淺談?wù)居眯铍姵貎?nèi)阻測(cè)量監(jiān)測(cè)技術(shù)

李安

摘要：直流系統(tǒng)的穩(wěn)定對(duì)于變電站實(shí)施可靠供電十分重要，變電站內(nèi)直流系統(tǒng)主要由蓄電池提供，蓄電池內(nèi)阻對(duì)于電池性能至關(guān)重要。目前對(duì)于蓄電池內(nèi)阻的測(cè)量有很多方式，且各自有著不同的特點(diǎn)。本文著重在幾種測(cè)量方式基礎(chǔ)上提出優(yōu)化測(cè)量方案，降低測(cè)量誤差，提升測(cè)量的精度和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：站用;蓄電池;內(nèi)阻測(cè)量;監(jiān)測(cè)技術(shù)

引言

在變電站正常工作狀態(tài)下，蓄電池作為備用電源是不發(fā)揮作用的，但當(dāng)變電站發(fā)生故障時(shí)，蓄電池的作用就十分凸顯，其主要為相關(guān)控制、通信等裝置提供直流電源，確保變電站電源故障可以及時(shí)得到切斷。因此，蓄電池質(zhì)量的好壞對(duì)于變電站非常重要。目前變電站內(nèi)部絕大多數(shù)均使用的是閥控式鉛酸蓄電池，使用該蓄電池有以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：一是不需要另外進(jìn)行加電池液;二是其維護(hù)十分便捷;三是其容量較大，可以實(shí)施較大電流的放電;四是對(duì)環(huán)境的污染較小。但蓄電池性能再好，隨著使用時(shí)間的增加，蓄電池發(fā)生故障也是在所難免的。隨著使用時(shí)間的增加，蓄電池內(nèi)阻在不斷增大，且一旦發(fā)生故障均進(jìn)行整組更換，維護(hù)成本大大增加。在此背景下，發(fā)展蓄電池內(nèi)阻測(cè)量監(jiān)測(cè)技術(shù)就顯得十分重要和必要。

一、當(dāng)前存在的主流測(cè)量監(jiān)測(cè)方式

蓄電池在長(zhǎng)期使用過程中產(chǎn)生的內(nèi)阻相對(duì)較小，其測(cè)量檢測(cè)較為困難，且在其工作時(shí)無(wú)法實(shí)施在線監(jiān)測(cè)。蓄電池的容量和內(nèi)阻成反比，當(dāng)內(nèi)阻值達(dá)到或高于30%至50%時(shí)，容量達(dá)到臨界狀態(tài)。當(dāng)前主要有以下幾種測(cè)量方式。

（一）實(shí)施直流測(cè)量

該方法主要在蓄電池整體放電時(shí)通過其壓降實(shí)施測(cè)量，?具體來(lái)說就是在放電回路中實(shí)施單個(gè)二極管的串聯(lián)，實(shí)施測(cè)量時(shí)，進(jìn)行空開切換，此時(shí)充電回路斷開，放電回路開放，蓄電池發(fā)揮著備用的作用。該方法主要缺點(diǎn)：一是需要人工實(shí)施操作，便捷性較差;二是電流較大時(shí)，如果發(fā)生空開跳開，會(huì)造成較為嚴(yán)重的安全隱患。

（二）實(shí)施交流測(cè)量

與直流測(cè)量不同的是，交流測(cè)量又可以區(qū)分為交流放電測(cè)量和交流電流注入測(cè)量?jī)煞N：交流放電測(cè)量法的基本原理是通過附加可控負(fù)載的方式進(jìn)行測(cè)量，可控負(fù)載與蓄電池產(chǎn)生回路，從而得出交流電壓，通過對(duì)電壓和電流的采集，可以計(jì)算出蓄電池的內(nèi)阻。通過研究人員不斷的試驗(yàn)，當(dāng)交流放電電流是3Hz時(shí)，計(jì)算得出的蓄電池的電阻最接近真實(shí)值，這就需要對(duì)附加的負(fù)載進(jìn)行準(zhǔn)確控制。交流電流注入測(cè)量主要采取直流和交流信號(hào)疊加法實(shí)施，其基本原理是將蓄電池作為有源電阻對(duì)待，同時(shí)在此回路中進(jìn)行交流電流的注入，從而在蓄電池兩端產(chǎn)生交流電壓，通過電壓和電流數(shù)據(jù)的采集，可以計(jì)算出蓄電池的內(nèi)阻。此種測(cè)量方式的特點(diǎn)：一是其可以不受放電電流的影響;二是對(duì)電池的沖擊不大;三是只要注入電流的頻率科學(xué)，可以有效減少電紋波干擾;四是其不受直流回路的影響，交流電流可以直接作用于電池，其內(nèi)阻可以引起交流電壓的變化;五是測(cè)量的準(zhǔn)確度較高。此測(cè)量方式的主要缺點(diǎn)是有可能會(huì)導(dǎo)致變電站保護(hù)裝置發(fā)生誤操作，所以在實(shí)踐中用此法測(cè)量較少。

