如何全面解决电力系统蓄电池维护问题

如何全面解决电力系统蓄电池维护问题一、 蓄电池在电力系统的作用及存在的问题蓄电池是电力电源系统中直流供电系统的重要组成部分， 它作为直流供电电源， 主要担负着为电力系统中二次系统负载提供安全、 稳定、 可靠的电力保障， 确保继电保护、 通信设备的正常运行。 因此， 蓄电池的稳定性和在放电过程中能提供给负载的实际容量对确保电力设备的安全运行具有十分重要的意义。然而蓄电池经过一定时间的使用后， 常易因活性物质脱落、 板栅腐蚀或极板变形、 硫化等因素，而使容量逐渐降低直至失效。所以，找出落后电池，并将其予以处理，以便消除隐患，就是广大蓄电池维护人员的工作。过去几十年来我们一直使用防酸隔爆式铅酸蓄电池，积累了一定经验。 但由于此种电池维护方法繁琐， 目前已被具有免加水、 安装灵活、 占地面积小且不形成酸雾的阀控式密封铅酸蓄电池（ VRLA）所取代。近年来由于阀控式密封铅酸蓄电池被广泛使用， 国内生产 VRLA的厂家越来越多， 生产规模与技术水平参差不齐，问题不少， 90 年代初国内使用的 VRLA电池出现了很多以前未遇到的新问题， 但由于其是新技术， 有些故障原因尚未被完全掌握， 只有在维护上建立起有效的管理方法，才可避免造成重大隐患。用了五年的电池， 是否一定不能用？用了半年的电池是否一定能用？蓄电池供应商提供的电池是否一定是好的？电池和电池组为什么要进行定期检测和在线监测十几节甚至几十节串联的电池，只要一节过早损坏，如不及时发现，则时间一长，其他电池跟着报废。阀控式铅酸蓄电池 （ VRLA） 从一开始便被称为免维护电池， 而生产厂家又承诺该电池的使用寿命为 10 ~ 20 年 （最少为 8 年） ， 这样就给国内的技术和维护人员一种误解， 似乎这种电池既耐用又完全不需要维护， 许多用户从装上电池后就基本没有进行过维护和管理， 因而在 90 年代初国内使用的 VRLA电池出现了很多以前未遇到的新问题，例如，电池壳变形、电解液渗漏、 容量不足、 电池端电压不均匀等。 这些现象不单在国内，就是在比我国早采用VRLA电池的国外也同样存在。在 VRLA电池中由于电解液比重更大而且浮充电流更大，因而电极腐蚀更为迅速。 电极腐蚀也会消耗氧气从而使电池变干， 这是 VRLA电池特有的故障。 VRLA电池过度的气体逸出、焊接柱或盖板裂缝、密封不严，最后通过容器壁和塑料容器渗出水、氢和氧，这些都会引起电解液渗漏。 VRLA电池的故障有些是气体调节阀出现故障引起的， 阀打开会导致干涸， 也会使空气进入电池， 阴极板自我放电， 阀阻塞会使盖鼓出和爆炸。VRLA电池的冷却比开口式电池更为重要，如果不充分的话，热失控可能会引起电池熔毁或爆炸。 VRLA电池内部接线柱、同极的连接片以及电极接头的腐蚀而断裂的现象也比开口式电池更常发生。这些故障都导致容量损失。这使使用单位不易掌握 VRLA电池的耐久性和失效问题。实践证明， VRLA电池端电压与放电能力无相关性， VRLA电池和电池组在运行过程中， 随着使用时间的增加必然会有个别或部分电池因内阻变大， 呈退行性老化现象， 实践证明， 整组电池的容量是以状况最差的那一块电池的容量值为准， 而不是以平均值或额定值 （初始值）为准，当电池的实际容量下降到其本身额定容量的 90% 以下时，电池便进入衰退期，当电池容量下降到原来的 80%以下时，电池便进入急剧的衰退状况，衰退期很短，这时电池组已存在极大的事故隐患。 使用单位和管理单位， 往往只重视备用电源的设备部分的维护和管理， 而忽视电池组的重大作用， 殊不知断电的危险很大程度上就潜伏在电池组。 整组电池充电的特性是， 如电池组内有一个或几个内阻变大的老化电池， 其容量必然变小， 充电器给电池组充电时， 老化电池因容量小， 将很快充满。 充电器会误以为整组电池已充满而转为浮充状态， 以恒定电压和小电流给电池组充电。 其余状态良好的电池不可能充满。 电池组将以老化电池的容量为标准进行充放电， 经多次浮充 -- 放电 -- 均充 -- 放电 -- 浮充的恶性循环， 容量不断下降，电池后备时间缩短。