變電站直流系統(tǒng)中蓄電池應(yīng)用及消防安全技術(shù)

劉彬

[摘? ? 要]蓄電池組是變電站直流系統(tǒng)的核心組成部分。介紹蓄電池工作原理以及變電站主流蓄電池應(yīng)用，分析各類(lèi)蓄電池的優(yōu)缺點(diǎn)，指出目前在變電站直流系統(tǒng)維護(hù)上經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題，并從消防安全技術(shù)的角度出發(fā)，提出對(duì)蓄電池的日常維護(hù)和火災(zāi)預(yù)防措施。

[關(guān)鍵詞]蓄電池;變電站;直流;消防;預(yù)防

[中圖分類(lèi)號(hào)]TM63 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）07–00–02

Application of Battery and Fire Safety Technology in Substation DC System

Liu Bin

[Abstract]The battery pack is the core component of the substation DC system. By introduces the working principle of battery and the application of mainstream batteries， analyzes the advantages and disadvantages of various batteries， found frequent problems in DC system maintenance， and puts forward daily maintenance and fire prevention measures from the perspective of fire safety technology.

[Keywords]storage battery; power substation; DC; fire protection; prevention

近年來(lái)蓄電池在人們生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用場(chǎng)景非常豐富，其中就包括應(yīng)用在變電站直流系統(tǒng)中的蓄電池組。變電站直流系統(tǒng)具有很重要的作用，不僅為開(kāi)關(guān)柜繼電保護(hù)提供控制電源，還為斷路器操作機(jī)構(gòu)的分合閘操作提供電源，為事故時(shí)的照明、通信、操作提供應(yīng)急電源等，可靠的直流系統(tǒng)對(duì)變電站整個(gè)二次系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。目前變電站直流系統(tǒng)中的蓄電池主要采用的是閥控式鉛酸蓄電池和磷酸鐵鋰電池等。為了保證變電站直流系統(tǒng)的可靠性，通常配置兩套并列運(yùn)行的直流系統(tǒng)。另外，近年來(lái)各地不斷出現(xiàn)因蓄電池引起的火災(zāi)，因此學(xué)習(xí)蓄電池隱患所在和預(yù)防蓄電池火災(zāi)發(fā)生，是蓄電池應(yīng)用中不可缺少的一部分。

1 蓄電池的工作原理

以鉛酸電池為例，電池主要由正極材料、負(fù)極材料、電解質(zhì)、絕緣材料、聯(lián)條、正負(fù)極接線柱等結(jié)構(gòu)組成，其充放電過(guò)程帶有電荷間的轉(zhuǎn)移，因此形成了電流，正負(fù)極伴有不同的化學(xué)反應(yīng)，如圖1所示^[1]。

2 蓄電池的應(yīng)用

（1）鉛酸蓄電池.閥控式鉛酸蓄電池具有經(jīng)濟(jì)性高、穩(wěn)定性好、維護(hù)費(fèi)用低的特點(diǎn)，在變電站直流系統(tǒng)中有著較為廣泛的應(yīng)用，技術(shù)成熟度也較高。鉛酸蓄電池技術(shù)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，其比能量、循環(huán)壽命、高低溫適應(yīng)性等問(wèn)題已有所突破。在實(shí)際使用中，鉛酸蓄電池也暴露出了一些問(wèn)題，如使用壽命短、電池容量隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)而降低且不易被發(fā)現(xiàn)，內(nèi)阻容易升高、有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)漏液?jiǎn)栴}等，在一些尖端技術(shù)上依然有待突破。

（2）磷酸鐵鋰蓄電池：磷酸鐵鋰蓄電池的比容量一般在140 mA·h/g，循環(huán)使用在2 000次以上，放電電流均勻，有很好的耐高溫特性。其原材料儲(chǔ)量高，尤其是我國(guó)境內(nèi)有豐富的礦產(chǎn)資源，原材料成本也相對(duì)較低^[2]。磷酸鐵鋰蓄電池是近些年來(lái)逐漸發(fā)展起來(lái)的應(yīng)用電池，其諸多優(yōu)點(diǎn)得到用戶(hù)認(rèn)可，在動(dòng)力電池領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，如電動(dòng)汽車(chē)、儲(chǔ)能電站，近些年在變電站直流系統(tǒng)中也得到廣泛應(yīng)用。但其缺點(diǎn)也是不可忽視的，如電導(dǎo)率低，低溫環(huán)境下放電質(zhì)量不高，電池比能量相對(duì)較低，理論容量也相對(duì)不足。大多數(shù)變電站建設(shè)在偏僻地區(qū)，尤其是山區(qū)，晝夜溫差大，冬季溫度非常低，其直流系統(tǒng)使用的鋰蓄電池就不適用磷酸鐵鋰蓄電池。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，有些磷酸鐵蓄電池的缺點(diǎn)也逐漸被淡化。相信隨著科技的不斷進(jìn)步，這些磷酸鐵鋰的劣勢(shì)不斷改進(jìn)后，其應(yīng)用前景還會(huì)更廣。

