110kV变电站蓄电池维护检测方法研究与探讨.pdf

交流与探讨2018 No.4 Vo1.55179收稿日期：2018-05-28110 kV 变电站蓄电池维护检测方法研究与探讨江红成1，潘岑诚1，江季声2，韩伟1，黄梅1，张振宇1，俞鑫春1（1.国网江苏南通供电公司，江苏 南通 226000；2.江苏省南通中学，江苏 南通 226000）摘要：在分析阀控式铅酸蓄电池的原理、特点、容量影响因素的基础上，对比了蓄电池电压检测方法和内阻检测方法，针对 110 kV 变电站的特点，提出了蓄电池现场维护的方法，并用手持式智能电池内阻测试仪针对不同的蓄电池进行了内阻测试验证，总结了蓄电池内阻检测判据。关键词：蓄电池；现场维护；110 kV 变电站；容量；电压；内阻中图分类号：TM 912.1文献标识码：B文章编号：1006-0847(2018)04-179-06Research and discussion on maintenance testing methods of VRLA batteries for 110 kV substationJIANG Hongcheng1,PAN Cencheng1,JIANG Jisheng2,HAN Wei1,HUANG Mei1,ZHANG Zhenyu1,YU Xinchun1(1.Jiangsu Nantong Power Supply Company of State Grid,Nantong Jiangsu 226000;2.Nantong Middle School of Jiangsu province,Nantong Jiangsu 226000,China)Abstract:Based on analyzing the principle,characteristics and capacity factors of VRLA batteries,the voltage detection method and internal resistance detection method are compared.According to the characteristics of 110 kV substations,the method of on-site maintenance of battery is put forward.The internal resistance test verification for different batteries is build by the hand-held intelligent battery resistance tester,and the test criteria of internal resistance of battery are summarized.Keywords:VRLA battery;on-site maintenance;110 kV substation;capacity;voltage;internal resistance0 引言变电站直流电源系统作为继电保护装置、通信设备电源及断路器操作电源，应当满足安全、稳定、可靠运行。直流系统发生故障，将会造成保护和断路器拒动，引发重大的电网事故。例如：当 2016 年某 330 kV 变电站（与某 110 kV 变电站共址建设）外有一 35 kV 出线电缆中间接头爆炸，站内所用交流电源失去时，直流电源未能提供应急电能，保护越级跳闸，造成事故扩大，导致 330 kV 和 110 kV 主变压器着火烧损的严重事故。在变电站直流系统中，蓄电池的稳定性和放电容量对直流系统安全运行起决定性作用。国家电网公司变电运维管理规定 第 24 分册 站用直流电源万方数据Chinese LABAT Man蓄 电 池2018 No.4 Vo1.55180系统运维细则（国家电网企管2017206 号）关于蓄电池组维护要求：“全站仅有 1 组蓄电池时，不应退出运行，也不应进行全核对性放电，只允许用 I10 电流放出其额定容量的 50。单体蓄电池电压测量应每月至少 1 次，蓄电池内阻测试应每年至少 1 次”1。通常，110 kV 变电站仅有 1 组蓄电池，而且一般在浮充状态下运行时测量单体蓄电池的电压，但是某些情况下该方法并不能检测出单体蓄电池的异常情况。近日，某 110 kV 变电站的 10 kV 线路近端相间故障引起母线电压波动，站用变瞬时失电，蓄电池异常，全站保护电源、操作电源和通信电源等直流电源瞬时消失。事故后，经检查单体电池电压正常，但是更换蓄电池后，再检测发现，蓄电池已严重老化，容量不足。在变电站实际运行过程中曾多次出现过蓄电池单节电压正常，但蓄电池不能正常放电的情况，并由此造成了巨大损失2。笔者通过结合所在单位的蓄电池故障案例，对 110 kV 变电站蓄电池维护检测方法作了一些分析与探讨，并提出了一些基于内阻检测的蓄电池监测方法，以期对及时发现蓄电池的异常状态，提高变电站直流电源的运行可靠性有所助益。1 阀控式（VRLA）铅酸蓄电池的影响因素目前，VRLA 电池在变电站中作为直流电源广泛采用，具有体积小、重量轻、自放电小、维护工作量少，寿命长（一般不低于 812 a）等优点。VRLA 电池的内部结构包括金属（或欧姆）路径以及电化学路径。从图 1 中可以看出欧姆电阻主要反映金属通路中的电阻，极化电阻主要反映化学通路中的电阻。其中，影响电阻大小的主要是板栅和汇流排的腐蚀、电池老化及腐蚀生成的板栅蠕变、铸铅及涂膏的制造缺陷、活性材料硫酸盐化等。VRLA 电池容量影响因素主要有：(1)极板面积和活性物质的多孔性；(2)放电电流大小；(3)温度；(4)电解液密度2。蓄电池容量失效的主要模式为汇流排腐蚀、极板硫酸盐化、失水、干涸等。实际运行中多种不良工况会导致蓄电池失效：(1)环境温度过高；(2)过深的放电深度会使其循环使用次数减少；(3)长期处于浮充状态造成氧化膜覆盖电极；(4)充电电压过高造成失水3。