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變電站蓄電池作為直流系統(tǒng)的最后一道防線，在交流電故障狀態(tài)下，能夠可靠地為站內(nèi)重要的一二次設(shè)備提供電源。保證安全裝置正確動作，是保障電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要條件。目前大部分變電站使用的是閥控式鉛酸蓄電池，在經(jīng)過5～8年的使用后，會出現(xiàn)容量下降、內(nèi)阻增大并最終失效的情況。

變電站使用的操作電源電壓等級高，往往是由幾十個甚至上百個電池單體串聯(lián)后組成相應(yīng)電壓等級，也意味著任何一個單體異常，均會導(dǎo)致整個蓄電池組性能急劇下降。特別是當(dāng)單體開路時，會導(dǎo)致整個蓄電池組失效，最終導(dǎo)致嚴(yán)重的變電站事故。

由于電池本身的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及使用維護(hù)等原因，電池失效報(bào)廢的情況時有發(fā)生，然而由于閥控式鉛酸蓄電池內(nèi)部處于密封環(huán)境，無法定期對電池的內(nèi)部狀況進(jìn)行檢視，使得閥控式鉛酸蓄電池存在更大的隱性開路風(fēng)險。國內(nèi)多起變電站事故，都與直流系統(tǒng)有關(guān)，而蓄電池就是直流系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。

2013年3月南方電網(wǎng)某電網(wǎng)公司220kV變電站交流停電，出現(xiàn)蓄電池組無法提供直流電源的故障，造成事故擴(kuò)大，后對故障電池解剖，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有斷裂開路的現(xiàn)象。2015年1月某35kV變電站在一次常規(guī)的定期切換試驗(yàn)中，發(fā)生蓄電池開路故障，引起全所直流母線失壓，全部保護(hù)退出運(yùn)行。

2015年9月國家電網(wǎng)某220kV變電站因大雨造成交流停電，因蓄電池組容量不足，在處理故障的過程中，使直流母線失壓，對故障電池解剖后發(fā)現(xiàn)內(nèi)部負(fù)匯流排與負(fù)極柱處斷裂明顯，腐蝕嚴(yán)重，如圖1所示。

圖1  電池解剖圖

變電站直流系統(tǒng)蓄電池長期處于浮充運(yùn)行的工況，電壓巡檢儀上報(bào)出的電壓過高信息可能是由電池過充造成的，難以從電壓在線監(jiān)測上發(fā)現(xiàn)開路電池。電池離線檢測能夠通過開路電壓、內(nèi)阻等初步判斷電池是否開路，但是變電站電池離線檢測只能周期性地進(jìn)行，最多一個季度檢查一次。兩次檢測之間的間隔時間越長，電池在此期間出現(xiàn)電池開路的風(fēng)險越大。

本文分析了變電站蓄電池內(nèi)部開路的主要原因，并提出了目前針對電池開路檢測的主要方法及預(yù)防措施，為變電站蓄電池開路的預(yù)防提出建議。

1  電池開路的主要原因及檢測方法

1.1  接條開路及其檢測方法

如果電池在使用過程中出現(xiàn)部分連接點(diǎn)出現(xiàn)腐蝕氧化等現(xiàn)象，就會造成開路。例如，在安裝時沒有擰緊連接條的螺絲，使得連接條電阻增大，時間久了就會燒壞連接條，造成開路；蓄電池所處的環(huán)境造成蓄電池連接條被腐蝕，時間一長便會造成開路；長時間未對蓄電池進(jìn)行檢查維護(hù)，連接條老化斷開也會使蓄電池開路。連接條開路之前一般會有一個漸變的過程，若變電站維護(hù)人員定期對蓄電池組進(jìn)行目視檢測、衛(wèi)生打掃等作業(yè)，則比較容易發(fā)現(xiàn)。

1.2  電池開路原因及檢測方法

正常2V 300AH電池單體內(nèi)阻一般在0.5m  左右，在放電過程中因電池內(nèi)阻產(chǎn)生的反向端電壓很小，內(nèi)阻越大，反向端電壓越大。正向端壓降逐漸增大，當(dāng)單節(jié)電池的內(nèi)阻增加到一定值時，電池的正向端電壓幾乎為0。若內(nèi)阻的進(jìn)一步增大，則會產(chǎn)生反向電壓，從而影響蓄電池組的對外放電，導(dǎo)致電池組無法提供滿足負(fù)載供電的電壓，造成無可挽回的損失。

