變電站蓄電池充放電異常的原因分析及處理

加根茂

(國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司渭南供電公司，陜西 渭南 714000)

變電站蓄電池充放電異常的原因分析及處理

加根茂

(國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司渭南供電公司，陜西 渭南 714000)

介紹了一起110 kV變電站直流系統(tǒng)更新改造過(guò)程中出現(xiàn)的蓄電池充放電異常問(wèn)題，通過(guò)對(duì)浮充和均充狀態(tài)下電流分布分析，指出2組并聯(lián)蓄電池在均充狀態(tài)下電壓不一致和充電電流過(guò)大是導(dǎo)致其充放電異常的原因，提出了改進(jìn)接線或臨時(shí)改變2組蓄電池運(yùn)行方式的解決方案。

蓄電池；充放電；均充；浮充

0 引言

2016-04-07，對(duì)某變電站直流系統(tǒng)2組蓄電池進(jìn)行了更新改造，改造后的單只電池規(guī)格為12 V，100 Ah，直流系統(tǒng)額定電壓為220 V。充電裝置接線及在浮充電運(yùn)行狀態(tài)下的電流分布如圖1所示。新更換的直流設(shè)備為1套充電裝置帶2組蓄電池配置方式，2組蓄電池均通過(guò)2個(gè)二極管與充電裝置和直流母線并聯(lián)。正常運(yùn)行時(shí)，充電裝置除向2組蓄電池浮充電外，還向直流負(fù)載供電。

1 全容量放電試驗(yàn)異常

在新設(shè)備安裝調(diào)試結(jié)束后，系統(tǒng)處在正常的浮充狀態(tài)。此時(shí)，充電機(jī)輸出電流5.5 A，輸出電壓230 V，電池電流0.4 A，2組電池電壓均為229 V。按規(guī)定對(duì)新安裝的蓄電池組進(jìn)行全容量放電試驗(yàn)。

圖1 充電裝置在浮充電運(yùn)行狀態(tài)下的電流分布

對(duì)第1組電池進(jìn)行放電試驗(yàn)。先斷開(kāi)第1組電池總保險(xiǎn)，然后通過(guò)放電開(kāi)關(guān)對(duì)電池進(jìn)行10 h率電流放電，放電完畢后，合上第1組電池總保險(xiǎn)。此時(shí)充電裝置由浮充轉(zhuǎn)入均充狀態(tài)，對(duì)2組電池進(jìn)行均衡充電。屏面上充電機(jī)均充輸出電流為18.7 A，輸出電壓為206 V，蓄電池電流指示值為13.6 A。第1組電池電壓顯示值和充電機(jī)輸出電壓顯示值均為206 V。第2組電池電壓顯示值為218 V。

從圖1的充電裝置接線看，2組電池均通過(guò)2只二極管與充電裝置和直流母線并聯(lián)，并由充電裝置向其進(jìn)行均衡充電，它們的電壓應(yīng)該是一致的，但2組電池卻出現(xiàn)均充電壓不一致的異?，F(xiàn)象。

2組電池唯一的不同之處在于，第1組電池剛放完電，第2組電池處于滿容量狀態(tài)。結(jié)合蓄電池充電原理分析，由于充電裝置在均充狀態(tài)下是穩(wěn)流限壓，對(duì)于剛放完電的第1組電池，若要對(duì)其恒流充電，充電裝置的輸出電壓只能隨著第1組電池電壓的升高而升高，所以，此時(shí)的輸出電壓只能是206 V。而第2組電池處于滿容量浮充狀態(tài)，它的電壓就是充電裝置設(shè)定的浮充電壓230 V。當(dāng)重新投入空容量的第1組電池時(shí)，充電裝置以206 V的電壓轉(zhuǎn)入均充狀態(tài)，而第2組電池電壓還基本保持在230 V，此時(shí)充電裝置顯然不會(huì)對(duì)第2組電池充電。稍后第2組電池電壓由230 V下降到218 V，說(shuō)明第2組電池存在放電的可能。因第1，2組電池間有隔離二極管，故第2組電池不可能對(duì)第1組電池放電，更不可能給充電裝置放電，唯一的放電渠道就是站用直流負(fù)載。

2 電流分布分析

從圖1可以看出，2組蓄電池通過(guò)各自的1對(duì)二極管并接于充電機(jī)和直流母線上，其目的在于防止2組電池間的環(huán)流。對(duì)浮充電和均充電運(yùn)行狀態(tài)下電流分布進(jìn)行如下分析。

