艦船大容量蓄電池組短路尖端放電故障機理研究

徐正喜，蔡久青，鄭中祥，陳 濤

(武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

蓄電池組是艦船重要的后備電源和應(yīng)急供電電源，隨著艦船電網(wǎng)容量的不斷增加，蓄電池組的電壓等級和容量也隨之增長。大容量蓄電池組由數(shù)百節(jié)電池模塊串聯(lián)組成，為提高蓄電池組電氣性能和運行安全性，一般各電池模塊均需配置電壓、溫度檢測單元，并將檢測數(shù)據(jù)發(fā)送至電池管理系統(tǒng)[1]。

由于各電池模塊電壓檢測線直接連接于電池模塊正負(fù)極柱，當(dāng)2根電壓檢測線同時由于絕緣損壞等問題導(dǎo)致檢測線短路時，會進一步造成電池模塊正負(fù)極短路[2-3]，從而導(dǎo)致電池模塊嚴(yán)重故障。對于由數(shù)百節(jié)電池模塊串聯(lián)組成的蓄電池組，當(dāng)多節(jié)電池模塊的檢測線發(fā)生絕緣損壞并與電池柜體接觸時，會通過檢測線、電池柜體形成大范圍的短路回路，進而導(dǎo)致大規(guī)模的電池模塊故障。

本文從偶發(fā)的一起由于2節(jié)電池模塊電壓檢測線絕緣損壞導(dǎo)致的蓄電池組短路故障出發(fā)，結(jié)合蓄電池組故障現(xiàn)象，基于蓄電池組短路故障電路模型，對短路故障過程進行細致的模態(tài)分析，闡明了短路暫態(tài)過程能量產(chǎn)生和釋放路徑，并給出了蓄電池組短路故障導(dǎo)致氣隙擊穿[4]并引發(fā)尖端放電[5]問題的物理解釋。最后針對上述故障原因，提出了具體的解決措施。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 大容量蓄電池組系統(tǒng)組成Fig. 1 Composition of large capacity battery system

艦船大容量蓄電池組系統(tǒng)組成如圖1所示。蓄電池采用免維護閥控鉛酸蓄電池，為了節(jié)省空間，電池模塊臥放于電池柜架上，匯流排從3個電池柜體正面進行串聯(lián)。每節(jié)電池模塊正負(fù)極柱均連接有電壓檢測線，采集的電壓數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)送至電池監(jiān)測模塊進行管理。

2 蓄電池組短路故障暫態(tài)分析

2.1 短路故障現(xiàn)象

圖2 第A節(jié)電池模塊燒損部位圖Fig. 2 Burning region of A battery module.

第B節(jié)電池模塊極柱連接至接線端子排的一根電壓檢測線熔斷，同時其附近數(shù)節(jié)電池模塊及電池柜體也均有灼燒變黑痕跡。與第A節(jié)電池模塊不同的是，第B節(jié)電池模塊極柱及連接極柱的銅排不僅有電弧灼燒痕跡，同時伴有明顯的燒融痕跡，故障部位及現(xiàn)象如圖3所示。

圖3 第B節(jié)電池模塊燒損部位圖Fig. 3 Burning region of B battery module.

將第A節(jié)和第B節(jié)電池模塊拆除后，測量電池模塊端電壓為2.1 V，可以排除電池模塊內(nèi)部短路，但絕緣電阻小于0.1 MΩ。進一步觀察發(fā)現(xiàn)，電池模塊電壓檢測線絕緣皮破損，破損部位如圖4所示。由于電壓檢測線與電池模塊正負(fù)極柱相連，絕緣層破損后電壓檢測線與電池柜體短接。當(dāng)?shù)贏節(jié)和第B節(jié)電池模塊電壓檢測線同時與柜體短接時，會導(dǎo)致第A節(jié)至第B節(jié)間串聯(lián)的數(shù)百節(jié)電池模塊短路。

2.2 短路故障數(shù)學(xué)建模與模態(tài)分析

為進一步分析蓄電池組短路暫態(tài)過程，建立蓄電池組短路故障等效電路模型如圖5所示。其中，n為短路電池模塊數(shù)量，E為單節(jié)電池模塊開路電壓，R、L分別為單節(jié)電池模塊等效內(nèi)阻和等效內(nèi)電感，U為蓄電池組端口電壓，I為蓄電池組短路電流，R0、L0分別為短接線路等效電阻和等效電感，Rbd為氣隙擊穿時的等效電阻。

圖4 電池模塊電壓檢測線絕緣皮破損部位圖Fig. 4 Insulation damage region of voltage detection lines.