閥控式鉛酸蓄電池一旦開路失效，電池往往就會出現(xiàn)正極板柵腐蝕、失水、熱失控、負(fù)極板匯流排腐蝕、硫酸鹽化等故障，這些故障均會導(dǎo)致蓄電池的內(nèi)阻變大。

1）蓄電池失水及熱失控

失水是閥控鉛酸電池特有的故障，在使用過程中，浮充電壓過高，充電電流過大，會使氧復(fù)合反應(yīng)效率降低，內(nèi)部壓力增大，氣體排出導(dǎo)致水分損失。此外，電池室溫偏高、排氣閥開起壓力過低和外部氣壓低等，也會加快電池失水速度。

當(dāng)電池內(nèi)部缺水時，會降低參與電化學(xué)反應(yīng)的離子活度，導(dǎo)致電池內(nèi)阻加快上升。而電池組在充電電流、溫度以及失水等多重作用下會發(fā)生累積性的增強(qiáng)作用，最終導(dǎo)致熱失控，使電池發(fā)生不可逆的損傷。

2）負(fù)極板硫酸鹽化

如果蓄電池組長期處于欠充狀態(tài)或者在半放電狀態(tài)下長期儲存，就會致使負(fù)極板上的活性物質(zhì)硫酸鉛再結(jié)晶而形成堅(jiān)硬而粗大的硫酸鉛。如果硫酸鉛短時間內(nèi)不能在電池內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，就會使硫酸鉛失去活性，以后將不能再參與化學(xué)反應(yīng)。粗大的硫酸鉛結(jié)晶附著在活性物質(zhì)的微孔上，阻止硫酸溶液深入與電流傳輸，使蓄電池內(nèi)阻變大，導(dǎo)致蓄電池充放電性能嚴(yán)重惡化。

3）正極板柵腐蝕

在浮充過程中，由于氧氣的再化合作用，使得整機(jī)板柵的電位比流動電解液電池中的電位高，正極板柵處于較高的酸性環(huán)境中，容易使正極板柵受到腐蝕，正極板柵腐蝕是限定電池壽命的重要因素之一。運(yùn)行過程中電池失水或環(huán)境溫度過高會進(jìn)一步提高電池內(nèi)部的電解液比重，加快電池正極板腐蝕的速度，使極板活性物質(zhì)相對腐蝕前變少了，最終導(dǎo)致電池容量變低。

4）負(fù)極匯流排斷裂

由于負(fù)極發(fā)生氧復(fù)合反應(yīng)，負(fù)極匯流排處呈堿性環(huán)境，使得金屬鉛不斷被腐蝕而形成硫酸鉛，當(dāng)正極板柵受到腐蝕時，正極上的析氧反應(yīng)加劇，使負(fù)極氧復(fù)合反應(yīng)增大，加劇了負(fù)極匯流排的腐蝕速度，而電解液的失水增加了氧氣的傳遞通道，加劇氧復(fù)合反應(yīng)，同時也增加電池?zé)崾Э氐娘L(fēng)險。

由上述分析可以發(fā)現(xiàn)，電池失效的原因往往都不是獨(dú)立存在的，而是相輔相成，并最終都會導(dǎo)致電池內(nèi)阻增大，容量下降。通常對于電池內(nèi)阻逐漸增大的電池，可以通過日常的電壓、內(nèi)阻、核容等檢測方式檢出。變電站目前蓄電池配置都會有足夠的冗余，即使容量下降至80%，也還能夠支撐負(fù)載用電。

但是，正極板柵腐蝕導(dǎo)致的板柵斷裂隱患以及負(fù)極匯流排腐蝕導(dǎo)致匯流排斷裂的情況具有一定的突發(fā)性，在正常的電壓、內(nèi)阻、0.1C核容放電的條件下，其電性能值基本能保持正常，一旦交流失電、變電站前期需要較大電流供電時，已嚴(yán)重腐蝕的匯流排就會被燒斷，引起蓄電池組開路，徹底失去應(yīng)有的功能。

