110 kV 變電站蓄電池維護(hù)檢測(cè)方法研究與探討

江紅成，潘岑誠(chéng)，江季聲，韓偉，黃梅，張振宇，俞鑫春

（1. 國(guó)網(wǎng)江蘇南通供電公司，江蘇 南通 226000；2. 江蘇省南通中學(xué)，江蘇 南通 226000）

0 引言

變電站直流電源系統(tǒng)作為繼電保護(hù)裝置、通信設(shè)備電源及斷路器操作電源，應(yīng)當(dāng)滿足安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。直流系統(tǒng)發(fā)生故障，將會(huì)造成保護(hù)和斷路器拒動(dòng)，引發(fā)重大的電網(wǎng)事故。例如：當(dāng)2016年某 330 kV 變電站（與某 110 kV 變電站共址建設(shè)）外有一 35 kV 出線電纜中間接頭爆炸，站內(nèi)所用交流電源失去時(shí)，直流電源未能提供應(yīng)急電能，保護(hù)越級(jí)跳閘，造成事故擴(kuò)大，導(dǎo)致 330 kV和 110 kV 主變壓器著火燒損的嚴(yán)重事故。

在變電站直流系統(tǒng)中，蓄電池的穩(wěn)定性和放電容量對(duì)直流系統(tǒng)安全運(yùn)行起決定性作用。《國(guó)家電網(wǎng)公司變電運(yùn)維管理規(guī)定 第 24 分冊(cè) 站用直流電源系統(tǒng)運(yùn)維細(xì)則》（國(guó)家電網(wǎng)企管〔2017〕206 號(hào)）關(guān)于蓄電池組維護(hù)要求：“全站僅有 1 組蓄電池時(shí)，不應(yīng)退出運(yùn)行，也不應(yīng)進(jìn)行全核對(duì)性放電，只允許用I10電流放出其額定容量的 50%。單體蓄電池電壓測(cè)量應(yīng)每月至少 1 次，蓄電池內(nèi)阻測(cè)試應(yīng)每年至少 1 次”[1]。通常，110 kV 變電站僅有 1 組蓄電池，而且一般在浮充狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)測(cè)量單體蓄電池的電壓，但是某些情況下該方法并不能檢測(cè)出單體蓄電池的異常情況。近日，某 110 kV 變電站的10 kV 線路近端相間故障引起母線電壓波動(dòng)，站用變瞬時(shí)失電，蓄電池異常，全站保護(hù)電源、操作電源和通信電源等直流電源瞬時(shí)消失。事故后，經(jīng)檢查單體電池電壓正常，但是更換蓄電池后，再檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，蓄電池已嚴(yán)重老化，容量不足。在變電站實(shí)際運(yùn)行過程中曾多次出現(xiàn)過蓄電池單節(jié)電壓正常，但蓄電池不能正常放電的情況，并由此造成了巨大損失[2]。

筆者通過結(jié)合所在單位的蓄電池故障案例，對(duì)110 kV 變電站蓄電池維護(hù)檢測(cè)方法作了一些分析與探討，并提出了一些基于內(nèi)阻檢測(cè)的蓄電池監(jiān)測(cè)方法，以期對(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)蓄電池的異常狀態(tài)，提高變電站直流電源的運(yùn)行可靠性有所助益。

1 閥控式（VRLA）鉛酸蓄電池的影響因素

目前， VRLA 電池在變電站中作為直流電源廣泛采用，具有體積小、重量輕、自放電小、維護(hù)工作量少，壽命長(zhǎng)（一般不低于 8～12 a）等優(yōu)點(diǎn)。VRLA 電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括金屬（或歐姆）路徑以及電化學(xué)路徑。從圖 1 中可以看出歐姆電阻主要反映金屬通路中的電阻，極化電阻主要反映化學(xué)通路中的電阻。其中，影響電阻大小的主要是板柵和匯流排的腐蝕、電池老化及腐蝕生成的板柵蠕變、鑄鉛及涂膏的制造缺陷、活性材料硫酸鹽化等。

圖1 蓄電池物化模型

VRLA 電池容量影響因素主要有：(1) 極板面積和活性物質(zhì)的多孔性；(2) 放電電流大?。?3)溫度；(4) 電解液密度[2]。蓄電池容量失效的主要模式為匯流排腐蝕、極板硫酸鹽化、失水、干涸等。實(shí)際運(yùn)行中多種不良工況會(huì)導(dǎo)致蓄電池失效：(1) 環(huán)境溫度過高；(2) 過深的放電深度會(huì)使其循環(huán)使用次數(shù)減少；(3) 長(zhǎng)期處于浮充狀態(tài)造成氧化膜覆蓋電極；(4) 充電電壓過高造成失水[3]。

