站用VRLA電池組狀態(tài)判別及性能校驗(yàn)技術(shù)研究

杜旭浩，李秉宇，苗俊杰，王浩彬，馬建輝

(1.國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，河北石家莊 050021；2.國網(wǎng)河北省電力有限公司，河北石家莊 050021；3.河北創(chuàng)科電子科技有限公司，河北邯鄲 056107)

閥控式鉛酸(VRLA)電池以其相對成熟的制造工藝和較低的生產(chǎn)成本成為變電站直流電源系統(tǒng)后備電源的首選[1-3]。近期，由于VRLA 電池本身質(zhì)量缺陷、運(yùn)行工況不良以及電池回路出口保護(hù)電器故障等原因?qū)е碌碾姵鼗芈烽_路故障時有發(fā)生，嚴(yán)重影響變電站安全可靠運(yùn)行[4-5]。能否有效判別浮充狀態(tài)下電池組性能，并保證站用直流電源系統(tǒng)交流失電的情況下，電池組能夠可靠供電，成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。文獻(xiàn)[6]采用浮充電流法判斷蓄電池運(yùn)行狀態(tài)，具有一定參考價(jià)值，但該方法受測量精度影響，且不能檢驗(yàn)電池組的實(shí)時帶載能力；文獻(xiàn)

[7]基于負(fù)荷電流放電法對蓄電池容量及運(yùn)行狀況進(jìn)行評估，但需要對充電機(jī)進(jìn)行控制并改變充電參數(shù)，實(shí)用性受到影響；文獻(xiàn)[8-9]分別提出了基于內(nèi)阻監(jiān)測的蓄電池故障預(yù)警方法和狀態(tài)檢修方法，一定程度上提高了電池組的運(yùn)行可靠性，但是基于電池內(nèi)阻單一參量的監(jiān)測，并不能反映電池組回路的整體狀況，且缺乏對電池組性能的有效核驗(yàn)。

本文分析了VRLA 電池組回路結(jié)構(gòu)，提出了VRLA 電池組回路在線綜合監(jiān)測方案；研發(fā)了電池回路狀態(tài)在線判別裝置，實(shí)現(xiàn)了電池回路狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測和回路故障的可靠告警；開發(fā)了VRLA 電池組性能在線校驗(yàn)裝置，在不改變電池回路結(jié)構(gòu)及充電裝置參數(shù)的情況下，基于二極管單相導(dǎo)電降壓電路和電阻智能投切技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了VRLA 電池組帶載性能在線檢測和負(fù)荷沖擊性能校驗(yàn)，并在河北南網(wǎng)某110 kV 變電站進(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用。

1 電池回路結(jié)構(gòu)與監(jiān)測方案

1.1 電池回路結(jié)構(gòu)

變電站通常采用220 V 直流電源系統(tǒng)，VRLA 電池組作為后備電源，長期處于浮充電狀態(tài)[10]，其回路結(jié)構(gòu)如圖1 所示。VRLA 電池組本體由104 節(jié)2 V 的單體VRLA 電池串聯(lián)組成，每節(jié)單體電池之間采用銅質(zhì)連接條連接，并通過正負(fù)極出線電纜經(jīng)出口保護(hù)電器引至直流母線。連接條推薦采用軟質(zhì)銅線，避免硬質(zhì)連接條因應(yīng)力過大損傷電池極柱。出口保護(hù)電器目前主要采用熔斷器加隔離刀閘的方式，熔斷器用于回路過流保護(hù)，隔離刀閘用于回路檢修時形成明顯的斷開點(diǎn)。在交流失電、故障跳閘或大負(fù)荷沖擊等情況下，VRLA電池組應(yīng)能可靠輸出至直流母線，因此電池回路結(jié)構(gòu)應(yīng)簡單可靠，避免串接不必要的電子器件，降低電池回路開路或限流風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 VRLA電池組回路結(jié)構(gòu)圖

1.2 回路綜合監(jiān)測方案

由圖1 可知，VRLA 電池組能否可靠輸出，除了電池組本體的性能狀態(tài)外，還涉及出口熔斷器、隔離刀閘、出線電纜、連接條等整個電池回路的運(yùn)行狀態(tài)。因此，對蓄電池的狀態(tài)監(jiān)測方案應(yīng)涵蓋整個電池回路，并結(jié)合多種監(jiān)測量綜合判斷，避免VRLA 電池組脫離直流母線故障發(fā)生，主要的監(jiān)測參量和告警推薦閾值如表1 所示。

