新材料在750kV超高壓變電站VRLA直流電源容量恢復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用前景

摘 要：通過(guò)特殊儀器和設(shè)備將一種多元混合功能高分子膠體材料導(dǎo)入作為變電站直流電源的VRLA（閥控式密閉鉛酸蓄電池），能有效消除單體蓄電池因累積容量差異導(dǎo)致可靠性降低的狀況，使直流電源各單體蓄電池的容量水平趨于一致，大幅提升系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

關(guān)鍵詞：蓄電池；容量；維保

中圖分類號(hào)：TN86 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）35-0048-02

前言：104只2V800Ah的VRLA蓄電池單體串聯(lián)作為750kV超高壓變電站的直流電源，在投運(yùn)期按規(guī)程《電力系統(tǒng)用蓄電池直流電源裝置運(yùn)行與維護(hù)技術(shù)規(guī)程》（DL/T724-2000）以整組80A恒流放電10h標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全核對(duì)性放電實(shí)驗(yàn)終止時(shí)，若有單體容量低于80%或電壓低于1.8V情形出現(xiàn)時(shí)，須整組退出投運(yùn)以保證電網(wǎng)安全運(yùn)行。

圖1是我們對(duì)1個(gè)750kV變電站投運(yùn)5年期的104只VRLA直流電源進(jìn)行全核對(duì)性放電實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)比。該實(shí)驗(yàn)我們定義為蓄電池的容量恢復(fù)作業(yè)（屬于維保作業(yè)范疇）。

通過(guò)80A恒流10h放電實(shí)驗(yàn)，放電終止時(shí)我們得到了圖1的（上邊）折線，可以看出各單體蓄電池的性能差異表現(xiàn)較為明顯，其中有4只已經(jīng)出現(xiàn)了電壓低于1.8V的情形，另有幾只的電壓也已接近1.8V直線（下邊）。

我們將新疆大西越能源科技有限公司提供的一種特殊材料，通過(guò)該公司特殊的儀器和設(shè)備導(dǎo)入這批蓄電池腔體，并依照該公司的作業(yè)方法進(jìn)行了為期10d的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。作業(yè)完成后我們按照國(guó)家電網(wǎng)《直流電源系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)范》進(jìn)行了驗(yàn)收，通過(guò)80A恒流10h放電終止時(shí)，得到了圖2的（上邊）折線。

根據(jù)圖2可以看出，各單體蓄電池的性能差異表現(xiàn)趨于一致，電壓均分布在1.9～1.95V之間。

我們將實(shí)驗(yàn)前后每只蓄電池的數(shù)據(jù)逐一比對(duì)后，得到了圖3的維保前后對(duì)應(yīng)蓄電池的數(shù)據(jù)折線對(duì)比圖。

根據(jù)圖示，我們發(fā)現(xiàn)如下現(xiàn)象：

（1）通過(guò)容量恢復(fù)作業(yè)，104只蓄電池的整體電壓水平均有提升并趨于一致，基本在0.025V的電壓基準(zhǔn)線上下波動(dòng)，波動(dòng)率2.7%。這一數(shù)據(jù)與維保前相比，差異極其明顯。

（2）（上邊）折線并不是將（下邊）折線進(jìn)行整體復(fù)制提高，而是拉平在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的高位區(qū)間。該現(xiàn)象說(shuō)明導(dǎo)入到蓄電池腔體內(nèi)的材料和配套的維保儀器設(shè)備以及操作工藝，有能力將這些投運(yùn)5年的蓄電池所出現(xiàn)的累積性能差異予以消除，且整體性能均得到了提升。

（3）維保之前性能落后的單體蓄電池，通過(guò)維保后其性能有大幅提升，但是維保之前性能較好的蓄電池通過(guò)維保后，性能并未能大幅提升，而是與其他的蓄電池性能接近一致，這一現(xiàn)象說(shuō)明維保工作已經(jīng)將蓄電池的容量恢復(fù)到了最佳狀態(tài)。這一結(jié)論可以理解為這批已經(jīng)使用了5年的蓄電池通過(guò)這次維保，可以繼續(xù)投運(yùn)使用多年而不必退役報(bào)廢。