2 變電站中蓄電池運(yùn)行方式

110 kV 變電站中蓄電池運(yùn)行方式如圖 2 所示，主要有：

2.1 均（衡）充電

均（衡）充電是為補(bǔ)償蓄電池組在使用過程中產(chǎn)生的電壓不均勻現(xiàn)象，使其恢復(fù)到規(guī)定范圍內(nèi)而進(jìn)行的充電，一般包含著恒流（穩(wěn)流）限壓充電和恒壓限流充電 2 段歷程。首先，進(jìn)行恒流充電，將電壓設(shè)定在均充電壓值（253 V），開始以In（0.1C10）恒定的充電流給蓄電池充電。以恒流方式進(jìn)行充電可以盡快恢復(fù)電池的電壓，確保電壓持續(xù)上升。接著，當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到均充電壓值后，轉(zhuǎn)入恒壓充電模式，隨著電池容量的恢復(fù)，充電電流由In逐漸減小。然后，當(dāng)充電電流小于整定值（10 %In）時(shí)，開始計(jì)時(shí) 2～3 h 后，將充電機(jī)電壓調(diào)整為浮充電壓（241V），結(jié)束恒壓充電的階段，轉(zhuǎn)入浮充電狀態(tài)[4]。

2.2 浮充電

以浮充電壓對(duì)蓄電池進(jìn)行的恒壓充電是為了補(bǔ)充蓄電池的自放電?？梢栽O(shè)定浮充電 3～6 個(gè)月后，自動(dòng)進(jìn)行 1 次均充（恒流-恒壓）-浮充電的補(bǔ)充電。

2.3 事故放電

當(dāng)充電機(jī)電源中斷時(shí)，由蓄電池組立即承擔(dān)起主要負(fù)荷，蓄電池開始放電過程。當(dāng)蓄電池放電電壓和放電電流逐漸減少，達(dá)到終止電壓時(shí)，應(yīng)采取手動(dòng)斷開操作，使蓄電池停止放電。

2.4 核對(duì)性充放電

對(duì)新安裝或大修后的蓄電池組，需要進(jìn)行全核對(duì)性額定容量放電試驗(yàn)。以電流In（0.1C10），放電 10 h，對(duì)電池進(jìn)行 100 % 容量的放電。放電電壓不得小于蓄電池的終止電壓。而且，放電結(jié)束后要進(jìn)行均（衡）充電[4]。

圖2 蓄電池運(yùn)行狀態(tài)

3 常用檢測(cè)方法回顧與比較

3.1 定期測(cè)量電壓法

定期測(cè)量蓄電池兩端的電壓可以檢測(cè)出故障電池組中的失效電池。正常浮充電壓值應(yīng)為標(biāo)稱電壓的 90 %～130 %，蓄電池在運(yùn)行中電壓偏差值應(yīng)在±0.3 V 以內(nèi)。

圖3 所示為近日 110 kV 五接變故障蓄電池組（HOPPECKE SB100，12 V，100 Ah，2006年投運(yùn)）在 4 種運(yùn)行狀態(tài)下（均充、浮充、放電、離線）的電壓。從圖 3 中可以得出，在浮充狀態(tài)下，該故障電池組的電壓均值為 13.43 V，其中失效的第 7、9、10、11、13、14 節(jié)蓄電池的電壓與均值之差分別為 0.15、0.06、0.51、0.5、0.31、0.51 V。通過定期測(cè)量電壓法只能檢出部分蓄電池（第10、11、13、14節(jié)）已失效，而對(duì)第 7、9 節(jié)蓄電池（電壓偏差值在 0.3 V 以內(nèi)，屬于正常范圍）卻起不到作用。當(dāng)浮充電壓不能有效地反映電池的異常情況時(shí)，可以采用充放電電壓比（105 % 以上），反映蓄電池的容量變化。

圖3 蓄電池在 4 種運(yùn)行狀態(tài)下的電壓分布

另外，在浮充電狀態(tài)下，只能發(fā)現(xiàn)個(gè)別性能差、浮充電壓超常的電池，而對(duì)于整組電池性能變壞，電池容量已經(jīng)大幅下降的老化電池則無(wú)能為力。用單節(jié)活化儀對(duì)圖 3 中蓄電池組進(jìn)行容量試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)第 1、7、9、10、11、12、13、14、18 節(jié)電池容量為 0，且第 2、3、4、5、6、8、15、16、17 容量為額定容量的 10 %～20 %，顯然這些電池已全部失效。有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)“浮充電壓正常，但放電時(shí)發(fā)生嚴(yán)重故障”的情況。由于定期測(cè)量電壓法的準(zhǔn)確性和全面性不夠，因此采用這種方法不能有效地反映整組電池的內(nèi)阻和容量，不能及時(shí)找出老化故障電池。

