如何全面解決電力系統(tǒng)蓄電池維護(hù)問題

如何全面解決電力系統(tǒng)蓄電池維護(hù)問題

一、　蓄電池在電力系統(tǒng)的作用及存在的問題

　　蓄電池是電力電源系統(tǒng)中直流供電系統(tǒng)的重要組成部分，它作為直流供電電源，主要擔(dān)負(fù)著為電力系統(tǒng)中二次系統(tǒng)負(fù)載提供安全、穩(wěn)定、可靠的電力保障，確保繼電保護(hù)、通信設(shè)備的正常運(yùn)行。因此，蓄電池的穩(wěn)定性和在放電過程中能提供給負(fù)載的實(shí)際容量對(duì)確保電力設(shè)備的安全運(yùn)行具有十分重要的意義。

　　然而蓄電池經(jīng)過一定時(shí)間的使用后，常易因活性物質(zhì)脫落、板柵腐蝕或極板變形、硫化等因素，而使容量逐漸降低直至失效。所以，找出落后電池，并將其予以處理，以便消除隱患，就是廣大蓄電池維護(hù)人員的工作。過去幾十年來我們一直使用防酸隔爆式鉛酸蓄電池，積累了一定經(jīng)驗(yàn)。但由于此種電池維護(hù)方法繁瑣，目前已被具有免加水、安裝靈活、占地面積小且不形成酸霧的閥控式密封鉛酸蓄電池（VRLA）所取代。
　　 近年來由于閥控式密封鉛酸蓄電池被廣泛使用，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)VRLA的廠家越來越多，生產(chǎn)規(guī)模與技術(shù)水平參差不齊，問題不少，90年代初國(guó)內(nèi)使用的VRLA電池出現(xiàn)了很多以前未遇到的新問題，但由于其是新技術(shù)，有些故障原因尚未被完全掌握，只有在維護(hù)上建立起有效的管理方法，才可避免造成重大隱患。

　　用了五年的電池，是否一定不能用？用了半年的電池是否一定能用？蓄電池供應(yīng)商提供的電池是否一定是好的？電池和電池組為什么要進(jìn)行定期檢測(cè)和在線監(jiān)測(cè)

　　十幾節(jié)甚至幾十節(jié)串聯(lián)的電池，只要一節(jié)過早損壞，如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)，則時(shí)間一長(zhǎng)，其他電池跟著報(bào)廢。
　　閥控式鉛酸蓄電池（VRLA）從一開始便被稱為免維護(hù)電池，而生產(chǎn)廠家又承諾該電池的使用壽命為10 ~ 20年（最少為8年），這樣就給國(guó)內(nèi)的技術(shù)和維護(hù)人員一種誤解，似乎這種電池既耐用又完全不需要維護(hù)，許多用戶從裝上電池后就基本沒有進(jìn)行過維護(hù)和管理，因而在90年代初國(guó)內(nèi)使用的VRLA電池出現(xiàn)了很多以前未遇到的新問題，例如，電池殼變形、電解液滲漏、容量不足、電池端電壓不均勻等。這些現(xiàn)象不單在國(guó)內(nèi)，就是在比我國(guó)早采用VRLA電池的國(guó)外也同樣存在。在VRLA電池中由于電解液比重更大而且浮充電流更大，因而電極腐蝕更為迅速。電極腐蝕也會(huì)消耗氧氣從而使電池變干，這是VRLA電池特有的故障。VRLA電池過度的氣體逸出、焊接柱或蓋板裂縫、密封不嚴(yán)，最后通過容器壁和塑料容器滲出水、氫和氧，這些都會(huì)引起電解液滲漏。VRLA電池的故障有些是氣體調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)故障引起的，閥打開會(huì)導(dǎo)致干涸，也會(huì)使空氣進(jìn)入電池，陰極板自我放電，閥阻塞會(huì)使蓋鼓出和爆炸。VRLA電池的冷卻比開口式電池更為重要，如果不充分的話，熱失控可能會(huì)引起電池熔毀或爆炸。VRLA電池內(nèi)部接線柱、同極的連接片以及電極接頭的腐蝕而斷裂的現(xiàn)象也比開口式電池更常發(fā)生。這些故障都導(dǎo)致容量損失。這使使用單位不易掌握VRLA電池的耐久性和失效問題。實(shí)踐證明，VRLA電池端電壓與放電能力無相關(guān)性，VRLA電池和電池組在運(yùn)行過程中，隨著使用時(shí)間的增加必然會(huì)有個(gè)別或部分電池因內(nèi)阻變大，呈退行性老化現(xiàn)象，實(shí)踐證明，整組電池的容量是以狀況最差的那一塊電池的容量值為準(zhǔn)，而不是以平均值或額定值（初始值）為準(zhǔn)，當(dāng)電池的實(shí)際容量下降到其本身額定容量的90% 以下時(shí)，電池便進(jìn)入衰退期，當(dāng)電池容量下降到原來的80%以下時(shí)，電池便進(jìn)入急劇的衰退狀況，衰退期很短，這時(shí)電池組已存在極大的事故隱患。使用單位和管理單位，往往只重視備用電源的設(shè)備部分的維護(hù)和管理，而忽視電池組的重大作用，殊不知斷電的危險(xiǎn)很大程度上就潛伏在電池組。整組電池充電的特性是，如電池組內(nèi)有一個(gè)或幾個(gè)內(nèi)阻變大的老化電池，其容量必然變小，充電器給電池組充電時(shí)，老化電池因容量小，將很快充滿。充電器會(huì)誤以為整組電池已充滿而轉(zhuǎn)為浮充狀態(tài)，以恒定電壓和小電流給電池組充電。其余狀態(tài)良好的電池不可能充滿。電池組將以老化電池的容量為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行充放電，經(jīng)多次浮充--放電--均充--放電--浮充的惡性循環(huán)，容量不斷下降，電池后備時(shí)間縮短。結(jié)論：如不定時(shí)檢測(cè)，找出老化電池給予調(diào)整，電池組的容量將變小，電池壽命縮短，影響系統(tǒng)的高效安全運(yùn)行。