结论：如不定时检测，找出老化电池给予调整，电池组的容量将变小，电池寿命缩短，影响系统的高效安全运行。实践证明， 电池和电池组的定期检测和在线监测是非常重要和必须的， 是备用电源系统中非常重要而又往往被人们忽视的重要环节。二、 蓄电池维护各种方法回顾1、测量浮充电压法浮充电压的设置对电池的寿命具有相当重要的影响。在理论上要求浮充电压产生的电流量是以补偿电池的自放电。浮充电压过高会引起电池正极腐蚀和失水，使电池容量下降，而浮充电压过低， 也会使电池充电不足，引起电池落后，严重时会出现电极硫酸盐化。浮充电压的选择可以根据厂家说明书的要求而设定。虽然测量浮充电压并及时作出调整是蓄电池日常维护的一项重要工作，但是仅仅靠测量浮充电压并不能找出落后单体电池。 用万用表测出该组电池各单体的浮充电压相当平均，但放电一会儿，其中一个电池的端电压迅速降至截止电压以下，显然该电池为落后单体。2、内阻或电导测试法目前国际上流行一种用电导测试的方法检测电池的内阻来藉此判断电池的实有容量。电导，即电阻的倒数，是指传导电流的能力，它反映了电阻的大小。 VRLA电池的电阻组成是复杂的， 包含了电池的欧姆电阻， 浓差极化电阻， 电化学反应电阻及双层电容充电时的干扰作用。在不同的量测点和不同的时刻测得的电阻值包含的组成也是不同的。剩余容量和电池内阻有一定的固定关系，特别在剩余容量不足 50%时，会迅速下降，因而根据电池的电导或电阻值来判断电池容量有很好的一致性。3、容量测量法欲准确知道 VRLA电池的健康状况， 只有对电池进行容量试验 。 核对性容量放电实验虽然能 100%地测定蓄电池的容量，但是，传统的测试方法有很多弊端，如成本昂贵、设备笨重和对专人进行培训等，更主要的是这种测试必需把电池从设备上隔离开相当长的一段时间，而在这段时间里，如果没有电池做为后备电源，危险性显而易见。3.1 传统的离线容量测试法这种方法须将电池从系统上脱离下来，接上电热丝作为假负载，通过调整电热丝，使电池组以额定电流对电热丝放电， 同时用万用表每隔一定时间量测电池端电压， 直至其中有一单体的端电压到达规定的终止电压时停止放电， 其放电时间与放电电流的乘积即为该电池的实际容量。 此种检测方法测量电池的容量数值准确， 能够清晰的判别电池是否为失效电池。但此种方法存在下列缺陷：? 电池须脱离系统，若这期间市电突然中断，另一组电池能否独撑？增加系统瘫痪风险。? 笨重的电热丝需要多人搬运，且至少须一人测量一人记录数据。? 个别电池端电压可能在两次测量间隔期间突然降至截止电压以下，造成过度放电，如图三所示。工作量过大，难于全面进行。? 整组电池须花费二十几小时充电， 有时需离线之整流器， 且易造成某几个电池过充。? 须消耗大量之电能与热能。3.2 传统的在线容量测试法这种容量测试法不须将电池组脱离系统，只要将整流器关闭，让电池组直接对系统放电， 同时用万用表测量各电池的端电压的变化情况。 这种方法相对离线容量测试法轻松、 简单且节省了许多电能， 但是同样由于人工测量的时间间隔， 存在某些单体过度放电的可能性。装上监控系统后多少解决了这个问题，但是为安全起见，只能放电 20%左右，而失效电池放电电压在放电深度 20%的情况下与有效电池的放电电压不能有效区分开来， 除非在较深的放电深度下才能得到体现。 所以相对于通信系统低于额定容量 80%的电池视为失效电池的规定来说，这种方法也难于满足要求。三、蓄电池维护全面解决方案如何对阀控式铅酸蓄电池建立起一套有效的维护管理方法， 一直是广大维护人员所关心的问题。 近来恒电高测公司推出的蓄电池维护方案， 效果良好， 这里特将其推荐给广大用户，以帮助建立起一套有效的电池维护方法。这套方法着重强调以下观点：任何蓄电池的寿命变化都是渐变的， 频繁的测量没有任何意义， 但是， 长期的跟踪管理却是最为重要的。由于电池的寿命平均在 5 年左右，一个月左右测一次即可。