3.2 容量測(cè)量法（核對(duì)性充放電）

核對(duì)性容量測(cè)量法能 100 % 地反映出蓄電池的容量，同時(shí)也能起到維護(hù)蓄電池的作用。不過，核對(duì)性容量測(cè)量法的缺點(diǎn)也比較明顯，即要求必須具備 2 組蓄電池或者有備用電池組。被測(cè)量的電池組須處于離線狀態(tài)，且核對(duì)放電過程耗時(shí)長(zhǎng)，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)大，導(dǎo)致系統(tǒng)斷電風(fēng)險(xiǎn)增加。頻繁地對(duì)蓄電池進(jìn)行深放電，會(huì)加速蓄電池的老化。因此核對(duì)放電只能對(duì)蓄電池進(jìn)行定期維護(hù)，不能用于日常對(duì)蓄電池的維護(hù)。

3.3 內(nèi)阻測(cè)試法

內(nèi)阻測(cè)試法是通過測(cè)量電池內(nèi)阻反映電池的狀態(tài)的方法。因?yàn)槠涑杀据^低，所以可以作為容量測(cè)試的補(bǔ)充或替代方法。內(nèi)阻測(cè)試法雖然不能完全地判定蓄電池的狀態(tài)，但在實(shí)際應(yīng)用中可以測(cè)試出 95 % 的故障電池[2,5]。目前，內(nèi)阻檢測(cè)時(shí)采用的方法一般是直流放電法或交流注入法。采用直流放電法檢測(cè)內(nèi)阻時(shí)，通過測(cè)量負(fù)載接入的瞬間負(fù)載電流、接入的瞬間電壓下降值和斷開的瞬間電壓上升值，再由歐姆定律計(jì)算出電池的內(nèi)阻。美國(guó)的Alber 公司生產(chǎn)的 Cellcorder 蓄電池智能內(nèi)阻測(cè)試儀就是采用這種方法。因?yàn)闄z測(cè)條件為離線脫機(jī)或者靜態(tài)的情況，所以這種方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)，不適合日常維護(hù)[6]。本文中采用的 2 種手持式智能內(nèi)阻測(cè)試儀（型號(hào) FLUCK BT508，DGC3915S）都采用的交流注入法。用開爾文電橋測(cè)量電池的內(nèi)阻能避免由導(dǎo)線和接觸電阻產(chǎn)生的影響，檢測(cè)精確度高，可實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)，施加的交流電流小，無(wú)需外接負(fù)載箱放電，安全風(fēng)險(xiǎn)小[6]。

4 蓄電池內(nèi)阻檢測(cè)方案研究與探討

4.1 蓄電池內(nèi)阻測(cè)量分析

采用手持式 FLUKE BT508 智能電池內(nèi)阻測(cè)試儀對(duì)正常運(yùn)行的 110 kV 北郊變電站蓄電池組（雙登公司產(chǎn)，型號(hào) 6-GFM-200，12 V，200 Ah，2014年投運(yùn)）進(jìn)行檢測(cè)。如圖 4 所示，當(dāng)電池分別處于浮充電、均充電和放電狀態(tài)時(shí)，蓄電池的內(nèi)阻基本相同。

圖4 正常蓄電池在 3 種狀態(tài)下的內(nèi)阻

在上述 3 種狀態(tài)下蓄電池內(nèi)阻測(cè)量的基礎(chǔ)上，對(duì) 110 kV 秦灶變不同型號(hào)蓄電池（梅蘭日蘭M2AL12-100SFR，12 V，100 Ah，2017年投運(yùn)）進(jìn)行了離線測(cè)量。測(cè)試數(shù)據(jù)為：電壓 13.5 V，電阻 3.2 mΩ。由圖 4 與離線電池測(cè)量數(shù)據(jù)可得，容量狀態(tài)良好的蓄電池內(nèi)阻基本不受蓄電池運(yùn)行方式（浮充、均充、放電、離線）狀態(tài)或者充放電電流影響。