原因分析：VRLA的正極板活性物質(zhì)伴隨著充放電，會(huì)發(fā)生PbSO4和PbO2的相互轉(zhuǎn)化，由于PbSO4分子的空間占位比PbO2大，從而產(chǎn)生了正極板活性物質(zhì)在正常電化學(xué)反應(yīng)中的體積膨脹與收縮，成為極板活性物質(zhì)松軟脫落的潛在隱患。電力系統(tǒng)長(zhǎng)期在線浮充的VRLA直流電源，除了具有表現(xiàn)出負(fù)極板硫酸鹽化結(jié)晶的負(fù)極失效特征外，還表現(xiàn)出正極板晶格泥化現(xiàn)象的正極失效特征。該材料通過(guò)運(yùn)用同價(jià)晶體化合物滲入極板阻止重復(fù)結(jié)晶的持續(xù)細(xì)化，使之形成粗晶型交叉點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，使源于正極失效的VRLA蓄電池能夠恢復(fù)正常容量。

據(jù)新疆大西越能源科技有限公司技術(shù)人員介紹，本次作業(yè)中導(dǎo)入蓄電池腔體的材料是一種多元混合功能高分子膠體，這是一種介觀物質(zhì)（以分子團(tuán)簇的形式運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)），它遵循的力學(xué)規(guī)律是介于量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)之間的力學(xué)——介觀力學(xué)。該材料是由功能高分子有機(jī)膠脘與復(fù)合碰撞性無(wú)機(jī)膠脘混制形成的電解質(zhì)溶液，在電場(chǎng)激發(fā)條件下，對(duì)引起鉛蓄電池硫酸鉛結(jié)晶體具有干擾重組作用，結(jié)晶點(diǎn)陣會(huì)隨著外加電場(chǎng)的變化而出現(xiàn)規(guī)律性的分解與凝聚，對(duì)用于制造鉛電池的二氧化硅膠體具有熱溶作用，使常規(guī)以顆粒懸浮狀分布的二氧化硅膠體轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)溶液，在電場(chǎng)作用中轉(zhuǎn)變?yōu)槟z體，其在鉛蓄電池應(yīng)用方面體現(xiàn)的主要功能是能夠有效提高電解質(zhì)溶液的綜合內(nèi)能，改善觸變性無(wú)機(jī)膠脘在鉛蓄電池應(yīng)用中的電解液離子傳輸能力低、電極滲透力差及電極反應(yīng)速度慢等核心問(wèn)題。

同時(shí)，本次實(shí)驗(yàn)使用的設(shè)備及工藝可以理解為與材料配套的一種“微擾共振能量激發(fā)系統(tǒng)”，該系統(tǒng)是根據(jù)膠體能量結(jié)構(gòu)的基本數(shù)據(jù)而建立的一個(gè)“由梯度勢(shì)能場(chǎng)、振動(dòng)微擾場(chǎng)和轉(zhuǎn)動(dòng)微擾場(chǎng)結(jié)合的共振磁場(chǎng)”系統(tǒng)，該共振磁場(chǎng)系統(tǒng)可以對(duì)介觀功能膠體中的“囊態(tài)”物質(zhì)、功能高分子和水的復(fù)合分子團(tuán)簇的電極矩以及磁極矩產(chǎn)生作用。

由于稀硫酸電解液中的內(nèi)能系數(shù)（活性系數(shù)γ±和滲透系數(shù)？準(zhǔn)）與電解液的二極電離常數(shù)K2有以下的關(guān)系：