3 蓄電池應(yīng)用中存在的問(wèn)題

（1）鑒于直流系統(tǒng)在變電站日常運(yùn)行維護(hù)的重要地位，蓄電池的工況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不完善的問(wèn)題日益突出，這直接影響到了變電站安全穩(wěn)定運(yùn)行。尤其是BMS電池管理系統(tǒng)內(nèi)部故障或是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)二次接線錯(cuò)誤，都可能導(dǎo)致監(jiān)測(cè)單元監(jiān)測(cè)不到或監(jiān)測(cè)到錯(cuò)誤的蓄電池?cái)?shù)據(jù)。一旦蓄電池監(jiān)控單元功能喪失，運(yùn)維人員基本失去了對(duì)電池運(yùn)行狀態(tài)的掌控。另外，一旦電池組中某一單一電池出現(xiàn)電壓降低或內(nèi)阻升高等故障，如果監(jiān)控單元未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，運(yùn)維人員極易忽視問(wèn)題，很可能會(huì)拖垮整組蓄電池組。

（2）蓄電池內(nèi)部因化學(xué)能和電能的頻繁相互轉(zhuǎn)換，極其容易產(chǎn)生各式各樣的問(wèn)題，而這些問(wèn)題的產(chǎn)生均在蓄電池內(nèi)部，不易被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。如蓄電池內(nèi)阻升高、實(shí)際容量達(dá)不到標(biāo)稱(chēng)容量，這些電池內(nèi)部問(wèn)題一旦發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，都有可能導(dǎo)致在事故或緊急操作時(shí)因蓄電池放電時(shí)間短、蓄電池組電壓低而不能使斷路器正常分合閘。

（3）電池使用過(guò)程中，因操作人員日常維護(hù)不當(dāng)，極可能存在一定的安全隱患。變電站直流系統(tǒng)的日常維護(hù)中涉及到人為的因素很多，也是最不可控的。人為因素主要指的是在串聯(lián)蓄電池組的過(guò)程中因正負(fù)極接線錯(cuò)誤引起的電池間短路;蓄電池維護(hù)過(guò)程中，對(duì)蓄電池做的放電試驗(yàn)沒(méi)有使用專(zhuān)業(yè)儀器而是使用大功率用電設(shè)備導(dǎo)致放電不均勻，使用了專(zhuān)業(yè)放電儀器但放電時(shí)間設(shè)置過(guò)于過(guò)于短導(dǎo)致的短時(shí)間內(nèi)過(guò)度放電，這些因素都可能使蓄電池電壓或容量不能回復(fù)到原來(lái)狀態(tài)。預(yù)防措施的初衷是正確的，但手段上應(yīng)采用放電儀恒流放電，通常將放電電流設(shè)置在10 A，根據(jù)蓄電池容量設(shè)置放電時(shí)間。

4 消防安全預(yù)防

（1）定期對(duì)直流蓄電池組進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)。預(yù)防蓄電池組火災(zāi)事故發(fā)生的關(guān)鍵就在蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)，定期檢測(cè)蓄電池內(nèi)阻是否增大、容量是否充足、有無(wú)“跑冒滴漏”現(xiàn)象、充放電是否均勻、二次接線是否正確、BMS管理系統(tǒng)參數(shù)是否設(shè)置正確、連接電纜是否老化、破損等，通過(guò)試驗(yàn)，肉眼看不出來(lái)的問(wèn)題往往在儀器面前無(wú)處遁形。

（2）避免對(duì)蓄電池進(jìn)行頻繁的深度充放電。變電站直流蓄電池組通常在充電單元的作用下保持浮充和均充狀態(tài)。因蓄電池自放電和蓄電池內(nèi)阻的存在，維持浮充是為了保持蓄電池在滿充電狀態(tài)以一個(gè)小電流對(duì)電池充電。因?yàn)樾铍姵厥谴?lián)的，通過(guò)每個(gè)電池的浮充電流是完全相同的，但是每個(gè)電池的自放電和內(nèi)阻不可能完全一致，通過(guò)一段時(shí)間的浮充或儲(chǔ)存或放電會(huì)使電池的充電效率不可能完全一致，就會(huì)出現(xiàn)部分電池充電不足，所以也要進(jìn)行勻充或勻衡充。