對(duì) 110 kV 五接變故障電池組（HOPPECKE SB100，12 V，100 Ah，2006年投運(yùn)）在浮充、均充、放電、離線狀態(tài)下進(jìn)行了內(nèi)阻測(cè)試，具體數(shù)據(jù)如圖 5 所示。對(duì) 2、7 號(hào)電池在浮充狀態(tài)下測(cè)得內(nèi)阻為 27 mΩ、32.66 mΩ，在用 10 A 電流放電1 h 后測(cè)得內(nèi)阻為 38.8 mΩ、66 mΩ，電壓為 12.53 V、12.4 V。對(duì) 2 號(hào)電池，采用單節(jié)電池活化儀在充滿電后測(cè)得內(nèi)阻為 21 mΩ。

圖5 故障電池在4種狀態(tài)下的內(nèi)阻

蓄電池的內(nèi)阻由歐姆電阻和極化電阻組成。失效蓄電池（第 2、7、9、10、11、14 節(jié)）的內(nèi)阻在充放電過程中是變化的，即充電過程中內(nèi)阻由大變小，反之內(nèi)阻增加。故障電池的內(nèi)阻在不同狀態(tài)時(shí)有較大差異，而狀態(tài)良好（容量充滿）的蓄電池內(nèi)阻基本不受影響?？梢缘贸觯盒铍姵氐膬?nèi)阻與電池的充放電電流和容量狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)容量在 50 %以上時(shí)，蓄電池的內(nèi)阻值基本不變；當(dāng)容量低于40 % 時(shí)，內(nèi)阻值會(huì)迅速增大[6]。容量在 80 % 左右時(shí)，蓄電池的內(nèi)阻值反而減小，如表1 所示，在放電 1.75 h 后，蓄電池內(nèi)阻反而減小了。在核對(duì)性充放電終止時(shí)，測(cè)得蓄電池 Ⅱ 和 Ⅲ 的開路電壓和內(nèi)阻如表2 所示。可以發(fā)現(xiàn)，蓄電池 Ⅱ 和 Ⅲ 的容量為 15 % 和 35 %，已經(jīng)低于 40 %。

表1 正常蓄電池放電時(shí)內(nèi)阻

表2 失效蓄電池放電時(shí)內(nèi)阻

采用 HDGC3915S 智能蓄電池內(nèi)阻測(cè)試儀（內(nèi)阻 1）和 FLUKE BT508 蓄電池內(nèi)阻測(cè)試儀（內(nèi)阻2）的測(cè)試結(jié)果如圖 6 所示。對(duì)于正常蓄電池所測(cè)得的內(nèi)阻是一致的，由于故障電池本身受狀態(tài)影響，所得數(shù)據(jù)存在一些差異，但對(duì)內(nèi)阻測(cè)試的大小趨勢(shì)一致。

李琳等人通過研究得出，采用高頻區(qū)（1～10 kHz）交流阻抗法測(cè)得的蓄電池內(nèi)阻是穩(wěn)定的，可作為蓄電池的內(nèi)阻[6]。通過圖 6 可得出，采用相同原理的內(nèi)阻測(cè)試儀所測(cè)得的蓄電池內(nèi)阻基本一致，因此可以將所測(cè)得的內(nèi)阻作為蓄電池狀態(tài)的判斷依據(jù)。

圖6 2 種測(cè)試儀測(cè)試的內(nèi)阻

4.2 蓄電池內(nèi)阻與容量之間關(guān)系

選取五接變蓄電池組（HOPPECKE SB100，12 V，100 Ah，2006年投運(yùn)）、橫河變蓄電池組（梅蘭日蘭 M2AL，12 V，150 Ah，2007年投運(yùn)）、秦灶變蓄電池組（M2B12-7-16HX，12 V，100 Ah，2009年投運(yùn)，舊電池組）測(cè)量?jī)?nèi)阻，其中五接變蓄電池組和橫河變蓄電池組是在浮充狀態(tài)下的，秦灶變蓄電池組是在離線狀態(tài)下的。由圖 7 可見：五接變蓄電池組中電池的內(nèi)阻均大于20 mΩ，表明全部電池都出現(xiàn)了異常；橫河變蓄電池組中第 2、7、16 節(jié)出現(xiàn)異常；秦灶變蓄電池組中第 5、9、15 節(jié)出現(xiàn)異常。通過 3 組數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，蓄電池的內(nèi)阻和容量有著緊密聯(lián)系，當(dāng)蓄電池內(nèi)阻明顯增大時(shí)，蓄電池容量不足。因此，當(dāng)整組電池處于浮充狀態(tài)下時(shí)，由內(nèi)阻值可以判斷蓄電池組的性能，知曉電池是否處于充滿電的狀態(tài)。浮充電狀態(tài)下內(nèi)阻過高，說明蓄電池健康狀態(tài)不佳，甚至是其壽命接近后期。