（三）實(shí)施優(yōu)化測(cè)量法

通過以上闡述不難看出，交流放電測(cè)量方式對(duì)系統(tǒng)工作沒有明顯影響，也不受直流回路的影響，對(duì)于蓄電池的影響也較小。所以交流放電更適合蓄電池內(nèi)阻的測(cè)量。但由于內(nèi)阻的數(shù)值較小，一般閥控式鉛酸蓄電池其內(nèi)阻值均在3.8mΩ左右，且在采樣時(shí)需要接觸電阻，對(duì)精度會(huì)產(chǎn)生較大影響，因此提出此優(yōu)化方式。

對(duì)單個(gè)電阻實(shí)施采樣時(shí)，采用的計(jì)算方式為Ir+IΔr=U，該計(jì)算式中，r為內(nèi)阻，Δr為接觸電阻和線路電阻，I為注入電流，U為電壓。一般情況下，計(jì)算出的內(nèi)阻有較大的誤差，及時(shí)采用數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)，也會(huì)產(chǎn)生不準(zhǔn)確性。但通過交叉測(cè)量采點(diǎn)方式，就可以在各個(gè)點(diǎn)位之間測(cè)量出電壓。具體為1點(diǎn)和3點(diǎn)間，2點(diǎn)和4點(diǎn)間以及3點(diǎn)和5點(diǎn)間。具體方程為：

Ir1+Ir2+IΔr=U13

Ir2+Ir3+IΔr=U24

Ir3+Ir4+IΔr=U35

通過三個(gè)等式就可以較為精確的得出蓄電池的內(nèi)阻值，從而達(dá)到消除誤差影響的目的。

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圖1?電池組采樣圖

二、系統(tǒng)主要構(gòu)成

具體如圖2所示，主要由主控制器，多路選擇開關(guān)和濾波器構(gòu)成，其中主控制器型號(hào)為DSP28335，有著較為豐富的接口，計(jì)算能力較快，可以滿足系統(tǒng)需要。其主要原理為：一是通過主控制器生成驅(qū)動(dòng)信號(hào);二是該信號(hào)通過選擇開關(guān)的選擇形成交流的放電回路;三是形成回路的同時(shí)，控制器驅(qū)動(dòng)多路開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集，通過對(duì)電流信號(hào)和電壓的采集，信號(hào)放大后，經(jīng)濾波器調(diào)理，再有總控制器實(shí)施分析處理。

圖2?蓄電池監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)圖

（一）溫度測(cè)試模塊

溫度對(duì)于蓄電池性能的影響是顯而易見的，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的蓄電池溫度應(yīng)控制在25℃，高于此溫度時(shí)，蓄電池的內(nèi)阻會(huì)出現(xiàn)降低情形。隨著內(nèi)阻的降低，電流會(huì)不同程度的出現(xiàn)加大趨勢(shì)，在這一過程中蓄電池的溫度會(huì)進(jìn)一步增加，蓄電池中的電解液會(huì)進(jìn)一步揮發(fā)增發(fā)，導(dǎo)致電池使用壽命縮短。平時(shí)工作實(shí)踐中，蓄電池的存放必須具備一定的條件，對(duì)于極個(gè)別單個(gè)存放的蓄電池要及時(shí)搞好檢查，一旦發(fā)現(xiàn)溫度增高情形，必須要及時(shí)采取電池補(bǔ)償舉措或是降溫舉措，以此來(lái)及時(shí)止損，提升電池使用壽命。蓄電池溫度檢測(cè)一般采用的是DS18B20傳感器，該傳感器的優(yōu)點(diǎn)是線路較為簡(jiǎn)單，且體積較小，一條通信線上可以懸掛多個(gè)，每個(gè)傳感器均會(huì)賦予單獨(dú)的序列號(hào)，傳感器的數(shù)據(jù)可以較為便捷的讀取出來(lái)。該傳感器測(cè)量溫度的范圍較廣，完全可以滿足溫度采集的需要。

