)。主程序流程如圖2所示。

圖2 檢測(cè)裝置軟件流程圖

在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，根據(jù)我們水電廠的直流電源的接線方式，并結(jié)合該裝置主要進(jìn)行核對(duì)性放電檢測(cè)的原理，對(duì)我們水電廠直流電源按照如下方案進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了蓄電池組容量的在線監(jiān)控，進(jìn)而使我們水電廠直流電源的安全穩(wěn)定得到有效地改善，現(xiàn)場(chǎng)接線框圖如3所示。

圖3 監(jiān)控裝置現(xiàn)場(chǎng)接線圖

在圖3接線方式下，我們把容量自動(dòng)監(jiān)控裝置直接接入充電機(jī)的正、負(fù)極輸出端，取消了原先接線圖的外加二極管，可實(shí)現(xiàn)充電機(jī)與蓄電池組間的電氣隔離，從而保證蓄電池組放電數(shù)據(jù)及其它采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，且接線方式簡(jiǎn)單，外加較少設(shè)備，既能保證蓄電池組安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)可以節(jié)省投資成本。

該裝置可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況自行設(shè)定任意放電的間隔，實(shí)際運(yùn)行中實(shí)時(shí)記錄放電情況及曲線，與裝置ROM中蓄電池正常放電曲線進(jìn)行比較，并輸出并打印曲線供我們水電廠運(yùn)維班組人員進(jìn)行判斷，從而確定單個(gè)蓄電池或整個(gè)蓄電池組容量是否異常。按照設(shè)定間隔定期放電，先斷開充電機(jī)回路（這是充電機(jī)處于暫時(shí)空載運(yùn)行狀態(tài)），然后合上放電電阻回路，該裝置可監(jiān)視對(duì)蓄電池組放電的全過程，放電時(shí)間結(jié)束后，整個(gè)直流電源重新恢復(fù)到原先正常運(yùn)行方式，斷開放電電阻回路，合上充電機(jī)回路，并打印出對(duì)比曲線。

蓄電池容量監(jiān)控裝置性能測(cè)試結(jié)果：①能在電池容量不足的情況下自動(dòng)報(bào)警；②能在單節(jié)電池電壓、容量異常的情況下自動(dòng)報(bào)警；③能按照程序設(shè)定的時(shí)間和放電電流自動(dòng)進(jìn)行；④蓄電池容量自動(dòng)監(jiān)控裝置能自動(dòng)打印報(bào)表。

3 蓄電池組改造后運(yùn)行效果

本文設(shè)計(jì)容量自動(dòng)監(jiān)控裝置并加裝于蓄電池組，經(jīng)過一段運(yùn)行時(shí)間后，我們水電廠運(yùn)維人員發(fā)現(xiàn)蓄電池組運(yùn)行狀況呈現(xiàn)了明顯的好轉(zhuǎn)，尤其蓄電池長(zhǎng)期得不到定期放電而造成其極板硫化等問題得到解決。監(jiān)控裝置可按照設(shè)定間隔進(jìn)行放電，定期監(jiān)視蓄電池組的運(yùn)行狀況，同時(shí)“活化”蓄電池的極板，有效使蓄電池的性能和壽命得到提高。圖4為改進(jìn)后其中某一組蓄電池的測(cè)試結(jié)果。

圖4 蓄電池電壓和比重變化趨勢(shì)圖

從圖4測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出：監(jiān)控裝置加裝于蓄電池組，有效地使蓄電池運(yùn)行狀況得到提高，縮小各蓄電池電壓差別，且蓄電池組的極板硫化現(xiàn)象幾乎消失，同時(shí)也使蓄電池的使用壽命得到提升，該技術(shù)及裝置具有較大的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)蓄電池組容量在線監(jiān)控裝置監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究應(yīng)用，采用比較不同放電曲線的原理，依靠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)結(jié)果作為判據(jù)，在目前階段可以基本確認(rèn)蓄電池的性能和容量，可以提供蓄電池的運(yùn)行狀況的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，為蓄電池組的現(xiàn)場(chǎng)正確使用和維護(hù)提供了科學(xué)依據(jù)，對(duì)提高蓄電池的使用壽命和提高直流系統(tǒng)的安全可靠性有重要的意義，解決了電廠直流系統(tǒng)中蓄電池組的不完善對(duì)直流系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行造成的隱患。

[1]陳 杰.智能鉛酸蓄電池組性能的監(jiān)控系統(tǒng)[J].機(jī)電工程，1999，6（6）：18～19.

[2]呂力行，何石魚.蓄電池檢測(cè)裝置在電廠的應(yīng)用[J].浙江電力，1999，4（4）：46～47.

[3]彭宣戈.16位單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

TM645

A

1004-7344（2016）11-0052-02

2016-4-3

曾梓倫（1984-），男，助理工程師，本科，主要從事發(fā)電廠設(shè)備運(yùn)行維護(hù)工作。