圖5 蓄電池組短路故障等效電路Fig. 5 Equivalent circuit of short-circuit fault with battery system.

基于短路故障等效電路模型，對短路暫態(tài)過程進行模態(tài)分析，并推導(dǎo)主要電參量計算方法。

1）短路電流上升階段

故障之初在蓄電池組較高的端電壓作用下，由于電池模塊內(nèi)阻和線路短路阻抗很小，短路電流急劇上升，此時電流變化率dI/dt很大。該階段動態(tài)過程可以由下列微分方程式描述：

2）第A節(jié)電池模塊電壓檢測線熔斷階段

通過對歷史工程項目造價成本進行綜合分選，選取了以下具體參數(shù)作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參考指標(biāo)：建筑面積、層數(shù)、基礎(chǔ)類型、層高、門窗、裝飾材料、屋面工程、造價指數(shù)、室內(nèi)水暖氣電、設(shè)備及安裝費、弱電系統(tǒng)費用。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選擇為11-3-1的單隱層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，其構(gòu)成的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

短路電流同時流經(jīng)第A節(jié)和第B節(jié)電池模塊電壓檢測線，由于2節(jié)電池模塊的電壓檢測線絕緣皮破損程度不同，A，B兩節(jié)電池模塊的電壓檢測線不會同時熔斷。在該起短路故障中，急劇上升的電流在第A節(jié)電池模塊電壓檢測線上積累產(chǎn)生的熱量高于第B節(jié)電池模塊，當(dāng)銅導(dǎo)線溫度超過金屬銅的熔點后，第A節(jié)電池模塊的電壓檢測線首先熔斷。該階段動態(tài)過程可以由下列方程式描述：

式中：Q為單位長度銅導(dǎo)線熔斷熱量；c為金屬銅的比熱容；m為單位長度銅導(dǎo)線的質(zhì)量；ΔT為銅導(dǎo)線溫升值；R0A為第A節(jié)電池模塊電壓檢測線等效電阻；R0_20℃為單位長度電壓檢測線常溫下等效電阻；αR為金屬銅的電阻溫度系數(shù)。

3）第A節(jié)電池模塊氣隙擊穿階段

第A節(jié)電池模塊電壓檢測線熔斷后，短路電流急劇下降，此時電流變化率dI/dt很大，在蓄電池組端口形成很高的尖峰電壓。當(dāng)尖峰電壓值超過電池模塊極柱與電池柜體間氣隙擊穿電壓時，第A節(jié)電池模塊極柱對電池柜體尖端放電。該階段動態(tài)過程可以由下列方程式描述：

式中：Ubd為氣隙擊穿電壓，Ebd為氣隙平均擊穿場強；x為氣隙間距。

4）第B節(jié)電池模塊電壓檢測線熔斷階段

第A節(jié)電池模塊極柱對電池柜體尖端放電，使得短路回路重新形成，由于在第A節(jié)電池模塊電壓檢測線熔斷階段，急劇上升的電流同樣在第B節(jié)電池模塊電壓檢測線上積累產(chǎn)生了大量熱量，因此此階段持續(xù)時間很短，即會使第B節(jié)電池模塊的電壓檢測線熔斷，熔斷過程短路電流同樣急劇上升。該階段動態(tài)過程可以由下列方程式描述：

5）第B節(jié)電池模塊氣隙擊穿階段

同理，第B節(jié)電池模塊電壓檢測線熔斷后，短路電流急劇下降，此時電流變化率dI/dt很大，在蓄電池組端口再次形成很高的尖峰電壓，當(dāng)尖峰電壓值超過電池模塊極柱與電池柜體間氣隙擊穿電壓時，第B節(jié)電池模塊極柱對電池柜體尖端放電，電池柜體又對第A節(jié)電池模塊極柱及連接極柱的銅排放電。該階段動態(tài)過程可以由下列方程式描述：