（二）電壓監(jiān)測(cè)模塊

電壓監(jiān)測(cè)模塊主要由控制端和多路開關(guān)構(gòu)成，控制端主要負(fù)責(zé)發(fā)出控制信號(hào)，信號(hào)由采集端流入串聯(lián)的電阻，此種方式不僅可以有效限制電流，還可以在回路中發(fā)生短路時(shí)，將電流降到最低，降低對(duì)蓄電池造成的影響。由于電壓中的紋波信號(hào)存在，交流放電采取的也是交流信號(hào)，所以必須采用帶通濾波電路，在工作實(shí)踐中，也可根據(jù)輸出波形的不同選擇不同的元器件，由于采集到的信號(hào)較為微弱，一般均在0至3V之間，所以設(shè)計(jì)電壓時(shí)可以有效抬高電路，然后在控制器中利用一定的算法進(jìn)行信號(hào)的還原，一般采取傅里葉變換法實(shí)施對(duì)交流信號(hào)的有效變換。

（三）交流放電回路

控制信號(hào)由控制器發(fā)出，經(jīng)光耦隔離后，發(fā)送至驅(qū)動(dòng)輸入端導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)能明顯顯著增加，開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)能又可以使交流放電回路控制得更為精準(zhǔn)，開關(guān)管的開斷又可以使電池形成交流放電回路，通過R1兩端電壓可以計(jì)算得出電流值，其中放電電流也可以通過互感器測(cè)得。電流信號(hào)處理方式同電壓信號(hào)處理。

（四）上位機(jī)模塊

主要采取的開發(fā)工具為PHP服務(wù)器，前端開發(fā)工具主要采用Java和HTML5語(yǔ)言等，通過無(wú)線通信的方式可以將數(shù)據(jù)情況發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)情況自行判斷內(nèi)阻是否處于安全運(yùn)行狀態(tài)，如果數(shù)據(jù)異常，上位機(jī)則顯示報(bào)警狀態(tài)，監(jiān)控人員根據(jù)報(bào)警狀態(tài)可自行判斷性能情況。對(duì)于不同序號(hào)的電池，上位機(jī)可顯示各自的電壓、內(nèi)阻、溫度數(shù)據(jù)，只要超過一定的限定值，上位機(jī)就會(huì)發(fā)出警報(bào)。

三、優(yōu)化測(cè)試方式發(fā)展趨勢(shì)

采用此優(yōu)化測(cè)試的原理和方式，對(duì)于站內(nèi)蓄電池內(nèi)阻和電壓的測(cè)試還可以實(shí)施進(jìn)一步的智能化升級(jí)改造，就是研制直流電源綜合測(cè)試智能手套，智能手套外觀與普通絕緣手套大致相同，測(cè)試插針可固定于手套的指套位置，方便測(cè)量蓄電池的兩極;手套背部裝有液晶顯示屏，可顯示測(cè)量數(shù)據(jù);內(nèi)部具有數(shù)據(jù)儲(chǔ)存功能，自動(dòng)儲(chǔ)存測(cè)試記錄;測(cè)試數(shù)據(jù)無(wú)需連接數(shù)據(jù)線，可以通過無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)。智能手套內(nèi)的設(shè)備均采用嵌入式，真正做到智能化、實(shí)用化，從而滿足實(shí)際生產(chǎn)安全和高效的需要。使用此方式：一是非常安全，蓄電池作為電源設(shè)備，具有一定的風(fēng)險(xiǎn)，手套的絕緣材質(zhì)保證了作業(yè)人員的安全，這是現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)最重要的環(huán)節(jié);二是輕便且易操作，作為一種測(cè)試儀便于攜帶，強(qiáng)大的功能簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)工作的繁瑣步驟，完成工作省力省時(shí)，減少工作人員的負(fù)擔(dān)效果顯著;三是智能化程度較高，靈活的設(shè)計(jì)讓它能輕松適配不同的作業(yè)現(xiàn)場(chǎng);四是可拓展性強(qiáng)。智能手套的設(shè)計(jì)是面對(duì)蓄電池適用，即使不同行業(yè)、不同廠家、不同型號(hào)的蓄電池同樣適用。

四、結(jié)語(yǔ)

本文列舉了蓄電池內(nèi)阻測(cè)量的兩種主要方式，并深入客觀分析了兩種方式存在的優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，提出了優(yōu)化方案和措施，即通過控制多路選擇繼電器，實(shí)施蓄電池內(nèi)阻的交叉測(cè)量。此方式可以較好的消除蓄電池測(cè)試帶來(lái)的影響，提升測(cè)量的質(zhì)效和精確度，針對(duì)電池處于浮充狀態(tài)，電阻增大導(dǎo)致壽命縮短的實(shí)際，本文由介紹了三種模塊的設(shè)計(jì)方式。從整體來(lái)看，此優(yōu)化設(shè)計(jì)比較科學(xué)合理，具備較好的應(yīng)用價(jià)值。

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