表1 VRLA 電池組回路監(jiān)測主要參數(shù)

2 電池回路狀態(tài)在線判別技術(shù)

為有效檢測電池回路運(yùn)行狀態(tài)，提出了一種綜合多監(jiān)測參量的電池回路狀態(tài)在線判別方法。第一步是浮充電流監(jiān)測，高精度采集浮充狀態(tài)下的回路電流，通過監(jiān)測分析浮充電流的異常變化，判斷電池回路是否存在開路或異常接地。當(dāng)浮充電流為零時，應(yīng)排查電池回路是否開路，當(dāng)浮充狀態(tài)下回路電流異常增大時，應(yīng)排查回路是否有接地故障。第二步是出口熔斷器狀態(tài)監(jiān)測，傳統(tǒng)方法依靠出口熔斷器輔助觸點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)熔斷器故障報(bào)警，但輔助觸點(diǎn)經(jīng)常由于氧化接觸不良或卡死無法動作等原因，導(dǎo)致無法可靠報(bào)警。為此采用出口保護(hù)電器兩側(cè)電壓差對比來判斷熔斷器狀態(tài)。正常情況下，熔斷器狀態(tài)良好，其電池側(cè)電壓與母線側(cè)電壓基本一致，電壓差為零。而熔斷器一旦異常熔斷時，熔斷器電池側(cè)電壓為電池組開路電壓，熔斷器母線側(cè)電壓為充電裝置浮充電壓，因此熔斷器母線側(cè)電壓將高于熔斷器電池側(cè)電壓，兩者之間形成電壓差。第三步是電池組帶載測試，通過定期自動通訊調(diào)低充電裝置輸出電壓，使電池組短時承擔(dān)負(fù)荷電流，根據(jù)電池單體電壓、內(nèi)阻等變化趨勢，有效監(jiān)測電池組的實(shí)際帶載能力，及時發(fā)現(xiàn)電池內(nèi)部極柱或匯流排斷裂、電池虛接開路等隱性致命缺陷。

開發(fā)的電池回路狀態(tài)在線判別裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示，通過高精度分流器采集電池組出口浮充電流，分流器測量誤差不大于5 mA，電壓監(jiān)測單元分別采集正負(fù)極出口熔斷器兩側(cè)的電壓，并實(shí)時監(jiān)測隔離刀閘的狀態(tài)，一旦監(jiān)測到異常狀況，告警燈亮，并傳至本地監(jiān)控終端。此外，裝置預(yù)留有與充電裝置的通訊接口。

圖2 電池回路狀態(tài)在線判別裝置示意圖

3 VRLA 電池組在線校驗(yàn)技術(shù)

3.1 技術(shù)原理與裝置開發(fā)

帶載測試是檢驗(yàn)VRLA 電池組性能的重要手段，傳統(tǒng)方法需要與充電裝置通訊來調(diào)低充電裝置的輸出電壓，其受限于充電裝置通訊協(xié)議是否一致并是否留有通訊接口。在電池回路狀態(tài)在線判別技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了VRLA 電池組在線校驗(yàn)技術(shù)方案，保證充電裝置和VRLA 電池組均不脫離直流母線的前提下，且無需改變電池回路結(jié)構(gòu)、充電裝置參數(shù)及通信設(shè)置，智能完成對VRLA 電池組性能的在線校驗(yàn)。具體的技術(shù)方案為：在保證充電裝置不退出運(yùn)行的前提下，利用二極管硅鏈的單向?qū)ê妥詣咏祲禾匦?，對充電裝置直流輸出電壓進(jìn)行適當(dāng)降低，從而使VRLA電池組承擔(dān)站用直流常規(guī)負(fù)荷，通過判斷母線電壓的下降速率，來有效驗(yàn)證VRLA 電池組的正常帶載能力；通過電阻智能投切技術(shù)，定量投入模擬負(fù)載，模擬變電站多個斷路器同時保護(hù)跳閘或合閘動作電流，并動態(tài)檢測母線電壓波動和壓降，從而驗(yàn)證VRLA 電池組的耐負(fù)荷沖擊性能；定時啟動VRLA 電池組帶載和沖擊性能測試，可一定程度上抑制電池的硫酸鹽化，并通過檢測分析歷次電池回路電阻變化，根據(jù)其變化趨勢進(jìn)行提前預(yù)警和異常告警。