（3）對(duì)于蓄電池組來(lái)說(shuō)，完善BMS系統(tǒng)是最直接和有效的手段。BMS系統(tǒng)不僅能動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控電池溫度、電壓，還可以控制充放電時(shí)間、進(jìn)行熱管理、故障診斷等，完善的BMS系統(tǒng)可在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)隱患，配合聲光報(bào)警和后臺(tái)信號(hào)，幫助運(yùn)維人員防患于未然。

5 構(gòu)建完善的預(yù)警系統(tǒng)和消防安全系統(tǒng)

（1）消防安全系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)。從消防火災(zāi)預(yù)防措施上看，煙感報(bào)警系統(tǒng)、滅火器的配置數(shù)量和型號(hào)、防火門(mén)的安裝、電纜刷防火涂層、配置逃生面具、預(yù)留消防通道、設(shè)備區(qū)禁止煙火警示標(biāo)語(yǔ)等。

（2）多級(jí)防護(hù)機(jī)制設(shè)計(jì)。在消防安全系統(tǒng)中設(shè)計(jì)多級(jí)防護(hù)機(jī)制，即在電池內(nèi)部、電池艙以及封閉式電池簇等各個(gè)部分進(jìn)行分區(qū)探測(cè)防護(hù)，以達(dá)到在蓄電池溫度急劇升高時(shí)報(bào)警。通過(guò)在電池包內(nèi)的安裝探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)單體電池內(nèi)的電解液發(fā)生泄露早期熱失控實(shí)施有效監(jiān)測(cè)和預(yù)警。對(duì)于磷酸鐵鋰蓄電池來(lái)說(shuō)，早期的單體火災(zāi)很容易被控制。

（3）探測(cè)器參考閥值。氣體火災(zāi)探測(cè)器選擇蓄電池組表溫和蓄電池組內(nèi)CO濃度這2種參數(shù)進(jìn)行復(fù)合探測(cè)，對(duì)蓄電池?zé)崾Э丶盎馂?zāi)狀況做出綜合判斷，避免系統(tǒng)誤報(bào)和漏報(bào)。如表1所示，當(dāng)電池表面溫度達(dá)到60 ℃時(shí)，氣敏傳感器檢測(cè)出CO氣體，并且濃度開(kāi)始逐漸上升，電池發(fā)生輕微鼓包，CO濃度（體積分?jǐn)?shù)）為20×10^-6。氣體探測(cè)可以兼顧氣體濃度和濃度上升速率，提高探測(cè)準(zhǔn)確率。

（4）多級(jí)防護(hù)聯(lián)動(dòng)控制。在消防安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，消防安全主機(jī)是核心組件，其可以對(duì)整個(gè)消防安全系統(tǒng)進(jìn)行控制。在接到報(bào)警信號(hào)之后消防安全主機(jī)會(huì)對(duì)預(yù)警信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷，基于分析結(jié)果選擇遙信（報(bào)警信號(hào)）還是遙控（對(duì)電動(dòng)裝置發(fā)出控制信號(hào)）。在消防安全系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制方式設(shè)計(jì)方面需要注意兩個(gè)問(wèn)題，一是能夠?qū)﹄姵責(zé)崾Э貭顟B(tài)準(zhǔn)確報(bào)警，二是防護(hù)設(shè)施在電池出現(xiàn)熱失控后能夠及時(shí)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)消防安全系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)以及動(dòng)力環(huán)境系統(tǒng)等多系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)^[3]。

（5）從管理上看，應(yīng)定期進(jìn)行消防宣傳和警示教育，提高全民消防安全意識(shí)、完善消防管理制度，組織消防安全培訓(xùn)和消防應(yīng)急演練，實(shí)施定置管理、定崗定責(zé)管理，要有事故預(yù)想和應(yīng)急預(yù)案，并深度學(xué)習(xí)。單位有消防安全負(fù)責(zé)人監(jiān)督，片區(qū)有消防安全責(zé)任人負(fù)責(zé)，對(duì)消防通道和雜物間定期清理整頓，對(duì)設(shè)備區(qū)定期除塵除濕，真正落實(shí)消防無(wú)死角^[4]。

6 結(jié)語(yǔ)

蓄電池技術(shù)在近些年不斷地推陳出新，其生產(chǎn)和推廣應(yīng)用成本不斷降低，商業(yè)模式不斷創(chuàng)新、成熟，未來(lái)蓄電池行業(yè)會(huì)迎來(lái)更快的發(fā)展。蓄電池在變電站直流系統(tǒng)中使用的安全技術(shù)不容忽視。合理正確地使用蓄電池，預(yù)防蓄電池燃燒爆炸事故，學(xué)習(xí)蓄電池事故處置方法和消防知識(shí)，對(duì)于每個(gè)變電站值班人員都是十分有意義的。只有提高每個(gè)人的安全意識(shí)，加強(qiáng)管理，不斷從以往事故中吸取教訓(xùn)，精益求精，才能有效確保變電站直流系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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