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  行業資訊  
 

變電站蓄電池開路檢測方法及預防措施


  深圳供電局有限公司的研究人員李錦強,在2019年第6期《電氣技術》雜志上撰文指出,變電站用閥控式蓄電池在使用過程中存在開路隱患,而基于當前的運維模式難以檢出。正所謂安全無小事,本文將著重分析變電站蓄電池內部開路的主要原因,并針對電池的開路原因提出相應的檢測方法,為變電站運維人員日常預防蓄電池開路提出建議。

  變電站蓄電池作為直流系統的最后一道防線,在交流電出現故障狀態下,能夠可靠地為站內重要的設備提供電源。保證安全裝置正確操作,是保障電網安全運行的重要條件。目前大部分變電站使用的是閥控式鉛酸蓄電池,使用幾年后,會出現容量下降、內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,一般是由幾十個甚至上百個電池單體串聯后組成相應電壓等級,這就意味著任何一個單體異常,均會導致整個蓄電池組性能急劇下降。特別是當單體開路時,會導致整個蓄電池組失效,最終會導致嚴重的變電站事故。

  由于電池本身的設計、生產及使用維護等原因,電池失效報廢的情況時有發生,然而由于閥控式鉛酸蓄電池內部處于密封環境,無法定期對電池的內部狀況進行檢視,使得閥控式鉛酸蓄電池存在更大的隱性開路風險。國內多起變電站事故,都與直流系統有關,而蓄電池就是直流系統中的薄弱環節。

  2013年3月南方電網某電網公司220kV變電站交流停電,出現蓄電池組無法提供直流電源的故障,造成事故擴大,后對故障電池解剖,發現內部有斷裂開路的現象。2015年1月某35kV變電站在一次常規的定期切換試驗中,發生蓄電池開路故障,引起全所直流母線失壓,全部保護退出運行。

  2015年9月國家電網某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現內部負匯流排與負極柱處斷裂明顯,腐蝕嚴重。

  變電站直流系統蓄電池長期處于浮充運行的工況,電壓巡檢儀上報出的電壓過高信息可能是由電池過充造成的,難以從電壓在線監測上發現開路電池。電池離線檢測能夠通過開路電壓、內阻等初步判斷電池是否開路,但是變電站電池離線檢測是周期性地進行,最多一個季度檢查一次。兩次檢測之間的間隔比較長,電池在此期間出現電池開路的風險比較。

  1 電池開路的主要原因及檢測方法

  1.1 連接條開路及其檢測方法

  電池在使用過程中出現部分連接點腐蝕氧化等現象,就會造成開路。例如,在安裝時沒有擰緊連接條的螺絲,時間久了就會燒壞連接條,造成開路;蓄電池所處的環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行檢查維護,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,若變電站維護人員定期對蓄電池組進行目視檢測,則比較容易發現。

  1.2 電池開路主要原因及檢測方法

  正常2V 300AH電池單體內阻一般在0.5m 左右,在放電過程中因電池內阻產生的反向端電壓很小,內阻越大,反向端電壓越大。正向端壓降逐漸增大,當單節電池的內阻增加到一定值時,電池的正向端電壓幾乎為0。若內阻的進一步增大,則會產生反向電壓,從而影響蓄電池組的對外放電。

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

  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,會使氧復合反應效率降低,內部壓力增大,氣體排出導致水分損失。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。

  當電池內部缺水時,會降低參與電化學反應的離子活度,導致電池內阻加快上升。而電池組在充電電流、溫度以及失水等多重作用下會發生累積性的增強作用,最終導致熱失控,使電池發生不可逆的損傷。

  2)負極板硫酸鹽化

  如果蓄電池組長期處于欠充狀態或者在半放電狀態下長期儲存,就會致使負極板上的活性物質硫酸鉛再結晶而形成堅硬而粗大的硫酸鉛。如果硫酸鉛短時間內不能在電池內部發生化學反應,就會使硫酸鉛失去活性,以后將不能再參與化學反應。粗大的硫酸鉛結晶附著在活性物質的微孔上,阻止硫酸溶液深入與電流傳輸,使蓄電池內阻變大,導致蓄電池充放電性能嚴重惡化。