開發(fā)了VRLA 電池組在線校驗(yàn)裝置，裝置由二極管硅鏈D、電壓傳感器TV1 和TV2、電流傳感器TA、直流接觸器K1、模擬負(fù)載電阻R、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)模塊M、控制處理器(CPU)及接線端子M1+、M2+、M1－組成，結(jié)構(gòu)原理如圖3 所示。測試前，直流接觸器K1 主觸點(diǎn)處于閉合狀態(tài)，二極管硅鏈D 被短接，通過電壓傳感器TV2 先檢查充電裝置及直流母線電壓，判斷直流系統(tǒng)的運(yùn)行狀況是否正常，確認(rèn)正常后，方可進(jìn)行測試。CPU 驅(qū)動直流接觸器K1 線圈，使K1 主觸點(diǎn)斷開，二極管硅鏈D 投入運(yùn)行，降低充電裝置輸出至母線電壓，VRLA 電池組帶直流常規(guī)負(fù)荷，考察電池組帶載性能。之后，CPU 驅(qū)動IGBT 模塊M 自動投入模擬負(fù)載電阻R，增大VRLA 電池組的放電電流，考察VRLA 電池組的耐負(fù)荷沖擊性能。測試過程中，通過電壓傳感器TV1、TV2，實(shí)時在線監(jiān)視充電裝置的輸出直流電壓和直流母線電壓，一旦充電裝置或電池組出現(xiàn)異常狀況，立即結(jié)束放電，恢復(fù)至正常運(yùn)行狀態(tài)。測試結(jié)束，CPU 驅(qū)動IGBT 模塊M 斷開模擬負(fù)載電阻R，控制直流接觸器K1 主觸點(diǎn)閉合，短接二極管硅鏈D，充電裝置自動向負(fù)荷及電池組供電，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

圖3 VRLA電池組在線校驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)原理圖

3.2 測試標(biāo)準(zhǔn)與結(jié)果判定

VRLA 電池組在線校驗(yàn)裝置的測試標(biāo)準(zhǔn)及判定流程如圖4 所示。

圖4 VRLA電池組在線校驗(yàn)裝置測試流程圖

3.2.1 測試前檢測

首先進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分別采集直流母線與充電裝置輸出電壓差Uy、直流母線電壓Um、充電裝置輸出電流Id。當(dāng)Uy、Um和Id均滿足以下條件后，方可啟動測試。

站用220 V 的直流電源系統(tǒng)中，VRLA 電池組浮充狀態(tài)下充電裝置輸出電壓在235 V 左右，而DL/T637-2019 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定沖擊放電時蓄電池組端電壓不應(yīng)低于202 V，因此測試過程中，一旦出現(xiàn)Uy大于33 V 的情況，自動默認(rèn)VRLA 電池組失效。裝置二極管硅鏈D 設(shè)定壓降為35 V，一方面保證VRLA 電池組帶載測試的正常開展，同時保證在VRLA 電池組失效的極端情況下，直流母線電壓不低于200 V。同時裝置具備VRLA 電池組失效快速恢復(fù)功能，檢測到Uy大于33 V后能夠快速恢復(fù)充電裝置正常供電狀態(tài)。

檢測直流母線電壓Um是否滿足測試啟動條件，裝置設(shè)定可啟動測試的Um電壓范圍為正常母線浮充電壓上下浮動5 V。正常母線浮充電壓為235 V 時，低于230 V 可判定為充電裝置故障或交流失電，VRLA 電池組在對負(fù)荷供電，不應(yīng)啟動測試；高于240 V 可判定為VRLA 電池組處于均充狀態(tài)，容量不足，不應(yīng)啟動測試。

檢測充電裝置輸出電流Id是否滿足測試啟動條件，裝置設(shè)定可啟動測試的Id不應(yīng)大于禁測電流，禁測電流設(shè)置值為母線負(fù)荷正常投入運(yùn)行并且VRLA 電池組處于浮充狀態(tài)時的電流值。