2.1 充電裝置在浮充電運(yùn)行狀態(tài)下的電流分布

在正常運(yùn)行狀態(tài)下，充電裝置運(yùn)行在浮充狀態(tài)，充電裝置在供給直流負(fù)載電流的同時(shí)，還以一個(gè)不大的電流向2組蓄電池進(jìn)行浮充電，以彌補(bǔ)電池內(nèi)部的自放電，使2組電池始終處于滿容量狀態(tài)。浮充狀態(tài)時(shí)，盤(pán)中表計(jì)顯示的充電機(jī)輸出電流I為5.5 A；蓄電池電流表A1，A2為0.4 A，即圖1中的I=5.5 A，Ifc=0.4 A；站用直流負(fù)荷為5.1 A，即Ifz=5.1 A。其電流流向分布如圖1所示。

如果認(rèn)為2組蓄電池性能一致，根據(jù)基爾霍夫電流定律，可知I1=I2=2.75 A，I3=I4=2.55 A，Ifc1=Ifc2=0.2 A，即充電機(jī)通過(guò)二極管D2，D4向直流正母線提供的負(fù)荷電流均為2.55 A。所以Ifz=I3+I4=5.1 A，充電機(jī)向2組電池的浮充電流均為0.2 A，則表計(jì)顯示電池總的浮充電流為2者之和，即Ifc=Ifc1+Ifc2=0.4 A。那么，流入充電機(jī)電流I=Ifc+Ifz=0.4+5.1=5.5 A，流入充電裝置的電流等于流出充電裝置的電流，符合基爾霍夫電流平衡原理。所以在正常運(yùn)行狀態(tài)，即浮充狀態(tài)下，設(shè)備能夠滿足直流負(fù)載和2組蓄電池的浮充電需要。

2.2 充電裝置在均充電運(yùn)行狀態(tài)下的電流分布

當(dāng)1組蓄電池放電后給蓄電池充電時(shí)，充電機(jī)處于均充狀態(tài)，正確的運(yùn)行方式是：充電機(jī)以10 h率充電電流給一組蓄電池充電的同時(shí)，也要保證直流負(fù)載的供電電流。在第1組電池放電后進(jìn)行充電時(shí)，盤(pán)面表計(jì)測(cè)量出的充電機(jī)輸出電流為18.7 A，輸出電壓207 V。直流負(fù)荷電流仍為5.1 A。蓄電池電流表A1，A2為13.6 A，第1組電池充電電壓206 V，第2組電池電壓218 V。即圖2中I=18.7 A，Idc=13.6 A，Ifz=5.1 A。其電流流向分布如圖2所示。

由于在充電時(shí)，監(jiān)控器顯示第1組蓄電池電壓為206 V，第2組電池電壓為218 V。由此可知c點(diǎn)電位高于a點(diǎn)電位，b點(diǎn)電位高于d點(diǎn)電位，所以圖2中電流I2=0，I3=0。根據(jù)基爾霍夫電流定律，可知I1=18.7 A，Icd=18.7 A，而蓄電池電流表讀數(shù)為Idc=13.6 A，所以，I4=Icd-Idc=18.7-13.6=5.1 A，流入充電機(jī)電流I=Idc+Ifz=13.6+5.1=18.7 A。流入充電裝置的電流等于流出充電裝置的電流，同樣符合基爾霍夫電流平衡原理。

圖2中，I4從第2組電池的負(fù)極流入，正極流出，且通過(guò)電池的電流剛好等于負(fù)載電流，說(shuō)明此時(shí)第2組電池以5.1 A的電流在向負(fù)載放電，那么第2組電池的電壓必然隨著放電過(guò)程而持續(xù)下降。當(dāng)b，c點(diǎn)電位低于a，d點(diǎn)電位時(shí)，第2組電池立即停止放電，充電裝置開(kāi)始向2組電池共同均充電。這時(shí)電流分布狀況和2.1節(jié)所述的充電裝置在浮充電運(yùn)行狀態(tài)下的電流分布情況一樣，負(fù)載電流由充電裝置供給。

2.3 電流分布分析總結(jié)