在蓄電池放電的瞬間，電池內(nèi)阻的影響會產(chǎn)生電壓跌落，包括充滿電解液的隔膜電阻、板柵的歐姆電阻、活性物質(zhì)電阻，以及固-固、固-液接觸面和電解質(zhì)電阻。當(dāng)蓄電池的內(nèi)部性能發(fā)生變化時，其內(nèi)阻的變化可以通過電壓跌落的特征曲線來表征，放電電流越大，電壓偏差值也越大，其特征曲線也會更加明顯，如圖2所示。

經(jīng)過6ms的瞬間大電流放電后，容量為標(biāo)稱容量100%的電池，電壓下降的幅度不大；容量為標(biāo)稱容量80%的電池，其電壓最低下降至1.9V；容量為標(biāo)稱容量10%的電池，其電壓下降至1.8V。

圖2  大電流短時放電的曲線特征

大電流短時間放電對板柵與匯流排熔融斷開的檢測原理：當(dāng)板柵與匯流排之間出現(xiàn)焊接問題或者腐蝕時，對于柵板與匯流排部分?jǐn)嚅_的蓄電池，其他柵板需承擔(dān)更大的電流，熔融加速，引起惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致柵板與匯流排的完全斷開。

但在放電電流超過一定的范圍后，就應(yīng)該考慮大電流放電對電池?fù)p害的問題了。通常認(rèn)為將放電電流選在0.3～0.5C以內(nèi)，可以比較好地獲得內(nèi)阻測試精度，同時又不會對電池造成損傷，因此大電流短時放電的放電范圍可選擇0.3～0.5C。

1.3  電池開路檢測及分析

根據(jù)上述檢測方法，對雙登GFM-400型號蓄電池進(jìn)行開路測試，選取1個電池樣本，以120A的電流進(jìn)行10ms的放電，并同時采集樣本電池電壓隨時間變化的曲線，如圖3所示。

圖3  樣本電池在大電流放電下電壓的變化曲線

從圖3樣本電池電壓跌落的曲線可以看出，經(jīng)過大電流放電后，電壓偏差較大，樣本電池電壓下降至1.5V以下，由此判斷，該樣本電池的容量已經(jīng)低于標(biāo)稱容量的10%，內(nèi)部已出現(xiàn)開路故障。對其進(jìn)行解剖分析驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部極柵已經(jīng)出現(xiàn)粉末化，如圖4所示。

圖4  樣本電池解剖圖

2  蓄電池開路預(yù)防措施的建議

從上述分析可以看出，排除質(zhì)量原因，一般的電池開路都是一個長期作用的過程，只是有些電池開路不容易在現(xiàn)有的檢測機(jī)制下及時被發(fā)現(xiàn)。隨著變電站無人值守的發(fā)展趨勢，對電池開路的預(yù)防提出更高的要求。

1）定期對蓄電池用大電流短時放電，并對各電池單體電壓進(jìn)行在線錄波，一方面通過放電數(shù)據(jù)能夠計(jì)算電池內(nèi)阻，對電池進(jìn)行性能判斷；另一方面可以對電池的負(fù)載能力特征進(jìn)行檢查。篩查隱性開路電池，建議在線放電電流不小于本地負(fù)載電流的最大值。

2）擯棄傳統(tǒng)的閥控式鉛酸電池“密封”、“免維護(hù)”的概念，在蓄電池運(yùn)行過程中出現(xiàn)容量下降的趨勢時，考慮采用添加修復(fù)液進(jìn)行充放電活化修復(fù)等手段，使蓄電池容量得到恢復(fù)，電池內(nèi)阻恢復(fù)至出廠水平，緩解電池內(nèi)部正極板柵腐蝕、電解液干涸、負(fù)極匯流排腐蝕等速度。

3）嚴(yán)格執(zhí)行定期對蓄電池組的核對性年度容量測試，并全程監(jiān)測電池組及各電池單體充放電過程的電壓數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行建檔存儲。通過橫向?qū)Ρ日M電池各電池單體電壓的曲線篩選電池組中的異常電池的進(jìn)一步測試，以及縱向?qū)Ρ葐蝹€電池時間軸上的電壓變化趨勢，對電池性能變化趨勢進(jìn)行預(yù)判。