淺談蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在地鐵安全運(yùn)營(yíng)中的作用

摘要：地鐵做為北京市交通運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，它高效便捷的特點(diǎn)使其成為北京市交通運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分。本文以北京地鐵多年來(lái)的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，充分考慮到北京地鐵在首都交通運(yùn)輸中的關(guān)鍵作用，從平穩(wěn)、可靠、安全的運(yùn)營(yíng)角度出發(fā)，結(jié)合地鐵日常運(yùn)營(yíng)維護(hù)的特點(diǎn)，著重闡述了蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在地鐵供電系統(tǒng)中的重要意義，以及在保障安全運(yùn)營(yíng)中發(fā)揮的作用，詳細(xì)分析了引發(fā)蓄電池故障的可能性，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，淺談應(yīng)用測(cè)量浮充電壓、測(cè)量電池表溫、測(cè)量電池內(nèi)阻的原理和優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：蓄電池監(jiān)測(cè);內(nèi)阻;浮充電壓;表溫

緒論

蓄電池是電力電源系統(tǒng)中的重要組成部分，它作為直流供電電源，主要擔(dān)負(fù)著為電力系統(tǒng)中二次系統(tǒng)負(fù)載提供安全、穩(wěn)定、可靠的電力保障，確保微機(jī)保護(hù)和通信設(shè)備的正常平穩(wěn)運(yùn)行。因此，能夠時(shí)刻掌握電池運(yùn)行狀況也就有十分重要的意義。然而蓄電池經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的使用后，易因活性物質(zhì)脫落、板柵腐蝕或極板變形、硫化等因素，而使容量逐漸降低直至失效，電池老化和失效后突出的表現(xiàn)就是內(nèi)阻增大。尤其在北京地鐵這種地下密閉空間布置的電池來(lái)說(shuō)，如果發(fā)生起火冒煙等危險(xiǎn)，后果將會(huì)非常嚴(yán)重，目前北京地鐵的變電站已經(jīng)全面實(shí)行無(wú)人值守。所以，找出落后的電池，并將其予以及時(shí)處理，快速消除隱患，就是地鐵運(yùn)檢人員的其中一項(xiàng)工作。

一、閥控式密封鉛酸蓄電池（VRLA）應(yīng)用場(chǎng)景

1、蓄電池在北京地鐵中的重要作用

蓄電池的作用就是作為電能儲(chǔ)存裝置安裝在電源屏內(nèi)部，當(dāng)市政電網(wǎng)發(fā)生停電或者波動(dòng)或者倒閘操作時(shí)，能提供不間斷的穩(wěn)定電源。目前北京地鐵的主要供電系統(tǒng)包含10kV系統(tǒng)、直流牽引系統(tǒng)、低壓400V系統(tǒng)，這三大系統(tǒng)中都采用直流電源供電，目的就是在市政電網(wǎng)發(fā)生停電或者波動(dòng)以及倒閘操作時(shí)，保證其穩(wěn)定不間斷工作。

2、閥控式密封鉛酸蓄電池在北京地鐵中的現(xiàn)狀

北京地鐵1號(hào)線始建于1976年，內(nèi)部空間狹小，設(shè)備機(jī)房的通風(fēng)條件十分有限，這樣就導(dǎo)致工作環(huán)境粉塵大、溫度高，需要格外注意蓄電池運(yùn)行狀況。以1號(hào)線八寶山站變電站為例，站內(nèi)溫度常年維持在35攝氏度以上，然而蓄電池的理想運(yùn)行溫度是25攝氏度，溫度過(guò)高就會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)電解液流動(dòng)性提高，加劇化合反應(yīng)使電池內(nèi)部升溫，使相當(dāng)一部分充電電流轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致電池內(nèi)部升溫，進(jìn)入惡性循環(huán)，同時(shí)產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)擴(kuò)散出去，加速電解液的損失，因此閥控式鉛酸蓄電池壽命的第一“殺手”就是高溫。隨著使用時(shí)間的增加，必然會(huì)有個(gè)別或部分電池導(dǎo)致內(nèi)阻變大，呈退行性老化現(xiàn)象。

3.監(jiān)測(cè)蓄電池內(nèi)阻可以及時(shí)了解電池的健康狀況

蓄電池的電壓、電流、溫度都是其重要運(yùn)行參數(shù)，但是不能反映蓄電池內(nèi)部狀態(tài)。內(nèi)阻作為國(guó)際公認(rèn)的對(duì)蓄電池最有效的，測(cè)量最便捷的性能參數(shù)，能夠反映蓄電池的劣化程度，容量狀態(tài)等性能指標(biāo)，而蓄電池失水、負(fù)極板硫化、正極板腐蝕是造成內(nèi)阻升高的主要原因。