2 变电站中蓄电池运行方式 110 kV 变电站中蓄电池运行方式如图 2 所示，主要有：2.1 均（衡）充电均（衡）充电是为补偿蓄电池组在使用过程中产生的电压不均匀现象，使其恢复到规定范围内而进行的充电，一般包含着恒流（稳流）限压充电和恒压限流充电 2 段历程。首先，进行恒流充电，将电压设定在均充电压值（253 V），开始以 In（0.1C10）恒定的充电流给蓄电池充电。以恒流方式进行充电可以尽快恢复电池的电压，确保电压持续上升。接着，当蓄电池电压达到均充电压值后，转入恒压充电模式，随着电池容量的恢复，充电电流由 In 逐渐减小。然后，当充电电流小于整定值（10%In）时，开始计时 23 h 后，将充电机电压调整为浮充电压（241V），结束恒压充电的阶段，转入浮充电状态4。2.2 浮充电以浮充电压对蓄电池进行的恒压充电是为了补充蓄电池的自放电。可以设定浮充电 36 个月后，自动进行 1 次均充（恒流恒压）浮充电的补充电。2.3 事故放电当充电机电源中断时，由蓄电池组立即承担起主要负荷，蓄电池开始放电过程。当蓄电池放电电压和放电电流逐渐减少，达到终止电压时，应采取手动断开操作，使蓄电池停止放电。2.4 核对性充放电对新安装或大修后的蓄电池组，需要进行全核对性额定容量放电试验。以电流 In（0.1C10），放电 10 h，对电池进行 100%容量的放电。放电电压图 1 蓄电池物化模型万方数据交流与探讨2018 No.4 Vo1.55181反映蓄电池的容量变化。另外，在浮充电状态下，只能发现个别性能差、浮充电压超常的电池，而对于整组电池性能变坏，电池容量已经大幅下降的老化电池则无能为力。用单节活化仪对图 3 中蓄电池组进行容量试验后，发现第 1、7、9、10、11、12、13、14、18 节电池容量为 0，且第 2、3、4、5、6、8、15、16、17 容量为额定容量的 10%20%，显然这些电池已全部失效。有时甚至会出现“浮充电压正常，但放电时发生严重故障”的情况。由于定期测量电压法的准确性和全面性不够，因此采用这种方法不能有效地反映整组电池的内阻和容量，不能及时找出老化故障电池。3.2 容量测量法（核对性充放电）核对性容量测量法能 100%地反映出蓄电池的容量，同时也能起到维护蓄电池的作用。不过，核对性容量测量法的缺点也比较明显，即要求必须具备 2 组蓄电池或者有备用电池组。被测量的电池组须处于离线状态，且核对放电过程耗时长，技术风险大，导致系统断电风险增加。频繁地对蓄电池进行深放电，会加速蓄电池的老化。因此核对放电只能对蓄电池进行定期维护，不能用于日常对蓄电池的维护。3.3 内阻测试法 内阻测试法是通过测量电池内阻反映电池的状态的方法。因为其成本较低，所以可以作为容量测试的补充或替代方法。内阻测试法虽然不能完全地判定蓄电池的状态，但在实际应用中可以测试出 95%的故障电池2,5。目前，内阻检测时采用的方法一般是直流放电法或交流注入法。采用直流放不得小于蓄电池的终止电压。而且，放电结束后要进行均（衡）充电4。3 常用检测方法回顾与比较3.1 定期测量电压法定期测量蓄电池两端的电压可以检测出故障电池组中的失效电池。正常浮充电压值应为标称电压的 90%130%，蓄电池在运行中电压偏差值应在 0.3 V 以内。图 3 所示为近日 110 kV 五接变故障蓄电池组（HOPPECKE SB100，12 V，100 Ah，2006 年投运）在 4 种运行状态下（均充、浮充、放电、离线）的电压。从图 3 中可以得出，在浮充状态下，该故障电池组的电压均值为 13.43 V，其中失效的第 7、9、10、11、13、14 节蓄电池的电压与均值之差分别为 0.15、0.06、0.51、0.5、0.31、0.51 V。通过定期测量电压法只能检出部分蓄电池（第10、11、13、14节）已失效，而对第 7、9 节蓄电池（电压偏差值在 0.3 V 以内，属于正常范围）却起不到作用。当浮充电压不能有效地反映电池的异常情况时，可以采用充放电电压比（105%以上），图 2 蓄电池运行状态图 3 蓄电池在 4 种运行状态下的电压分布万方数据Chinese LABAT Man蓄 电 池2018 No.4 Vo1.55182电法检测内阻时，通过测量负载接入的瞬间负载电流、接入的瞬间电压下降值和断开的瞬间电压上升值，再由欧姆定律计算出电池的内阻。美国的 Alber 公司生产的 Cellcorder 蓄电池智能内阻测试仪就是采用这种方法。因为检测条件为离线脱机或者静态的情况，所以这种方法无法实现在线检测，不适合日常维护6。本文中采用的 2 种手持式智能内阻测试仪（型号 FLUCK BT508，DGC3915S）都采用的交流注入法。用开尔文电桥测量电池的内阻能避免由导线和接触电阻产生的影响，检测精确度高，可实现在线检测，施加的交流电流小，无需外接负载箱放电，安全风险小6。4 蓄电池内阻检测方案研究与探讨4.1 蓄电池内阻测量分析采用手持式 FLUKE BT508 智能电池内阻测试仪对正常运行的 110 kV 北郊变电站蓄电池组（双登公司产，型号 6-GFM-200，12 V，200 Ah，2014年投运）进行检测。如图 4 所示，当电池分别处于浮充电、均充电和放电状态时，蓄电池的内阻基本相同。在上述 3 种状态下蓄电池内阻测量的基础上，对 110 kV 秦灶变不同型号蓄电池（梅兰日兰M2AL12-100SFR，12 V，100 Ah，2017 年投运）进行了离线测量。测试数据为：电压 13.5 V，电阻 3.2 m。由图 4 与离线电池测量数据可得，容量状态良好的蓄电池内阻基本不受蓄电池运行方式（浮充、均充、放电、离线）状态或者充放电电流影响。对 110 kV 五接变故障电池组（HOPPECKE SB100，12 V，100 Ah，2006 年投运）在浮充、均充、放电、离线状态下进行了内阻测试，具体数据如图 5 所示。对 2、7 号电池在浮充状态下