閥控式蓄電池

本文結(jié)合日前大量應(yīng)用的閥控式蓄電池的特點和應(yīng)用，針對農(nóng)電垂直管理發(fā)現(xiàn)的問題，深入提出直流電源系統(tǒng)實際運(yùn)行中存在的問題，闡述了理解和執(zhí)規(guī)技術(shù)要求，分析了影響蓄電池組使用壽命的主要因素，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，提出直流系統(tǒng)蓄電池及充電裝置運(yùn)行維護(hù)的措施。

1引言

日前根據(jù)農(nóng)電垂直管理要求，對縣級供電企業(yè)的專項安全檢查及幾次事故分析，都發(fā)現(xiàn)縣級供電企業(yè)在直流系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)中存在的管理問題，還發(fā)生由于直流系統(tǒng)故障，尤其是蓄電池組的故障引發(fā)的事故。2007年5月1日，X X X 110kV變電站一條10kV電纜近處三相短路，造成站內(nèi)10kV母線電壓嚴(yán)重下降，站用變的交流電源下降到30%,站內(nèi)充電裝置失去I段電源，直流輸出消失，全站保護(hù)拒動，引起對側(cè)電源110kV線路保護(hù)越級動作跳閘，引發(fā)全站停電事故，損失負(fù)荷70MVA，事故后檢查發(fā)現(xiàn)該直流系統(tǒng)蓄電池組整組容量不足，個別蓄電池組極柱腐蝕嚴(yán)重，充電裝置只接入一路交流電源，蓄電池組的充放電工作長期得不到正確維護(hù)。

直流系統(tǒng)作為保護(hù)自動化設(shè)備和監(jiān)控電源的設(shè)備,是電網(wǎng)保護(hù)設(shè)備的“心臟”，其工作正常與否,直接影響到電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。隨著技術(shù)的進(jìn)步,直流系統(tǒng)設(shè)備也有較大發(fā)展,閥控式蓄電池的大量應(yīng)用,充電裝置的智能化和蓄電池的密封性技術(shù),大大減輕了運(yùn)行人員的難度,但也帶來的一些運(yùn)行維護(hù)的問題:過于相信和依賴新設(shè)備,運(yùn)行維護(hù)工作不到位,新設(shè)備使用壽命還不如原設(shè)備,甚至發(fā)生蓄電池?fù)p壞,變電站直流系統(tǒng)全癱瘓,保護(hù)拒動,變電站全停的事故.就此筆者專門針對直流系統(tǒng)的運(yùn)行與維護(hù)提出一些看法.

2．對閥控式“免維護(hù)”蓄電池(VRLA)理解。

蓄電池組是做了直流電源、不間斷電源(UPS)的應(yīng)急電源(EPS)的后備電源,在電力系通信等到領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.平時蓄電池長期處于浮充電狀態(tài),而是市電直接或通過轉(zhuǎn)換后給負(fù)載,只有當(dāng)市電中斷或特殊情況下,才由蓄電池直接供給負(fù)載。日前大量使用閥控式密閉式鉛酸蓄電池(VRLA)由于采用了內(nèi)部氧復(fù)合技術(shù),大大減少了電解液的損耗,而且體積小,電壓穩(wěn)定,無污染,重量輕,放電性能高,無酸霧析出,無需加水,通常稱為”免維護(hù)蓄電池（Mintenance Free Batteries），深受專業(yè)人員的青睞.它真正的免維護(hù)機(jī)理是：

在閥控式鉛酸蓄電池中，為了防止充電后期氫氣和氧氣的逸出，在設(shè)計時，負(fù)極容量相對于正極過剩。即當(dāng)充電進(jìn)行至最終階段，正極板首先產(chǎn)生氧氣，即

2 H2O → O2 + 4H

氧氣經(jīng)隔板中的氣孔擴(kuò)散到負(fù)極板，并與負(fù)極板活性物質(zhì)——海綿狀Pb 和H2SO4發(fā)生反應(yīng)生成PbSO4，同時抑制了負(fù)極板氫氣的產(chǎn)生，即