圖2 充電裝置在均充電運(yùn)行狀態(tài)下的電流分布

從以上分析可知，充電裝置在向一組電池充電初期，另一組電池處于放電狀態(tài)，其電壓必然會(huì)下降，這就是2組電池均充電壓不一致的真正原因。

通過(guò)圖2電流分布分析，還發(fā)現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題：第1組電池的充電電流Icd達(dá)到了18.7 A，而本站安裝的蓄電池單只容量為12 V 100 Ah，其10 h率充電電流應(yīng)為10 A，如此大的充電電流極易造成蓄電池提前損壞。

3 解決方法

本充電裝置的特殊之處在于有2組并聯(lián)的蓄電池，且2組蓄電池平常均處在運(yùn)行狀態(tài)，充放電過(guò)程會(huì)互相干擾。通過(guò)對(duì)接線圖深入分析，采取以下措施解決上述問(wèn)題。

3.1 改進(jìn)接線方式

改進(jìn)后的接線如圖3所示，在原來(lái)接線的基礎(chǔ)上增加1個(gè)獨(dú)立的充電單元，專門(mén)給電池組充電。

本裝置一共有5只額定電流為5 A的充電模塊，而將12 V 100 Ah的電池用于浮充電過(guò)于浪費(fèi)，所以為了節(jié)約成本，將其中2只充電模塊分離出來(lái)，作為1個(gè)獨(dú)立的充電單元，其輸出端通過(guò)2個(gè)空開(kāi)分別接入2組蓄電池保險(xiǎn)電池側(cè)，專門(mén)給蓄電池充電；剩余的3只充電模塊作為浮充單元。其余接線保持不變。

具體運(yùn)行過(guò)程：正常運(yùn)行時(shí)，由浮充充電單元向直流負(fù)載供電并向2組電池進(jìn)行浮充電，而充電單元模塊處于斷電狀態(tài)。在蓄電池充放電試驗(yàn)時(shí)，先斷開(kāi)需要放電試驗(yàn)的電池保險(xiǎn)，例如對(duì)第1組電池進(jìn)行充放電時(shí)，先斷開(kāi)第1組電池的保險(xiǎn)，然后對(duì)第1組電池進(jìn)行放電。放電完畢后斷開(kāi)放電開(kāi)關(guān)，再投入第1組電池充電開(kāi)關(guān)K1，接通充電單元控制開(kāi)關(guān)，對(duì)第1組電池進(jìn)行均衡充電。充電完畢后關(guān)斷充電單元，斷開(kāi)充電開(kāi)關(guān)K1，然后合上第1組電池保險(xiǎn)，將充滿電的第1組電池并接于浮充單元和直流母線上，恢復(fù)到正常的浮充電運(yùn)行狀態(tài)。

這就避免了在給一組電池充電時(shí)充電電流過(guò)大，而另一組電池對(duì)負(fù)載放電的情況。

3.2 臨時(shí)改變蓄電池運(yùn)行方式

在不改變?cè)瓉?lái)接線方式的情況下，臨時(shí)改變蓄電池運(yùn)行方式，也可以避免2組電池同時(shí)運(yùn)行時(shí)充放電異常的情況。

具體操作為：在給一組電池充電時(shí)，拔下另一組電池總保險(xiǎn)，使另一組電池退出運(yùn)行。這時(shí)，充電裝置運(yùn)行方式為單充單電池組運(yùn)行方式，充電裝置一方面給放電后的電池組充電，另一方面給變電站直流負(fù)載提供電流。當(dāng)充電的電池組充滿電后，充電裝置自動(dòng)轉(zhuǎn)為正常的浮充運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，再合上退出運(yùn)行的另一組電池保險(xiǎn)，恢復(fù)到原來(lái)的2組電池并列浮充電運(yùn)行方式。為了方便操作，可以把2組電池總保險(xiǎn)換成具有脫扣功能的直流斷路器。

圖3 改進(jìn)后的接線

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)因接線設(shè)計(jì)不合理帶來(lái)的蓄電池充放電異常的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)電流分布的情況分析，找出了放電異常的根本原因，并針對(duì)性地提出了2種解決方案：一是對(duì)直流系統(tǒng)接線進(jìn)行改造；二是臨時(shí)改變蓄電池運(yùn)行方式。這2種方案都可以在不增加經(jīng)濟(jì)投入的情況下，解決蓄電池充放電異常的現(xiàn)象，存在類似問(wèn)題的變電站可根據(jù)實(shí)際情況選擇適合的處理方案。

2016-09-28；

2016-12-04。

加根茂(1963—)，男，工程師，主要從事直流設(shè)備安裝、運(yùn)行與維護(hù)工作，email：wnjgm@163.com。