蓄电池的寿命取决于电池的充放电次数， 随着充放电次数的增加， 电池的内阻增加， 放电能力减少，当达到一定程度时，这种变化加快。因此，长期跟踪测试，状态管理成为一项可行的解决方案。 在实际使用中， 有很多种方法可以决定电池的寿命或状态， 但是基于内阻的测量方法是最快，最可靠的。目前市场上存在的各种所谓容量检测系统（除了 10 小时放电系统），其原理归根结底都是基于内阻的。因此无论即使是几十万的设备，还是几万的，其原理从根本上是一致的，所谓的容量也是推测。一般判则： 恒电高测从用户测试设备处收集到许多的测试数据， 并将他们的发现做为报告发表出来 。迄今为止，可以得出这样的结果，即所有内阻高于基准值 25%的电池将无法通过容量的测试。建立一个方便，简单，可靠， 价格较低的有效测试系统，是本公司提出的解决方案的最终目标，下面分别介绍我公司的测试方法和推荐的电池维护方案：交流法测量蓄电池内阻是随着数字信号处理技术的发展而产生的， 在九十年代以前由于数字信号处理技术的落后， 充电机与外界噪音对信号的干扰无法彻底消除， 一直没有得到广泛的应用，故一般只是在实验室、 军事部门使用。 近几年随着数字信号处理技术发展， 使得有效地消除了其他电磁信号干扰成为可能。交流法就是向蓄电池注入一定频率的交流信号，由于蓄电池内部存在的阻抗，然后测量其反馈的电流信号， 进行信号处理， 比较注入信号与反馈信号的差异， 从而测得蓄电池内阻。其原理可以用以下简单的公式表示：＝ RV /I 1：蓄电池的内部模型阻抗分析是电化学研究中的常用方法，是电池件能研究和产品设汁的必要手段。图 l 所示为常用的铅酸电池阻抗的简化等效电路其中： R1 为欧姆电阻， R2 为极化电阻 ,C 为蓄电池的电容。2 蓄电池内阻的测量方法1) 直流放电法直流放电法的代表：阿尔伯（ Alber ）直流放电法是在蓄电池的两端接入放电负载，然后再断开负载，测量蓄电池在断开瞬间电池电压的变化。其中 U2 为断开瞬间的电压。由于断开后电压会逐步回复。所以为了测量的准确性，需要准确捕捉电压的变化。直流放电法的优点 : 1：由于放电法使用较大的电流进行放电，所以抗干扰能力较强。直流放电法的缺点 : 1：由于使用电流超过电池正常使用的电流，所以会对电池造成损坏。2：由于放电电流较大，所以功耗较大，所以测试仪每次测试完成后温升较大，不适合连续工作。3： 由于蓄电池内阻值很小 （一般是在毫欧级） ， 所以在一定电流下的电压变化幅值相对较小。相对电池电压的变化一般不超过 5%，所以其测试精度较差。4：由于测试的是暂态过程，所以其测量的重复性差。2） 交流注入法交流注入法的代表：日置（ HIOKI ）交流注入法是对蓄电池注入一个交流电流， 通过测量蓄电池两端产生的电压波动， 计算出蓄电池的内阻。通过电压与电流的相位，可以消除电容的影响。交流注入法的优点 : 1：由于使用的是交流信号，所以可以方便地滤去电池电压的影响。并且交流信号的放大处理较为方便，所以其测试精度较高。2：由于测量的是稳态过程，所以其测量重复性好。3：由于其注入电流较小，所以仪表可以连续工作。3: 交流注入法的缺点 : 1：由于其注入电流较小，所以在线测试时容易受干扰，抗干扰能力较差。交流放电法： 武汉恒电高测提出的一种新的测试方法， 结合了直流放电法抗干扰强和交流注入法测试稳定的优点。测试原理使用仪表内置的负载， 对蓄电池进行放电。 通过控制放电电流为叠加了低频交流信号的电流，使得蓄电池两端产生一个带有相同频率波动的电压压降。 通过测量其电压的波动值和电流的波动值， 并分别通过傅立叶变换求出给定频率分量的值。 然后运用欧姆定律可以求出其内阻。图 1：测试原理图图 2 ：放电电流及蓄电池电压波形图测试方法的优点：1：由于采用蓄电池对仪表进行放电，所以其放电电流可以加大。实际应用中，放电电流峰值可达到 2~5A ， 与交流注入法的不到 100 毫安电流相比， 其在蓄电池上产生的电压波动值增大了 20 到 50 倍，极大地提高了仪表测量的抗干扰能力。