2Pb + O2 → 2PbO

PbO + H2SO4 → PbSO4 + H2O

由于是在充電過程中，生成的PbSO4又被回復(fù)到了海綿狀Pb ?？偟慕Y(jié)果為

O2 + 4H + + 4e - → 2 H2O

顯然這是正極板產(chǎn)生氧氣的逆過程，即正極板充電后期電解水所產(chǎn)生的氧氣，在負(fù)極板被復(fù)合并還原成水。所以閥控式鉛酸蓄電池在充電過程中沒有氫氣和氧氣的冒出，亦沒有水的損失，這就是閥控式鉛酸蓄電池?zé)o需加酸加水，免維護(hù)的原因。

但是,相對于傳統(tǒng)開口式的電池而言, 免維護(hù)是使用期間無須加水,無須調(diào)節(jié)電解液比重，多數(shù)的維護(hù)人員由于對免維護(hù)一詞的誤解,忽視了對閥控工蓄電池的日常維護(hù)和管理,造成了蓄電池的使用壽命的縮短,容量不足或者失效造成的變電所和發(fā)電廠事故屢見不鮮。

3．對國網(wǎng)直流系統(tǒng)技術(shù)要求執(zhí)行忽視的幾個方面問題

3.1直流系統(tǒng)紋波系數(shù)的測量

國網(wǎng)直流運(yùn)行維護(hù)技術(shù)規(guī)程中，紋波系數(shù)的測量是直流核心指標(biāo)，它反應(yīng)了直流裝置輸出電壓的脈動程度，數(shù)值過大不僅會影響蓄電池使用壽命，嚴(yán)重情況會引發(fā)直流系統(tǒng)事故。

3.2直流監(jiān)控裝置控制程序的試驗

直流電源標(biāo)準(zhǔn)對微機(jī)監(jiān)控裝置要求直流電源設(shè)備應(yīng)能自動進(jìn)行：恒流限壓充電—恒壓充電—浮充電狀態(tài)或均充—浮充的狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換。但實際現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)仍有部分設(shè)備老化，恒壓均充后不能自動轉(zhuǎn)換為浮充狀態(tài)，對保護(hù)設(shè)備及蓄電池壽命均不利。

3.3 交流輸入端的技術(shù)要求

直流電源技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不僅要求充電裝置應(yīng)有2路交流輸入、互為備用，取自不同段的交流電源。還要求設(shè)備有防止過電保護(hù)，防止電網(wǎng)浪涌沖擊電壓侵入充電模塊的技術(shù)。目的是如果發(fā)生雷擊雷電波通過交流電源線侵入直流輸入端，造 成充電模塊受損，其受到?jīng)_擊電壓影響而損壞，并產(chǎn)生高的直流電壓，導(dǎo)致直流系統(tǒng)事故。

3.4蓄電池組的充放電

規(guī)程對閥控式蓄電池組投入運(yùn)行后要求：每2-3年進(jìn)行一次核對性充放電，運(yùn)行6年后每年進(jìn)行一次核對性充放電，目的就是校驗蓄電池組容量是否滿足要求。使電池內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)通過放電、充電得到活化。延長電池壽命。

4．當(dāng)前影響直流系統(tǒng)安全運(yùn)行的主要因素

目前,變電站幾乎都使用閥控式蓄電池,大多是2V的蓄電池組,容量較小,一般在100-500Ah,,2V電池設(shè)計壽命在10年左右, 這設(shè)計值是要求在嚴(yán)格的運(yùn)行環(huán)境下的理論值，實際的壽命與電池的環(huán)境溫度、直流屏的參數(shù)、日常維護(hù)及電池的運(yùn)行善有密切的關(guān)系。日常檢查中還發(fā)現(xiàn)有的蓄電池室即沒有安裝空調(diào)或安裝了空調(diào)平時也未進(jìn)行相應(yīng)溫度補(bǔ)償調(diào)整，使得實際使用中的電池壽命大大縮短。

4.1 環(huán)境的溫度的影響

環(huán)境溫度是影響蓄電池使用壽命的重要因素,隨著溫度升高,蓄電池的放電能力有所提高,在15-25度左右的環(huán)境下,可獲得較長的壽命.但溫度每升高10度,蓄電池的壽命就減少一半左右,溫度越高,影響越大.溫度一升高,蓄電池的極板腐蝕將加劇,同時將消耗更多的水,從頁電池壽命縮短.