式中：Ubd為氣隙擊穿電壓；Ebd為氣隙平均擊穿場強；x為氣隙間距。

6）熄弧階段

當(dāng)?shù)贐節(jié)電池模塊極柱對電池柜體尖端放電，同時電池柜體對第A節(jié)電池模塊極柱及連接極柱的銅排放電持續(xù)過程中，放電能量不足以維持電弧時電弧熄滅。

2.3 短路故障現(xiàn)象物理機理

為深入理解故障現(xiàn)象與各模態(tài)間聯(lián)系，從能量角度對短路故障現(xiàn)象的物理機理進行闡述。短路電流上升階段，蓄電池組中部分能量通過短路回路轉(zhuǎn)移至回路電感中。進入第A節(jié)電池模塊電壓檢測線熔斷階段，檢測線上積累的能量轉(zhuǎn)化為熱量消耗，在檢測線熔斷后，蓄電池能量向回路電感轉(zhuǎn)移過程終止。到第A節(jié)電池模塊氣隙擊穿階段，回路電感儲存的能量釋放，轉(zhuǎn)化為電離能量消耗。類似的，進入第B節(jié)電池模塊電壓檢測線熔斷階段，檢測線上積累的能量轉(zhuǎn)化為熱量消耗；到第B節(jié)電池模塊氣隙擊穿階段，回路電感儲存的能量釋放，轉(zhuǎn)化為電離能量消耗。最后熄弧階段，釋放回路電感儲存的剩余能量，持續(xù)時間較長，此時第B節(jié)電池模塊始終通過極柱對電池柜體尖端放電，而電池柜體同時對第A節(jié)電池模塊極柱及與極柱等電位的銅排放電，這也解釋了第B節(jié)電池模塊極柱相比于第A節(jié)電池模塊極柱燒融現(xiàn)象更嚴(yán)重的原因。

3 數(shù)值分析與計算

由于實際故障工況下短路阻抗、氣隙擊穿場強、接觸阻抗等因素非常復(fù)雜且不易估計，難以準(zhǔn)確求解，采用基于Matlab的數(shù)值分析方法僅能對短路故障過程的主要電參數(shù)進行初步估算，估算結(jié)果為短路電流最大達到近3 kA，A點尖峰電壓達到近20 kV，B點尖峰電壓達到近16 kV。

4 結(jié) 語

本文針對偶發(fā)的一起由蓄電池模塊電壓檢測線與柜體短路導(dǎo)致蓄電池組短路的故障，基于蓄電池組短路故障電路模型，細致分析了短路故障暫態(tài)過程各模態(tài)，并從物理機理上合理解釋了蓄電池組短路故障導(dǎo)致氣隙擊穿并引發(fā)尖端放電的現(xiàn)象。

蓄電池組短路故障極易引發(fā)火災(zāi)等嚴(yán)重危害，因此不僅在艦船應(yīng)用中，包括在電動汽車、儲能電站等其它工程應(yīng)用中都必須在設(shè)計之初予以充分考慮，有效避免嚴(yán)重故障的發(fā)生，為此提出了多層次設(shè)計方法：1）在系統(tǒng)設(shè)計上，需要全面分析電壓檢測線可能導(dǎo)致電池組短路的路徑；2）在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，應(yīng)排除電壓檢測線與柜體接觸的可能，如檢測線走線不與柜體交叉、檢測線長度短于電池極柱與柜體間距；3）在保護設(shè)計上，電池模塊電壓檢測線上可配置小型熔斷器作為保護，各低壓電池柜內(nèi)蓄電池組電壓檢測線上可配置DC220 V低壓熔斷器作為保護。即使發(fā)生短路故障，由于熔斷器動作時短路電流較小，此時1/2LI2能量很小，不足以造成危害；4）在絕緣設(shè)計上，電池柜體之間、柜體與地之間采取絕緣處理措施，柜體材料優(yōu)先選擇玻璃鋼等具有良好絕緣性能的材料。