蓄電池組的容量是以狀況最差的那一塊電池的容量值為準(zhǔn)，當(dāng)電池容量下降到原來(lái)的80%以下時(shí)，電池便進(jìn)入衰退狀況，衰退期很短，這時(shí)電池組已存在極大的事故隱患。

二、蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在地鐵中的實(shí)際應(yīng)用

1、蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的必要性

隨著蓄電池的廣泛應(yīng)用，特別是備用電源中的應(yīng)用，由于蓄電池的運(yùn)行要求比較嚴(yán)格，電池在偏離了正確的使用條件下運(yùn)行會(huì)影響電池使用壽命，甚至造成嚴(yán)重的后果，因此，2009年6月1日開始執(zhí)行新的《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50174—2008，對(duì)蓄電池的管理提出了明確的要求，特別是對(duì)A級(jí)機(jī)房的蓄電池要求監(jiān)測(cè)到每一塊電池，這對(duì)于提高機(jī)房應(yīng)對(duì)供電災(zāi)難的水平意義重大。

2、蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成部分

1號(hào)線直流屏電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由系統(tǒng)管理單元（主機(jī)）、單體監(jiān)測(cè)模塊、系統(tǒng)管理軟件等部分組成。蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，蓄電池單體檢測(cè)模塊的檢測(cè)線通過(guò)可插拔接頭與電池的正負(fù)接線柱連接，負(fù)責(zé)采集蓄電池的電壓、內(nèi)阻、溫度，通過(guò)監(jiān)測(cè)主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，最后通過(guò)柱狀圖在屏幕上顯示出來(lái)，供巡視人員實(shí)時(shí)監(jiān)管。每個(gè)單電池監(jiān)測(cè)模塊安裝在電池外殼上，通過(guò)正負(fù)極接線為模塊供電并且對(duì)電池的浮充電壓和內(nèi)阻進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)每個(gè)模塊上嵌有熱敏電阻，通過(guò)電阻隨溫度近似于直線的變化，來(lái)反映出電池表面的溫度。然后監(jiān)測(cè)主機(jī)根據(jù)設(shè)定的報(bào)警值，找出狀態(tài)不好的電池，發(fā)出報(bào)警。

蓄電池監(jiān)測(cè)模塊安裝示意圖

三、蓄電池的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目以及原理研究

閥控式鉛酸蓄電池組一般監(jiān)測(cè)以下三項(xiàng)重要指標(biāo)

（1）監(jiān)測(cè)單電池的浮充電壓

1號(hào)線直流屏電池組的浮充電壓是固定的，一般為243V，平均一節(jié)電池13.5V，當(dāng)某一節(jié)電池內(nèi)阻升高時(shí)，分得的電壓就會(huì)升高，健康的電池充電電壓會(huì)維持在14V以下。電壓過(guò)高會(huì)引起蓄電池正極腐蝕和失水，降低蓄電池容量，并且引起電池發(fā)熱。因此測(cè)量單電池的浮充電壓成為一種快速判斷電池性能好壞的標(biāo)準(zhǔn)之一。

（2）監(jiān)測(cè)蓄電池的溫度。

電池在充放電過(guò)程中都會(huì)伴隨著發(fā)熱，這就是電流引起的焦耳熱，因此內(nèi)阻越高，產(chǎn)生的熱量就越大，從而引起蓄電池內(nèi)部溫度的升高，因此溫度和內(nèi)阻之間存在著正比的關(guān)系。還有一種就是電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱，蓄電池的充放電過(guò)程為化學(xué)反應(yīng)，過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生不可避免的熱量，這都是正常的溫升現(xiàn)象，一般不會(huì)超過(guò)45攝氏度。因此蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的溫度是一種非正常的溫度升高，在1號(hào)線電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中設(shè)置的溫度定值為50攝氏度，當(dāng)發(fā)生溫度報(bào)警時(shí)應(yīng)引起足夠重視。

（3）監(jiān)測(cè)內(nèi)阻，直接反應(yīng)蓄電池的性能

閥控式鉛酸蓄電池的內(nèi)阻與蓄電池故障機(jī)理：

①腐蝕。正極板和負(fù)極板的腐蝕使蓄電池金屬通道減少，金屬電阻增大。

②硫酸鹽化。由于一部分有效物質(zhì)轉(zhuǎn)化為硫酸鹽，涂膏的電阻增大會(huì)使蓄電池的內(nèi)阻增大。

③干涸。干涸是閥控鉛酸蓄電池所特有的最嚴(yán)重的故障，干涸將使相鄰板柵間導(dǎo)電通道電阻增大。

因此，根據(jù)內(nèi)阻變化可以檢測(cè)蓄電池性能的部分問(wèn)題，在蓄電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，其實(shí)質(zhì)就是極板上的活性物質(zhì)和稀硫酸電解液發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電流。在這個(gè)電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，經(jīng)常伴隨著一種學(xué)名叫“硫酸鹽化的”負(fù)反應(yīng)，也就是鉛和硫酸生成了一種硫酸鉛，硫酸鉛是一種絕緣體，它的形成必將對(duì)電池的充放電產(chǎn)生極不好的影響，因?yàn)樵谪?fù)極板上形成的硫酸鹽越多，電池的內(nèi)阻越大。

