變電站閥控式鉛酸蓄電池在線監(jiān)測(cè)與失效機(jī)理研究

摘 要：因變電站繼電保護(hù)與直流系統(tǒng)是密不可分的，直流系統(tǒng)在變電站或換流器內(nèi)充當(dāng)著不可替代的作用。唯有直流系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，才能保證保護(hù)正確動(dòng)作性，保證換流器內(nèi)相關(guān)器件的穩(wěn)定運(yùn)行。然而，多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，蓄電池的實(shí)際使用壽命往往比理論上的使用壽命要短得多，使用環(huán)境惡劣或者是內(nèi)部電解液失效等都有關(guān)聯(lián)。因變電站內(nèi)直流電壓是基本恒定的，當(dāng)個(gè)別蓄電池失效將會(huì)導(dǎo)致整體直流段的電壓偏小，則整組蓄電池失效。因此，有必要對(duì)蓄電池監(jiān)測(cè)與控制，以及對(duì)失效機(jī)理研究，為變電站直流電池安全穩(wěn)定運(yùn)行提供美好環(huán)境。

關(guān)鍵詞：可靠性；蓄電池；工作原理；失效機(jī)理

引言

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電系統(tǒng)的電壓等級(jí)越來越高，同時(shí)其高壓直流系統(tǒng)的大量出現(xiàn)，間接地對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性提出更高的要求，其中，對(duì)短路電流應(yīng)該有特別靈敏的保護(hù)，而在保護(hù)配置方面，大多數(shù)采用比較穩(wěn)定的直流電壓。但，為了保證直流電壓穩(wěn)定性，電站上一般配套了兩套直流裝置。其中一套即是靠直流蓄電池來供電，所以直流蓄電池的作用是不可以替代的。隨著近年來的電網(wǎng)加大建設(shè)，變電站大量的增多，導(dǎo)致對(duì)直流需求方面越來越強(qiáng)烈，而相應(yīng)的變電站直流系統(tǒng)專業(yè)素質(zhì)還比較落后，迫切需要加大培訓(xùn)力度，提高專業(yè)技術(shù)水平。所以對(duì)直流蓄電池的維護(hù)研究與探討仍存在大量的空白。

1 蓄電池的發(fā)現(xiàn)歷程

在50年代之前，我國國內(nèi)變電站站用開口鉛酸蓄電池，然而多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，這種電池質(zhì)量性較差，具體表現(xiàn)在不耐振，易漏液、充電要求高，且壽命相對(duì)較短，隨著技術(shù)科技的發(fā)展，到了70到80年代時(shí)候，新型的一種蓄電池發(fā)現(xiàn)：錫一鎳蓄電池。這種電池基本采用的是成套裝置，它們有以下相關(guān)方面的優(yōu)點(diǎn)：（1）體積?。唬?）安裝維護(hù)方便；（3）可靠性高；（4）不污染環(huán)境；（5）關(guān)鍵它們使用壽命長、維護(hù)周期長。另外，它還有一個(gè)特別優(yōu)點(diǎn)，那就是可以連續(xù)多次提供高倍率的大電流放電。這樣，當(dāng)變電站內(nèi)控制回路或者是相關(guān)跳合閘線圈上就有著非常穩(wěn)定恒定的直流電壓。非常的適應(yīng)斷路器合閘使用，所以，慢慢的被現(xiàn)代變電站所廣泛的接受。但是，并非是免維護(hù)，當(dāng)然還是要按照相關(guān)國標(biāo)進(jìn)行周期檢測(cè)，周期維護(hù)試驗(yàn)的。