一般廠家要求的環(huán)境溫度是20±5度.電池額定容量是指25度下的容量,如果溫度過低,電池的放電容量將受影響,通過實驗證明,25度以下時,溫度與容量有一定有關(guān)系.

4.2 熱失控

電池初期限高電源充電不會造成熱失控問題,這是因為充電初期限全部或大部分電量用于活性物質(zhì)轉(zhuǎn)化,電流幾乎全部轉(zhuǎn)化用來參加氧復(fù)合反應(yīng),反應(yīng)會產(chǎn)生大量的熱.在恒壓充電的情況下,所生成的熱量會導(dǎo)致蓄電池充入更大的電流,,就會產(chǎn)生更多的熱量,這個循環(huán)持續(xù)進(jìn)行,假如電池通風(fēng)不好,電流不加限制,最終將空難性的熱失控事故,這對電池來說就是毀滅性的破壞.

4.3 過充電

若蓄電池長期處于過充電狀態(tài),正極因反應(yīng)析氧反應(yīng),水將被消耗,氫離子濃度隨之增加,從而導(dǎo)致正極附近的酸濃度增加,使極板柵腐蝕加劇,同時因水分損壞加大,蓄電池電解發(fā)液會發(fā)生干涸的危險,從而大大縮短電池的壽命.實踐也證明,當(dāng)閥控電池溫度大于50度時,10多次的過充電就會導(dǎo)致蓄電池永久性的失效.

4.4 欠充電

根據(jù)目前對部分壞的電池解剖情況分析,導(dǎo)致電池壽命終止的一個主要原因在于電池負(fù)極的不可逆硫酸鹽化.這是蓄電池容量早衰的典型表現(xiàn)。在正常條件下,電池在放電時形成結(jié)晶硫酸鉛,在充電時能較容易地發(fā)生氧氣化還原反應(yīng)正極轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸U,負(fù)極還原為鉛。如果運(yùn)行維護(hù)有問題,如浮充電壓太低或常處于欠充電狀態(tài),會造成浮充電流減小,相對充電時間延長.如果充電時間不足,電池就會片于欠充電狀態(tài),電池的放電容量會越來越小。

浮充電壓太低,電池極板內(nèi)部的硫酸鉛不能充分化合成氧氣化鉛和鉛。長期如此,活性物質(zhì)最后無法轉(zhuǎn)化氧氣化鉛和鉛,使電池放不出電.

另外電池中個別單體電池,一旦發(fā)生不可逆硫酸鹽化,電池內(nèi)解液濃度改變會使內(nèi)阻增加,電池內(nèi)部產(chǎn)生的大量熱能,使硫酸鹽化程度繼續(xù)加劇,最終引起硫酸鉛枝晶短路,單體電池極板因短路電流發(fā)熱和扭曲或膨脹,通常就是“鼓肚子”現(xiàn)象,甚至引起電池外殼爆裂,單體電池產(chǎn)生早期失效,直接導(dǎo)致整組電池失效.

電池失效可由不同原因引起.通常情況浮充電壓過高會引起熱失控而受到維護(hù)人員的重視,比如電池室的溫度監(jiān)控,實際上當(dāng)電池組長期處于欠充電產(chǎn)生的后果發(fā)展的時間較長,不易被除發(fā)現(xiàn)和注意,所以形成電池維護(hù)隱患.