圖7 3 組蓄電池的內(nèi)阻

4.3 蓄電池內(nèi)阻測(cè)量判據(jù)

可以采用新投運(yùn)時(shí)電池的內(nèi)阻，或者采用所有電池內(nèi)阻的平均（經(jīng)驗(yàn)）值作為電池內(nèi)阻的基準(zhǔn)值。采用所有電池內(nèi)阻的平均值還可以消除溫度對(duì)內(nèi)阻的影響。

選取 110 kV 秦灶變電池（理士 DJM12100，12 V，100 Ah，2018年投運(yùn)）、110 kV 北郊變電池（雙登 6-GFM-200，12 V，200 Ah，2014年投運(yùn)）、110 kV 海晏變（理士 DJM12150，12 V，150 Ah，2017年投運(yùn)），測(cè)量在浮充電狀態(tài)下的內(nèi)阻。由圖 8 可見，秦灶變蓄電池內(nèi)阻（初始值）平均值為 3.13 mΩ，最大均差為 0.27 mΩ，變化率為 8 %，北郊變蓄電池內(nèi)阻平均值 3.13 mΩ，最大均差為 0.38 mΩ，變化率為 12 %。進(jìn)一步比較其他變電站的蓄電池內(nèi)阻數(shù)據(jù)可得出，對(duì)于同一電壓等級(jí)的蓄電池，雖然生產(chǎn)廠家和容量不同，但是在使用壽命期內(nèi)，蓄電池的浮充內(nèi)阻差別不大（＜20 %），內(nèi)阻的增大可以反映出電池容量和性能下降的程度。一般來說，電池的內(nèi)阻變化會(huì)經(jīng)歷3個(gè)階段：剛投入運(yùn)行時(shí)，內(nèi)阻相較于出廠時(shí)有所下降；經(jīng)過很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)阻保持相對(duì)穩(wěn)定；當(dāng)內(nèi)阻快速上升時(shí)，表明電池的使用壽命已進(jìn)入終結(jié)階段[7]。

圖8 秦灶變、北郊變、海晏變電池?cái)?shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

加強(qiáng)日常維護(hù)工作，能很大程度影響蓄電池的使用壽命。免維護(hù)僅指的是不用加水而已，其他的日常維護(hù)仍需按照規(guī)程規(guī)定進(jìn)行，并進(jìn)一步明確維護(hù)要求。定期跟蹤測(cè)試浮充狀態(tài)下的單節(jié)蓄電池內(nèi)阻與電壓是保證蓄電池始終處于良好狀態(tài)的可行辦法。

定期測(cè)量浮充電壓法，簡(jiǎn)單方便，但不能及時(shí)準(zhǔn)確地找出整組中落后電池。部分失效電池的浮充電壓表現(xiàn)正常，而浮充電壓異常的電池的內(nèi)在表現(xiàn)不一定差，因此可通過分析蓄電池充放電電壓比，判斷蓄電池的狀態(tài)[8]。電壓比超過 105 % 的電池應(yīng)被視為落后電池，需要盡早更換, 免得對(duì)整組電池帶來影響。

定期測(cè)量浮充狀態(tài)下的蓄電池內(nèi)阻可以判斷蓄電池狀態(tài)[9-10]。核對(duì)性充放電試驗(yàn)后，應(yīng)測(cè)試蓄電池在浮充電狀態(tài)下的內(nèi)阻，并進(jìn)行縱向分析對(duì)比。運(yùn)維班組應(yīng)配置智能內(nèi)阻測(cè)試儀，同時(shí)開展電壓與電阻的測(cè)試?？蓪y(cè)試周期放寬到每季度1次，測(cè)試過程中應(yīng)防止因兩極柱間的接觸面積不夠，接觸力度不足，螺栓墊片電阻等因素引起的內(nèi)阻數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。

對(duì)投運(yùn) 6 a 以內(nèi)的蓄電池，可以用 3～5 mΩ作為蓄電池內(nèi)阻的基準(zhǔn)值（或者參考出廠初始值不大于 10 %）。當(dāng)蓄電池內(nèi)阻超過基準(zhǔn)值 20 % 應(yīng)告警，進(jìn)行核對(duì)性充放電容量試驗(yàn)，若超過基準(zhǔn)值 50 % 則應(yīng)認(rèn)為蓄電池已失效。對(duì)內(nèi)阻正常的蓄電池，可以減少核對(duì)性充放電試驗(yàn)，減少維護(hù)工作量，延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。