4、測(cè)量蓄電池內(nèi)阻的原理方法

監(jiān)測(cè)蓄電池的內(nèi)阻，作為精確且及時(shí)判斷電池性能的關(guān)鍵參數(shù)，被電力行業(yè)廣泛認(rèn)可，因而現(xiàn)在的熱點(diǎn)研究方向是對(duì)單體蓄電池的內(nèi)阻監(jiān)測(cè)。

閥控式鉛酸蓄電池內(nèi)阻檢測(cè)原理概述：

系統(tǒng)控制監(jiān)測(cè)模塊給電池兩極注入一個(gè)恒定交流信號(hào)，由于蓄電池存在歐姆阻抗和極化阻抗，然后模塊測(cè)量電池兩端電壓變化，通過(guò)歐姆定律，用電壓降除以恒定電流就是被測(cè)電阻的值。這種方法能夠一定程度上減少導(dǎo)線引起的誤差，提高測(cè)量精度。北京地鐵1號(hào)線安裝的蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在測(cè)量誤差較大的情況，究其原因如下：檢測(cè)導(dǎo)線通過(guò)插頭與蓄電池連接，這樣的安裝方式的優(yōu)點(diǎn)是方便模塊出現(xiàn)故障后進(jìn)行更換，方便檢修?？僧?dāng)蓄電池清掃后插頭會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)或者長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，接觸面發(fā)生氧化后，就會(huì)導(dǎo)致線的阻值增大。以100AH蓄電池為例，其合格內(nèi)阻值為4毫歐左右，當(dāng)檢測(cè)模塊的檢測(cè)線出現(xiàn)輕微松動(dòng)后，經(jīng)過(guò)測(cè)量，線的阻值已經(jīng)上升了10幾毫歐，所以導(dǎo)致這些線阻反映在了電池內(nèi)阻上，出現(xiàn)測(cè)量誤差，導(dǎo)致誤報(bào)警的出現(xiàn)，目前這種情況在1號(hào)線出現(xiàn)的概率很高。

目前我們嘗試對(duì)監(jiān)測(cè)模塊加以改進(jìn)，把連接插頭換成了接線端子，檢測(cè)線用螺絲固定的方式與模塊連接，這樣就解決了插頭松動(dòng)的問(wèn)題，又不需要擰松電池正負(fù)極螺栓來(lái)更換模塊，大大降低了檢測(cè)誤差。

未來(lái)展望：蓄電池作為地鐵中不可缺少的一部分，如何使用及監(jiān)測(cè)，則成為了重中之重，早一些發(fā)現(xiàn)有問(wèn)題的電池，就會(huì)減少發(fā)生危險(xiǎn)的概率。隨著物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的發(fā)展，蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)今后可以通過(guò)監(jiān)測(cè)主機(jī)上傳到手機(jī)客戶端上，降低維護(hù)成本和人工成本。

結(jié)論

1、從地鐵運(yùn)營(yíng)平穩(wěn)安全的角度出發(fā)，全面剖析了蓄電池故障引發(fā)的原因和消極影響，結(jié)合北京地鐵的重要性和特殊性，提出了在新的時(shí)代背景下蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于生產(chǎn)生活的重大意義。

2、闡述了蓄電池的起源和發(fā)展，全面解析了蓄電池內(nèi)阻構(gòu)成和影響內(nèi)阻因素，通過(guò)測(cè)量電壓、溫度、內(nèi)阻來(lái)監(jiān)測(cè)蓄電池狀態(tài)。

3、簡(jiǎn)單介紹了蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成部分，闡述了內(nèi)阻測(cè)量的基本原理，并簡(jiǎn)要介紹了蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：劉兵，（1993-），男、漢族，北京市通州區(qū)宋莊鎮(zhèn)平家疃村，北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司供電分公司低壓及電源系統(tǒng)專責(zé)工程師，本科，負(fù)責(zé)1北京地鐵1號(hào)線、八通線、S1線的低壓及電源系統(tǒng)的技術(shù)管理與新線籌備工作。