2： 由于采用的放电电流小于蓄电池正常的工作电流， 所以测量过程不会对蓄电池产生损害。3：由于是使用交流稳态过程，所以其测试精度高，重复性好。4：由于测量时使用电流不大，相对直流法测量功耗较小，所以大大提高了连续测量次数，满足了实际工作中要求连续测试整组蓄电池参数的要求。3、电池检测和在线检测的三种主要方法蓄电池在线监测管理是针对测量电池的运行条件和检测电池本身的状况而设计的、 电池监测主要有如下三种方法：①整组监测，②单电池电压监测，③电池内阻监测与在线监测。① 整组监测：整组电池监测功能一般设计在整流电源内（如一些高端的 UPS的电池管理软件），测量电池组的电压， 电流和温度 ， 进行充电和放电管理， 尤其是根据环境温度变化来调整电池组的浮充电压（温度补偿）做得比较好， 在电池放电时电池组电压低至某下限时报警。 成组电池监测很难发现单电池的缓慢变化， 包括单电池本身的老化和因单电池一致性问题而带来的积累效应， 以一组 48V电池组来说， 如果只有 1 个电池在变坏， 其电压变化的信号会被其它 23 只电池 “ 淹没 ” 。电池端电压及电池组母线电压与电池容量（放电能力）无关。 整组监测无法监测电池及电池组实际容量，无法筛选其中已老化的电池。② 单电池电压监测：1997 年我国邮电部发布的电池监控标准目的在于规范电池监测产品和技术。 标准中明确要求监测到每一个单电池。目前电信部门使用的产品大多都是依据该标准设计和生产的。制定标准后， 电信运维部门期望监测设备能够起到重要作用， 而实际情况是在浮充状态， 监测设备只能发现极个别性能很差，浮充电压超常的电池。对于浮充电压小幅值的差异监测，系统并没有办法区别和处理， 也就是对于电池性能变坏， 电池容量已经大幅下降的老化电池监测无能为力， 这时如果电池浮充电压变化不明显， 监控系统不会发出警报。 而是当放电时发现某电池的放电电压（或曲线）异常才有警告。但一般为时已晚。结论：实践证明，单电池电压监测的预警性和前瞻性较差，无法准确测定电池内阻和容量，及时找出老化电池。③ 电池内阻监测与在线监测：恒电高测在近几年推出了交流放电法对电池进行内阻检测的系列产品，是电池监测技术的质变， 即由被动监测电池电压到主动精确测试电池内部状态 （内阻） 和在线监测电池组动态变化。4、推荐的蓄电池测试工具HDGC3920/3926 蓄电池在线监控巡检系统 是恒电高测公司利用内阻测试专利技术的高级综合应用。 这种系统的独特之处是能对蓄电池存在的任何问题提供早期的预报。 通过测试蓄电池内阻及电压的方法， 系统能够自动检查到每个电池单体的状况， 并可靠地预测出它们的性能。HDGC3915/3901 蓄电池内阻测试仪 是恒电高测公司的一款可以进行数据自动储存的蓄电池智能内阻测试仪， 它可以在正常测试时间内精确提供各阶段数据。 此款轻便智能型设备可以显示并记录单体浮充电压、 单体内阻以及单节电池的估算容量。 可应用于单体电池或由多单体构成的模块。 自动储存 5200 节电池组或 1500 节电池组的相关数据， 不仅可以节省时间， 而且还可以确保永久地保存记录。 使用 USB端口和软件可以将所有读数传送至计算机进行深入分析并生成报告。HDGC3932 智能蓄电池活化仪 是恒电高测公司推出的专用于日常维护中对落后蓄电池处理的便携式产品， 它具有三种独立的使用方式： 电池放电方式、 电池充电方式和电池活化方式。 可以针对落后电池不同的实际情况， 对电池进行恒流充电或设置多个循环周期对最小容量的电池作循环多次充放电， 以激化电池极板失效的活性物质使电池活化， 提升落后电池的容量。同时配备 PC机应用软件，把采集的数据上传至计算机，便于进行各种分析。HDGC3982/3980 蓄电池组放电监测仪 是恒电高测公司推出的集放电、单体监测和通讯一体化的蓄电池组容量测试系统工具。这套设计巧妙的系统采用线性连续可调自动控制电路， 完全按照用户编程的方式在恒流、 恒功率和自动关闭的模式下自动完成测试。 是蓄电池组阶段检、年检、工程验收的理想工具。