2 蓄電池在線監(jiān)測(cè)的必要性

因新型的大量新產(chǎn)品、新設(shè)備、新技術(shù)在變電站內(nèi)得到廣泛推廣，電網(wǎng)的進(jìn)一步擴(kuò)大，對(duì)變電站內(nèi)直流系統(tǒng)安全穩(wěn)定的需求進(jìn)一步提升，所以在日常直流系統(tǒng)維護(hù)中，都要做好相應(yīng)記錄，定好周期進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)。每一次實(shí)驗(yàn)都應(yīng)該仔細(xì)認(rèn)真的檢測(cè)每一個(gè)蓄電池的放電電壓、電流、還有放電時(shí)間，并與以前相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，因?yàn)樾铍姵氐男阅軔夯菨u進(jìn)的，一兩次的試驗(yàn)一般是無法發(fā)現(xiàn)其放電異常或者是其它方面的異常。所以說很難完全掌握設(shè)備的健康狀況，這就進(jìn)一步要求了運(yùn)維人員要進(jìn)行長期性、周期性的的觀察和記錄，另外，因蓄電池的放電持續(xù)時(shí)間長，好多變電站并未真正的開展這方面的放電工作。所以現(xiàn)在要求，變電站值守人員在巡視設(shè)備同時(shí)，還應(yīng)對(duì)直流設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行定期檢查，過早的發(fā)現(xiàn)直流電池的缺陷，如漏液等，并且及時(shí)的進(jìn)行處理，這間接的要求了如果有一種在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置，則會(huì)大大提高其準(zhǔn)確率，并且給少許多人工工作量，則是一件特別重要有意義事情。

3 閥控式鉛酸蓄電池的密封原理

閥控式鉛酸蓄電池，也是現(xiàn)在經(jīng)常所叫的密封鉛酸蓄電池，它另外一個(gè)名字稱為vRLA電池。在電池內(nèi)部主要發(fā)生負(fù)極吸收原理，/氧氣復(fù)合循環(huán)的化學(xué)過程，來達(dá)到密封目的。在電池的負(fù)極，它把過量的活性物質(zhì)進(jìn)行吸收，而在鉛酸蓄電池在充電后期，負(fù)極不再吸收活性物質(zhì)了，相反，它的析氫反應(yīng)受到抑制，而正極析出的氧氣能被負(fù)極吸收，這就是經(jīng)常所說一個(gè)周期循環(huán)過程——即/氧氣復(fù)合循環(huán)。在此循環(huán)過程中，蓄電池內(nèi)部的氧氣被消耗，從而實(shí)現(xiàn)蓄電池的密封。當(dāng)電池處于正極充電態(tài)時(shí)，它的充電量在7%以上時(shí)，開始析出氧氣，如下公式所示。

以上所述，閥控式密封鉛酸蓄電池因自身強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)為維護(hù)周期時(shí)間長，充電、放電效率高的特別，被廣泛應(yīng)用于在變電站直流系統(tǒng)中。但是隨著供電系統(tǒng)對(duì)直流供電電壓穩(wěn)定性與可靠性要求的越來越高，而傳統(tǒng)的蓄電池的缺點(diǎn)表現(xiàn)越來越明顯，急需出現(xiàn)一種新的蓄電池來更替舊的蓄電池。緊隨著現(xiàn)代因閥控蓄電池閥控式的現(xiàn)身，取代了舊的蓄電池，但隨著又引來了一個(gè)新課題，那就是，人們無法準(zhǔn)確掌握蓄電池的健康狀況，如何實(shí)現(xiàn)在線偵測(cè)，在線掌握蓄電池的支行情況，因?yàn)槲覀兌贾酪坏┬铍姵匕l(fā)生故障，導(dǎo)致于直流電壓不穩(wěn)定，或者是偏大或小，這樣可能導(dǎo)致保護(hù)裝置可能發(fā)生誤動(dòng)。進(jìn)步使供電系統(tǒng)遭受巨大的損失。所以說，蓄電池在線監(jiān)測(cè)技術(shù)是以后發(fā)展的必然課題，如何實(shí)現(xiàn)在線偵測(cè)，如何讓蓄電池維護(hù)周期更長，進(jìn)步減少維護(hù)工作量，如何提高蓄電池維護(hù)的效果，隨時(shí)隨地的掌握蓄電池的性能狀況，這些措施的最終結(jié)果是盡可能的去延長蓄電池的使用壽命，讓變電站內(nèi)的直流系統(tǒng)安全與穩(wěn)定性更一步得到提高。其中，鉛酸蓄電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)圖見圖1。

