發(fā)電廠直流系統(tǒng)蓄電池組燃燒隱患的技術(shù)分析

蘇曉亮

（廣州華潤(rùn)熱電有限公司，廣東廣州511400）

0 引言

直流系統(tǒng)作為發(fā)電廠廠用電中最重要的一部分，保證了在任何事故情況下都能可靠且不間斷地向開(kāi)關(guān)電器的遠(yuǎn)距離操作、信號(hào)設(shè)備、繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置及其他一些重要的直流負(fù)荷供電。

直流系統(tǒng)的構(gòu)成包括蓄電池組[1]、充電機(jī)、監(jiān)控系統(tǒng)、電池巡檢裝置、絕緣監(jiān)測(cè)裝置等。其中蓄電池組作為一種獨(dú)立可靠的電源，在發(fā)電廠內(nèi)發(fā)生任何事故，甚至在全廠交流電源都停電的情況下，仍能保證直流系統(tǒng)中的用電設(shè)備可靠而連續(xù)地工作，因此，在大容量機(jī)組的電廠中常設(shè)有多個(gè)彼此獨(dú)立的直流系統(tǒng)。

在火力發(fā)電廠中，直流系統(tǒng)直接影響著設(shè)備動(dòng)力及控制電源電壓穩(wěn)定性，影響著機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行；而作為直流系統(tǒng)中最重要的組成部分，蓄電池組的安全性則尤為重要。國(guó)內(nèi)外常出現(xiàn)因各類原因?qū)е碌男铍姵亟M發(fā)熱、燃燒甚至爆炸事故。如2020年5月，南方某電廠正進(jìn)行#2蓄電池組全容量核容工作[2]，工作開(kāi)始后約4 h，#2蓄電池組起火爆炸，并引起同處一室的#1蓄電池組高溫受熱鼓肚變形。

1 試驗(yàn)分析

為進(jìn)一步研究分析蓄電池組燃燒隱患的技術(shù)原因，及時(shí)采取措施加以防范，分別購(gòu)買同品牌廠家同容量產(chǎn)品進(jìn)行模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)情況如下：

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

（1）分析蓄電池在夾接不銹鋼螺栓進(jìn)行核容放電時(shí)，由于接觸電阻不同，造成夾接點(diǎn)溫度變化的規(guī)律；

（2）分析蓄電池進(jìn)行核容放電時(shí)，由于各電池間連接松動(dòng)，導(dǎo)致接觸電阻不同，造成夾接點(diǎn)溫度變化的規(guī)律；

（3）分析落后單節(jié)電池在放電過(guò)程中，內(nèi)阻增大、電壓變?yōu)樨?fù)值時(shí)，蓄電池溫度變化的規(guī)律。

1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

試驗(yàn)環(huán)境溫度27 ℃，采用7節(jié)2 V蓄電池串聯(lián)組成蓄電池組。

1.2.1 模擬夾接造成接觸電阻變大對(duì)電池的影響

測(cè)試夾接電池極柱不銹鋼螺絲在松緊狀態(tài)下所造成的接觸電阻。

（1）試驗(yàn)方法：在一個(gè)新電池上擰緊螺絲后再擰松，用放電夾子夾在螺栓頭上，然后用內(nèi)阻測(cè)試儀分別測(cè)量電池極柱與螺栓、螺栓與放電夾子之間的接觸電阻。

（2）試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

（3）試驗(yàn)結(jié)論：螺絲越松，接觸電阻可能越大；夾接時(shí)由于螺栓緊固難于控制，造成接觸電阻值不確定。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)1

1.2.2 模擬不同的接觸電阻導(dǎo)致的發(fā)熱情況

（1）試驗(yàn)方法：在夾子和正極極柱之間設(shè)置一可變但可控的有固定阻值的分流器，模擬夾子和極柱之間的接觸電阻；放電電流60 A，紅外熱像儀測(cè)量正負(fù)極柱、夾子以及分流器的溫度。

（2）試驗(yàn)數(shù)據(jù)：

1）負(fù)極極柱與夾子連接，接觸電阻0.60 mΩ；正極夾子通過(guò)1.00 mΩ分流器連接到正極極柱螺栓；夾子和正極極柱之間的接觸電阻1.60 mΩ。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)2

2）負(fù)極極柱與夾子連接，接觸電阻0.60 mΩ；正極夾子通過(guò)15 mΩ分流器連接到正極極柱螺栓（電池放電30 min后變?yōu)槁浜蠓礃O電池）；夾子和正極極柱之間的接觸電阻15.60 mΩ。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)3

（3）試驗(yàn)結(jié)論：

1）存在較大接觸電阻的情況下，放電試驗(yàn)開(kāi)始10 min內(nèi)溫度上升明顯。

2）接觸電阻較大，發(fā)熱量也大，接觸不良會(huì)導(dǎo)致接觸點(diǎn)紅熱。

1.2.3 模擬夾接松動(dòng)螺絲進(jìn)行核容放電時(shí)的溫度變化情況

（1）試驗(yàn)方法：總正極所在螺絲用手?jǐn)Q緊后反松一圈，總負(fù)極所在螺絲用手?jǐn)Q緊后反松兩圈，然后用50 A電流放電，用紅外熱像儀監(jiān)測(cè)落后電池溫度。

（2）試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

1.2.4 電池間連接螺栓松動(dòng)試驗(yàn)

研究螺栓松動(dòng)造成接觸電阻增大，試驗(yàn)松動(dòng)造成連續(xù)紅熱，溫度達(dá)到360 ℃以上時(shí)，對(duì)電池整體各部位的影響。