3.2.2 啟動測試

滿足測試條件后，裝置立即斷開直流接觸器K1，投入降壓硅鏈。若電池回路存在開路故障，直流母線電壓將急速跌落至200 V，負(fù)荷電流通過裝置內(nèi)部的二極管硅鏈供電，中斷保護(hù)啟動，快速閉合K1 中斷測試，并告警。若電池回路正常狀態(tài)，負(fù)荷從充電裝置輸出轉(zhuǎn)移到直接由VRLA 電池組輸出，此時直流母線電壓Um將平緩下降，Um等同于VRLA 電池組電壓，其隨時間的下降速率可以很好地表征VRLA 電池組性能優(yōu)劣，典型的直流母線電壓下降曲線如圖5 所示。

圖5 直流母線電壓下降曲線圖

參照圖5，性能劣化電池1 s 壓降，裝置設(shè)定1 s 壓降設(shè)置值為10 V，檢測1 s 后Uy值，若Uy＜10 V，繼續(xù)下一步測試，否則立即告警，閉合K1，測試完成；性能劣化電池6 s 壓降，裝置設(shè)定6 s 壓降設(shè)置值為15 V，檢測6 s 后Uy值，若Uy＜15 V，繼續(xù)下一步測試，否則立即告警，閉合K1，測試完成；性能劣化電池30 s 壓降，裝置設(shè)定30 s 壓降設(shè)置值為20 V，檢測30 s 后Uy值，若Uy＜20 V，繼續(xù)下一步測試，否則立即告警，閉合K1，結(jié)束測試。

之后90 s 內(nèi)監(jiān)測直流母線電壓Um變化率，并等待VRLA電池組進(jìn)入穩(wěn)定階段，當(dāng)Um變化率＞100 mV/s 時則繼續(xù)等待，如果等待時間超過90 s 或監(jiān)測過程中Um變化率＜100 mV/s，則可繼續(xù)進(jìn)行下一步電池回路電阻測試。

3.2.3 回路電阻測試

通過直流放電法對VRLA 電池回路進(jìn)行電阻測試，若實(shí)際站用負(fù)載電流小于10 A，則通過投切負(fù)荷電阻加大負(fù)荷電流至10 A，若實(shí)際站用負(fù)載電流大于10 A，則以實(shí)際負(fù)荷電流進(jìn)行測試。測試過程中檢測充電裝置狀態(tài)，一旦充電裝置自動轉(zhuǎn)為均充狀態(tài)，其輸出電壓經(jīng)降壓硅鏈后將有10 V 左右的電壓抬升，并對放電負(fù)荷供電，此時不能有效考察電池回路電阻，應(yīng)直接中斷保護(hù)并恢復(fù)正常運(yùn)行，等待充電裝置浮充狀態(tài)時再進(jìn)行電阻測試。

回路電阻測試結(jié)束后，對檢測結(jié)果進(jìn)行判斷，若測試結(jié)果在電阻設(shè)定范圍內(nèi)則繼續(xù)下一步?jīng)_擊負(fù)荷測試，否則立即告警，閉合K1，結(jié)束測試，并逐步檢查電池螺絲、連接線、電纜接頭、電池保險(xiǎn)、電池開關(guān)等環(huán)節(jié)是否出現(xiàn)銹蝕、接觸不良、虛接等異常情況?；芈冯娮柙O(shè)定范圍應(yīng)參照安裝后初次實(shí)測值和估算值進(jìn)行設(shè)定，首先根據(jù)電池和電纜情況進(jìn)行回路電阻估算，初次實(shí)測值應(yīng)與估算值接近，否則檢查回路連接是否異常，無問題后按首次實(shí)測值上浮10%為回路電阻最大設(shè)定范圍，一般不超過1 Ω。

3.2.4 沖擊放電測試

回路電阻測試正常后，進(jìn)行4 個循環(huán)沖擊放電測試，每個循環(huán)為30 s，施加0.5 s 6 倍I10的沖擊負(fù)荷電流，然后等待29.5 s，重復(fù)下一循環(huán)。施加0.5 s 沖擊負(fù)荷電流是考察VRLA 電池組在承擔(dān)變電站正常負(fù)荷的情況下能否承擔(dān)如斷路器跳閘等沖擊負(fù)荷的要求。在4 個循環(huán)沖擊過程中始終檢查直流母線電壓Um是否符合條件，任一循環(huán)中若Um小于202 V 則立即停止測試，并告警，閉合K1，結(jié)束測試。