活性系數(shù)γ±=0.46+23.10K2；滲透系數(shù)=2.06+2.16K2

經(jīng)過(guò)“微擾能量共振激發(fā)系統(tǒng)”激發(fā)后的多元混合膠體電解液的“囊式膠態(tài)”分子團(tuán)簇由于其結(jié)合能由基態(tài)激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)，能級(jí)產(chǎn)生了躍遷，二級(jí)電離常數(shù)K2予以增大，使得電解液由水態(tài)變成油包水膠態(tài)（囊式膠態(tài)），導(dǎo)致“囊”內(nèi)可包容大量的硫酸根離子，在削弱硫酸的表面腐蝕力的同時(shí)，使硫酸根離子形成有序的“團(tuán)簇”形態(tài)，實(shí)現(xiàn)電解液粘度降低、滲透力增強(qiáng)的效果。

因此在材料上通過(guò)施加能量激發(fā)系統(tǒng)，可以使功能膠體的能量從基態(tài)躍遷到亞穩(wěn)態(tài)，能量等級(jí)增加，分子團(tuán)簇的活性增強(qiáng)，且分子團(tuán)簇由大變小且有序排列，最終使混合了該材料的VRLA電解液呈現(xiàn)出內(nèi)能增加、分子團(tuán)簇活性增大、粘度減小、離子定向運(yùn)動(dòng)所受的阻力減小、溶解度和離子的濃度增大、電極反應(yīng)能力增強(qiáng)等特點(diǎn)。即凡因極板硫酸鉛結(jié)晶鹽化引致失效的鉛電池，都有可能運(yùn)用這類功能高分子材料恢復(fù)正常容量。

因充電時(shí)的電量C存在﹝m﹢n（T標(biāo)稱額定-T0）/T標(biāo)稱額定﹞C標(biāo)稱的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系（m和n均為放電過(guò)程表現(xiàn)的系數(shù)，T0是以標(biāo)規(guī)額定電流Ie放電至終止電壓V0的時(shí)間值）。因此在容量恢復(fù)維保作業(yè)時(shí)，與材料配套使用的能量激發(fā)和釋放極板殘存二級(jí)能量平臺(tái)的專用設(shè)備是保證材料能夠發(fā)揮預(yù)期功效的重要條件。

這次作業(yè)，我們特意將原來(lái)分為1組和2組的208只蓄電池進(jìn)行了重新混合配組，通過(guò)維保作業(yè)我們發(fā)現(xiàn)各單體蓄電池的恢復(fù)效果均趨于一致。因此從技術(shù)角度來(lái)講，可將不同組的單體蓄電池重新混配成一組性能趨于一致的備用直流電源，當(dāng)某個(gè)站的直流電源出現(xiàn)需要整體維保時(shí)使用該備用直流電源循環(huán)周轉(zhuǎn)，即節(jié)省維保作業(yè)時(shí)間，也能降低公司運(yùn)營(yíng)成本。

結(jié)論：

從提升系統(tǒng)運(yùn)行安全性角度來(lái)講，對(duì)投運(yùn)5年左右的變電站直流電源進(jìn)行一次系統(tǒng)性容量恢復(fù)作業(yè)，能有效消除單體鉛蓄電池因投運(yùn)多年導(dǎo)致可靠性降低的狀況，使直流電源組內(nèi)各單體鉛蓄電池的容量水平趨于一致，大幅提升系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

其次，從運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)角度考慮，因個(gè)別幾只性能落后鉛蓄電池導(dǎo)致直流電源整組退役更換，會(huì)使運(yùn)營(yíng)成本大幅上升；若推廣該維保方案，相當(dāng)于既延長(zhǎng)了變電站直流電源的投運(yùn)期，也大幅降低了運(yùn)營(yíng)成本。

參考文獻(xiàn)

[1]《電力系統(tǒng)用蓄電池直流電源裝置運(yùn)行與維護(hù)技術(shù)規(guī)程》（DL/T724-2000）.

[2]劉粵榮.《多元混合膠體電解液的研究與應(yīng)用》（發(fā)表于歐洲《蓄電池》國(guó)內(nèi)《電池》2008）.

本次實(shí)驗(yàn)所使

收稿日期：2018-11-7