4.5 充電裝置的性能及參數(shù)設(shè)置影響

充電裝置日前進(jìn)行中的充電裝置有些是相控充電裝置，大部分是高頻電源開關(guān)。但實際運(yùn)行中直流充電裝置穩(wěn)流、穩(wěn)壓及恒流限壓充電-恒壓充電—浮充電狀態(tài)或均充—浮充的狀態(tài)自動轉(zhuǎn)換等性能不合要求，充電裝置內(nèi)部浮充、均充電壓等運(yùn)行參數(shù)設(shè)置，也是影響直流系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素。

5 做好直流系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)的技術(shù)措施

5.1 新蓄電池組的投入及使用過程

一般情況下，新電池從出廠至安裝再到投入運(yùn)行會有一段時間，特別是基建安裝調(diào)式期間，電池因長時間的自放電，電池容量會有不同程序的損失，且由于各電池自放電大小的差異，導(dǎo)致電池的電解液比重、電池端電壓等的不均勻。因此，在電池投入運(yùn)行前，須進(jìn)行電池進(jìn)行一次補(bǔ)充放電，否則，個別電池會進(jìn)一步擴(kuò)展為落后電池并導(dǎo)致整組蓄電池出問題。

5.2 在線運(yùn)行的蓄電池組的均充電和浮充電

電池投入使用后，正常運(yùn)行，應(yīng)按照生產(chǎn)廠商的充電要求進(jìn)行蓄電池充電參數(shù)的設(shè)置。尤其是目前的直流開關(guān)電源充電設(shè)備，其智能化的方式和程序都不盡相同，開關(guān)電源設(shè)置參數(shù)不合理，直接引起電池欠充，過充或過放，從而導(dǎo)致電池壽命縮短。

（1）電力系統(tǒng)用電池一般在浮充電狀態(tài)運(yùn)行，而浮充電運(yùn)行是蓄電池的最佳運(yùn)行條件，此時電池一直處于滿荷電狀態(tài)，在此條件上運(yùn)行，電池將達(dá)到最長的使用壽命，因此浮充電壓的設(shè)置對電池壽命至關(guān)重大。

（2）閥控式蓄電池的浮充電壓值在25℃時，為2.25±0.02V/單體。建議最在取2.25V－2.26V/單體，即此中心值略高一點。這是因為蓄電池標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度為25℃，為保證蓄電池在長期浮充電條件下能充足電，特別是老式相控開關(guān)電源，設(shè)備無自啟動均充電功能時，適當(dāng)提高浮充壓值對運(yùn)行是有利的。電池進(jìn)行短時間放電后，即使對電池沒有均充電補(bǔ)足電能，但由于平時浮充電取較高，一段時間浮充電后，也能補(bǔ)足電能。

（3）電池在浮充電運(yùn)行時，充電電壓應(yīng)隨環(huán)境作適當(dāng)調(diào)整，浮充電壓數(shù)值可按溫度補(bǔ)償系統(tǒng)－3.5mV/度單體進(jìn)行計算，即溫度升高1度，浮充電壓下降3.5mV，溫充降低，浮充電壓上升3.5mV。

5.3做好直流充電裝置的交接驗收

交接驗收時，要檢驗充電裝置的穩(wěn)壓、穩(wěn)流及限流特性良好。為保證蓄電池能夠運(yùn)行在最佳狀態(tài)和應(yīng)用兩階段恒定電流恒壓的充電方法，浮充電的穩(wěn)壓特性十分重要，保證直流母線運(yùn)行電壓和防止落后電流的產(chǎn)生。充電時的穩(wěn)流特性十分重要，在供電電壓逐步上升時保持穩(wěn)定電流，保證了電池的正常電化學(xué)反應(yīng)，順利進(jìn)入恒壓的均衡充電階段，達(dá)到改善電池特性參數(shù)或解決個別落后容量恢復(fù)的問題。

限流特性，主要是防止負(fù)荷劇增時，整流器產(chǎn)生“搶負(fù)荷”和起調(diào)現(xiàn)象，易跳閘。所以充電機(jī)的穩(wěn)壓、穩(wěn)流及限流特性一般有要求，如下表：