  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。運行過程中電池失水或環境溫度過高會進一步提高電池內部的電解液比重,加快電池正極板腐蝕的速度,使極板活性物質相對腐蝕前變少了,最終導致電池容量變低。

  4)負極匯流排斷裂

  由于負極發生氧復合反應,負極匯流排處呈堿性環境,使得金屬鉛不斷被腐蝕而形成硫酸鉛,當正極板柵受到腐蝕時,正極上的析氧反應加劇,使負極氧復合反應增大,加劇了負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,加劇氧復合反應,同時也增加電池熱失控的風險。

  由上述分析可以發現,電池失效的原因往往都不是獨立存在的,而是相輔相成,并最終都會導致電池內阻增大,容量下降。通常對于電池內阻逐漸增大的電池,可以通過日常的電壓、內阻、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%,也還能夠支撐負載用電。

  但是,正極板柵腐蝕導致的板柵斷裂隱患以及負極匯流排腐蝕導致匯流排斷裂的情況具有一定的突發性,在正常的電壓、內阻、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,徹底失去應有的功能。

  在蓄電池放電的瞬間,電池內阻的影響會產生電壓跌落,包括充滿電解液的隔膜電阻、板柵的歐姆電阻、活性物質電阻,以及固-固、固-液接觸面和電解質電阻。當蓄電池的內部性能發生變化時,其內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1所示。

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

  

圖1 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:當板柵與匯流排之間出現焊接問題或者腐蝕時,對于柵板與匯流排部分斷開的蓄電池,其他柵板需承擔更大的電流,熔融加速,引起惡性循環,最終導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,就應該考慮大電流放電對電池損害的問題了。通常認為將放電電流選在0.3~0.5C以內,可以比較好地獲得內阻測試精度,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

  根據上述檢測方法,對雙登GFM-400型號蓄電池進行開路測試,選取1個電池樣本,以120A的電流進行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2所示。

  

圖2 電池在大電流放電下電壓的變化曲線

  從圖2樣本電池電壓跌落的曲線可以看出,經過大電流放電后,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低于標稱容量的10%,內部已出現開路故障。對其進行解剖分析驗證,發現其內部極柵已經出現粉末化。

  2 蓄電池開路預防措施的建議

  從上述分析可以看出,排除質量原因,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有的檢測機制下及時被發現。

  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行在線錄波,一方面通過放電數據能夠計算電池內阻,對電池進行性能判斷;另一方面可以對電池的負載能力特征進行檢查。篩查隱性開路電池,建議在線放電電流不小于本地負載電流的最大值。

  2)摒棄傳統的閥控式鉛酸電池“密封”、“免維護”的概念,在蓄電池運行過程中出現容量下降的趨勢時,考慮采用添加修復液進行充放電活化修復等手段,使蓄電池容量得到恢復,電池內阻恢復至出廠水平,緩解電池內部正極板柵腐蝕、電解液干涸、負極匯流排腐蝕等速度。

  3)嚴格執行定期對蓄電池組的核對性年度容量測試,并全程監測電池組及各電池單體充放電過程的電壓數據,并通過數據庫進行建檔存儲。通過橫向對比整組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一步測試,以及縱向對比單個電池時間軸上的電壓變化趨勢,對電池性能變化趨勢進行預判。

  綜上所述,變電站直流系統用閥控式鉛酸蓄電池的“免維護”只是針對開口式電池無需定期加水進行維護而言的,我們在使用的同時一定要重視它的安全隱患。蓄電池的開路檢測是蓄電池維護相關人員的一項持續的、重要的工作,在直流系統交流停電時,才能真正發揮其應急供電的作用,一旦開路或失效,就會帶來不可挽回的損失。

 
 

 

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