試驗(yàn)一：放電電流60 A，調(diào)整1、2號(hào)電池間的連接片和螺栓，將螺栓和極柱松動(dòng)至打火，螺栓與極柱間的接觸電阻20 mΩ，螺栓溫度360 ℃以上，螺栓整體發(fā)紅，持續(xù)2.5 h。

試驗(yàn)現(xiàn)象：極柱附近的ABS殼體燒裂，但電池殼體下部溫度仍為30 ℃左右，說(shuō)明電解液溫度不高。

試驗(yàn)二：維持原電阻不變，加大放電電流至180 A，螺栓溫度360 ℃以上，螺栓整體發(fā)紅，持續(xù)1.5 h。

試驗(yàn)現(xiàn)象：同以上試驗(yàn)比較，密封環(huán)氧材料冒煙，極柱附近的ABS殼體燒裂，電池殼體上部溫度已達(dá)到100 ℃，但電池殼體下部溫度仍為30 ℃左右，說(shuō)明電解液溫度不高。

試驗(yàn)結(jié)論：螺栓松動(dòng)導(dǎo)致連接接觸電阻增大，會(huì)造成螺栓及連接條紅熱；電流越大，在同樣電阻下，熱效應(yīng)越明顯。

1.2.5 研究單節(jié)落后電池在串接放電試驗(yàn)時(shí)可能出現(xiàn)的異常

（1）研究將內(nèi)阻較大的落后電池串接到新電池上，放電時(shí)出現(xiàn)的溫升現(xiàn)象。

試驗(yàn)方法：串接7節(jié)電池，放電電流（I）60 A，研究7號(hào)舊電池內(nèi)阻、負(fù)壓及特性（U=E+IR）。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。

表4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)4

表5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)5

試驗(yàn)結(jié)論：正常電池溫度為28～30 ℃，內(nèi)阻在漸漸變大；而落后電池電壓在放電過(guò)程中端電壓變?yōu)樨?fù)值，放電過(guò)程變?yōu)榉礃O充電過(guò)程，內(nèi)阻逐漸下降，反向電動(dòng)勢(shì)逐漸上升，電池溫度逐漸上升。

（2）研究正常蓄電池及落后蓄電池放電時(shí)的發(fā)熱情況。

試驗(yàn)方法：放電電流50 A，用紅外熱像儀監(jiān)測(cè)電池溫度。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 試驗(yàn)數(shù)據(jù)6

試驗(yàn)結(jié)論：放電過(guò)程中，落后電池的溫度明顯高于正常電池，這在熱像儀中可明顯看出?？梢酝ㄟ^(guò)溫度查找落后電池。

（3）研究落后蓄電池放電的同時(shí)，模擬接觸電阻較大，造成極柱溫度較高時(shí)，氣體及電解液溢出的情況。

試驗(yàn)方法：串接7節(jié)電池，在7號(hào)電池正極及夾子端串接15 mΩ分流器，放電電流（I）60 A，研究7號(hào)電池發(fā)熱及氣體、電解液溢出情況。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表7所示。

試驗(yàn)現(xiàn)象：落后蓄電池在反極性充電過(guò)程中出現(xiàn)了蓄電池電解液通過(guò)安全閥外溢現(xiàn)象。

表7 試驗(yàn)數(shù)據(jù)7

試驗(yàn)結(jié)果：在較高溫度（極柱溫度60 ℃時(shí)）下，反極充電時(shí)，落后電池會(huì)通過(guò)安全閥溢出氣體及液體。

2 試驗(yàn)總結(jié)

（1）不良的夾接及連接條、螺栓松動(dòng)都會(huì)加大接觸電阻，當(dāng)接觸電阻大到一定程度（約7 mΩ），就會(huì)產(chǎn)生紅熱現(xiàn)象，造成蓄電池變形。但單純靠接觸電阻的發(fā)熱，很難導(dǎo)致電池燃燒，只有在環(huán)境溫度較高或工作電流較大的特定助燃條件下，才可能引起蓄電池組燃燒。

（2）落后電池在放電過(guò)程中有明顯的溫升，尤其是過(guò)放電造成反極充電的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一定的氣體壓力，使電解液外溢，在工作電流較大及環(huán)境溫度較高的特定環(huán)境下，可能引起蓄電池組短路，從而引發(fā)火災(zāi)。

（3）蓄電池內(nèi)部短路是蓄電池組燃燒的常見(jiàn)原因，由于技術(shù)原因，本次試驗(yàn)未模擬蓄電池內(nèi)部短路。

3 蓄電池組的維護(hù)建議

（1）由于夾接電阻的不確定性，不能采用不良夾接方式進(jìn)行蓄電池組核容放電。

（2）在蓄電池組核容放電前，應(yīng)確定連接條緊固。在放電的前10 min，要頻繁認(rèn)真檢查各接頭點(diǎn)的溫度。

（3）在蓄電池組核容放電過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)蓄電池溫度與單體電壓的監(jiān)測(cè)，及早發(fā)現(xiàn)落后單節(jié)電池，低于額定電壓的要退出放電。

（4）在日常維護(hù)中，要加強(qiáng)對(duì)蓄電池內(nèi)阻及接觸電阻的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)內(nèi)阻較大的蓄電池及接觸電阻較大時(shí)應(yīng)及時(shí)處理。

（5）在日常維護(hù)中，要加強(qiáng)對(duì)落后單節(jié)蓄電池的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)低于規(guī)定電壓值的蓄電池應(yīng)及時(shí)處理。