3.2.5 測試結(jié)束

沖擊放電測試結(jié)束后，整個測試完成，閉合K1，使系統(tǒng)完全恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)。通過設(shè)置自動啟動時間來實(shí)現(xiàn)定期自動啟動，一般建議設(shè)置為7 天左右，也可人工啟動測試。裝置定時啟動時會自動等待測試條件允許后進(jìn)行測試，避免此次周期測試失效。以上測試步驟，任一步驟出現(xiàn)告警及測試中斷，均判斷為VRLA電池回路異常，檢修人員應(yīng)盡快處理。

4 試點(diǎn)應(yīng)用

選取河北電網(wǎng)某110 kV 變電站進(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用，該站直流電源系統(tǒng)采用單直流母線分段供電方式，兩段直流母線各帶一組充電裝置和一組VRLA 電池。兩組VRLA 電池為同一廠家同一批次產(chǎn)品，每組容量為200 Ah，均于2019 年6 月投產(chǎn)運(yùn)行。2019 年7 月，將開發(fā)的電池回路狀態(tài)在線判別裝置和VRLA 電池組在線校驗(yàn)裝置應(yīng)用于1 號VRLA 電池組回路，2 號VRLA 電池組回路未安裝，如圖6 所示。

圖6 裝置現(xiàn)場實(shí)際安裝圖

為驗(yàn)證成果有效性，進(jìn)行了極端狀況下的VRLA 電池組失效故障模擬，斷開1 號VRLA 電池組出口保護(hù)電器，電池回路狀態(tài)在線判別裝置監(jiān)測到回路異常，及時發(fā)出了蓄電池組失效告警，本地監(jiān)控告警界面如圖7 所示。此時，按下VRLA電池組在線校驗(yàn)裝置人工測試按鈕，裝置中斷保護(hù)正確啟動，并在90 ms 內(nèi)快速恢復(fù)了充電裝置正常供電，能夠保障直流母線供電連續(xù)性和穩(wěn)定性不受裝置測試影響，直流母線電壓實(shí)時波形如圖8 所示。

圖7 蓄電池組失效告警圖

圖8 直流母線電壓實(shí)時波形圖

VRLA 電池組在線校驗(yàn)裝置設(shè)定為7 天自動檢測一次，并保存歷次的電池回路測試數(shù)據(jù)，裝置自運(yùn)行以來，狀況良好。2019 年9 月，裝置安裝前對兩組VRLA 電池進(jìn)行內(nèi)阻測試，1號VRLA 電池組內(nèi)阻最大偏差為12.45%，2 號VRLA 電池組內(nèi)阻最大偏差為11.48%，兩組VRLA 電池的內(nèi)阻一致性相差不大，如圖9(a)所示。試點(diǎn)運(yùn)行一年后，2020 年7 月，采用同一內(nèi)阻測試儀對兩組VRLA 電池再次進(jìn)行內(nèi)阻測試，1 號VRLA 電池組內(nèi)阻最大偏差為13.85%，2號VRLA 電池組內(nèi)阻最大偏差為19.46%，如圖9(b)所示，1 號VRLA 電池組內(nèi)阻一致性明顯好于2號VRLA 電池組，周期性的帶載和沖擊試驗(yàn)一定程度上為1號VRLA電池組起到了活化除硫的作用。

圖9 VRLA電池組內(nèi)阻值

5 結(jié)論

為了提高站用直流電源系統(tǒng)VRLA 電池回路供電可靠性，本文提出了VRLA 電池組回路在線綜合監(jiān)測方案，基于綜合多參量監(jiān)測、二極管單相導(dǎo)電降壓和電阻智能投切技術(shù)，研發(fā)了電池回路狀態(tài)在線判別裝置和VRLA 電池組在線校驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了VRLA 電池回路的在線監(jiān)測預(yù)警和VRLA電池組的性能校驗(yàn)。通過試點(diǎn)變電站的應(yīng)用，驗(yàn)證了裝置的有效性。試點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)表明：電池回路實(shí)時監(jiān)測和定期帶載測試有助于及時發(fā)現(xiàn)電池組脫離母線；定期進(jìn)行適度放電沖擊一定程度上可以減緩VRLA 電池硫酸鹽化。