4 閥控式鉛酸蓄電池的失效機(jī)理

4.1 正極板失效機(jī)理

正極在充電過程中是失電子的，不會(huì)生成氫氣，是生成氧氣；同時(shí)，在正級(jí)生成氧氣后在富液式鉛酸蓄電池中容易釋放到空氣中，在閥控式鉛酸蓄電池中會(huì)轉(zhuǎn)移到負(fù)極與活性物質(zhì)鉛反應(yīng)，或與炭材料反應(yīng)。正極板柵腐蝕的根本原因是鉛及鉛合金的熱力學(xué)不穩(wěn)定性。當(dāng)電極電動(dòng)勢(shì)大于-0.3V時(shí)，其處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)充電時(shí)，正極本來就處于陽極氧化過程，硫酸鉛與水氧化成二氧化鉛的電位、析氧電位、鉛氧化成鉛離子電位、鉛與氧氣氧化成二氧化鉛的電位，本來就擠在一起，都隨著充電過程溶液濃度以及電壓的變化參與反應(yīng)，正極腐蝕是因?yàn)椴徽摮浞烹娬龢O板柵都除以高電位的狀態(tài)下因此板柵容易腐蝕。

4.2 負(fù)極板柵失效機(jī)理

負(fù)極失效的主要原因是負(fù)極上發(fā)生梳酸鹽等相關(guān)化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)蓄電池組長期充電不足時(shí)候，就會(huì)在負(fù)極板上產(chǎn)生活性物質(zhì)，在負(fù)極表面的附著，這樣對(duì)電池壽命嚴(yán)重不好。當(dāng)電池處于半放電狀或者處于長期儲(chǔ)存不使用時(shí)，因?yàn)橥饨绛h(huán)境的溫度的變化性，電池內(nèi)部的硫酸鉛會(huì)發(fā)生再結(jié)晶。這種結(jié)晶是一種白色的固體顆粒，質(zhì)地堅(jiān)硬而粗大的，其化學(xué)物質(zhì)為硫酸鉛，因?yàn)樗L期在電池內(nèi)部存在，活性日久會(huì)失去，以后再無法參與化學(xué)反應(yīng)，這種現(xiàn)象叫做活性物質(zhì)的硫酸化。由上述反應(yīng)過程日積月累，硫酸鉛越積越多，活性物質(zhì)會(huì)越變?cè)缴伲瑒t容量漸漸降低，電池的氣體吸收能力緩緩減弱，久之電池可能會(huì)失效。

5 結(jié)束語

因變電站二次系統(tǒng)負(fù)載，特別是繼電保護(hù)這一塊，與直流系統(tǒng)是密不可分的。蓄電池為變電站內(nèi)的控制回路中的線圈或者直流電機(jī)提供可靠、安全、穩(wěn)定的直流電壓，唯有直流系統(tǒng)的可行運(yùn)行，才能保證保護(hù)正確動(dòng)作性。因此，文章針對(duì)蓄電池的穩(wěn)定性、可靠性進(jìn)行關(guān)于監(jiān)測(cè)的必要性、失效機(jī)理方面內(nèi)容進(jìn)行全方面的研究，對(duì)電力設(shè)備的安全運(yùn)行具有十分重要的可行性、參考性的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]周志敏，周紀(jì)海.閥控式密封鉛酸蓄電池實(shí)用技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2004：1.

[2]吳建國.VRLA蓄電池運(yùn)行維護(hù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析[J].電子測(cè)試，2007，7：75-78.