5.4做好蓄電組日常的運(yùn)行維護(hù)管理

(1)每月進(jìn)行測一次單體電池電壓和電池組電壓。

端電壓是反映蓄電池工作狀況的一個重要參數(shù)，閥控密封鉛酸蓄電池端電壓的測量不能在浮充電狀態(tài)，還應(yīng)在放電狀態(tài)下進(jìn)行。浮充電狀態(tài)下的電池端電壓測量，由于外加電壓的存在，測量出的電池端電壓易造成假現(xiàn)象，即使有些電池有問題，也能測量出似乎正常的數(shù)值（實際上是外加電壓在該電池兩端造成的壓差），這極易在交流失電時造成變電所事故，定期在放電狀態(tài)下進(jìn)行電池端電壓測量，這種情況就完全可以避免。

(2)保持電池環(huán)境清潔，防止發(fā)生電池短路事故。

定期檢查電池極柱、安全閥和電池水槽是否有滲液和酸霧溢出。每半年檢查連接螺栓是否有松動，蓄電池的 外觀正常，外表溫度正常，清掃灰塵，擰緊連接螺絲，除銹凡士林保護(hù)。

(3)定期進(jìn)行核對性充放電容量試驗

每年進(jìn)行對電池進(jìn)行以實際負(fù)荷進(jìn)行一次核對性容量充電，放出額定容量的30－40%，根據(jù)放電曲線評估蓄電池容量。每3年進(jìn)行一次容量測試，使用6年后每年做一次，即對蓄電池組進(jìn)行全充全放，這個工作也稱為活化處理或治療性充放電。通過放電和充電過程的循環(huán)，活性物質(zhì)得到活化，防止鈍化。閥控式蓄電池充放電的或補(bǔ)充電的條件是：一是電池組中有2只或2只以上單體電池電壓低于2.18V；二是蓄電池閑置停用時間超過三個月；三是電池全浮充運(yùn)行達(dá)三個月。

其主要方法是將電池組脫離直流屏，在電池組兩端加上可調(diào)負(fù)載和智能放電儀，以0.1IC的電流進(jìn)行放電，每半小時或1h記錄一次電池端電壓，起到電壓下降到1.8V后停止放電，并記錄時間，再用0.1IC電流對蓄電池進(jìn)行恒流充電，等電池電壓上升到2.35V，時，保持該電壓對電池進(jìn)行8h的均衡充電后，將充電電壓改為2.25V進(jìn)行浮充電（有的由充電裝置自動設(shè)定轉(zhuǎn)換）。

（4）做好設(shè)備日常巡視檢查。

巡視維護(hù)中要檢查直流充電裝置浮充電電流、浮充電電壓是否在合格范圍，與直流母線的實際值是否一致；兩路交流電源輸入是否正常，并做好定期切換試驗；定期檢查充電裝置充電方式和運(yùn)行參數(shù)，是否按規(guī)程要求和定值單進(jìn)行設(shè)置；定期進(jìn)行直流監(jiān)控裝置控制程序試驗，檢查充電裝置能否自動進(jìn)行恒流限壓充電—恒壓充電—浮充電狀態(tài)自動切換，且正常運(yùn)行應(yīng)處于浮充電。其中充電裝置參數(shù)設(shè)置中浮充電壓對于閥控式密封鉛酸蓄電池組來講非常重要，檢查是否按5.2點要求進(jìn)行定期設(shè)置。

小結(jié)

總之，直流電源是變電站安全運(yùn)行的核心，失去了直流電源，繼電保護(hù)自動裝置和開關(guān)就失去了動力，整個變電站就要癱瘓。因此重視對直流系統(tǒng)管理是保證變電站安全運(yùn)行的前提，特別是做好蓄電池的維護(hù)和管理。要正確理解閥控式蓄電池的特點，針對影響其使用的主要因素，不斷提高維護(hù)水平，維護(hù)直流系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時查找日常維護(hù)中的不足，提高變電所、發(fā)電廠和通信站的安全運(yùn)行是我們電力同行工作者的天職。

（摘編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“蓄電池使用壽命的提高及直流系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)技術(shù)”，作者為王連輝。）

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