　　實(shí)踐證明，電池和電池組的定期檢測(cè)和在線監(jiān)測(cè)是非常重要和必須的，是備用電源系統(tǒng)中非常重要而又往往被人們忽視的重要環(huán)節(jié)。

二、　蓄電池維護(hù)各種方法回顧

1、測(cè)量浮充電壓法

　　 浮充電壓的設(shè)置對(duì)電池的壽命具有相當(dāng)重要的影響。在理論上要求浮充電壓產(chǎn)生的電流量是以補(bǔ)償電池的自放電。浮充電壓過高會(huì)引起電池正極腐蝕和失水，使電池容量下降，而浮充電壓過低，也會(huì)使電池充電不足，引起電池落后，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)電極硫酸鹽化。浮充電壓的選擇可以根據(jù)廠家說明書的要求而設(shè)定。
　　 雖然測(cè)量浮充電壓并及時(shí)作出調(diào)整是蓄電池日常維護(hù)的一項(xiàng)重要工作，但是測(cè)量浮充電壓并不能找出落后單體電池。如圖一所示，用萬用表測(cè)出該組電池各單體的浮充電壓相當(dāng)平均，但放電一會(huì)兒，其中一個(gè)電池的端電壓迅速降至截止電壓以下，顯然該電池為落后單體。

2、內(nèi)阻或電導(dǎo)測(cè)試法
　　 目前國(guó)際上流行一種用電導(dǎo)測(cè)試的方法檢測(cè)電池的內(nèi)阻來藉此判斷電池的實(shí)有容量。電導(dǎo)，即電阻的倒數(shù)，是指?jìng)鲗?dǎo)電流的能力，它反映了電阻的大小。VRLA電池的電阻組成是復(fù)雜的，包含了電池的歐姆電阻，濃差極化電阻，電化學(xué)反應(yīng)電阻及雙層電容充電時(shí)的干擾作用。在不同的量測(cè)點(diǎn)和不同的時(shí)刻測(cè)得的電阻值包含的組成也是不同的。

　　 剩余容量和電池內(nèi)阻有一定的固定關(guān)系，特別在剩余容量不足50%時(shí)，會(huì)迅速下降，因而根據(jù)電池的電導(dǎo)或電阻值來判斷電池容量有很好的一致性。

3、容量測(cè)量法

　　 欲準(zhǔn)確知道VRLA電池的健康狀況，只有對(duì)電池進(jìn)行容量試驗(yàn)。核對(duì)性容量放電實(shí)驗(yàn)雖然能100%地測(cè)定蓄電池的容量，但是，這種測(cè)試方法有很多弊端，如成本昂貴、設(shè)備笨重和對(duì)專人進(jìn)行培訓(xùn)等，更主要的是這種測(cè)試必需把電池從設(shè)備上隔離開相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，而在這段時(shí)間里，如果沒有電池做為后備電源，危險(xiǎn)性顯而易見。

3.1傳統(tǒng)的離線容量測(cè)試法

　　 這種方法須將電池從系統(tǒng)上脫離下來，接上電熱絲作為假負(fù)載，通過調(diào)整電熱絲，使電池組以額定電流對(duì)電熱絲放電，同時(shí)用萬用表每隔一定時(shí)間量測(cè)電池端電壓，直至其中有一單體的端電壓到達(dá)規(guī)定的終止電壓時(shí)停止放電，其放電時(shí)間與放電電流的乘積即為該電池的實(shí)際容量。此種檢測(cè)方法測(cè)量電池的容量數(shù)值準(zhǔn)確，能夠清晰的判別電池是否為失效電池。但此種方法存在下列缺陷：

• 電池須脫離系統(tǒng)，若這期間市電突然中斷，另一組電池能否獨(dú)撐？增加系統(tǒng)癱瘓風(fēng)險(xiǎn)。
• 笨重的電熱絲需要多人搬運(yùn)，且至少須一人測(cè)量一人記錄數(shù)據(jù)。
• 個(gè)別電池端電壓可能在兩次測(cè)量間隔期間突然降至截止電壓以下，造成過度放電，如圖三所示。工作量過大，難于全面進(jìn)行。
• 整組電池須花費(fèi)二十幾小時(shí)充電，有時(shí)需離線之整流器，且易造成某幾個(gè)電池過充。
• 須消耗大量之電能與熱能。

3.2 傳統(tǒng)的在線容量測(cè)試法

　　 這種容量測(cè)試法不須將電池組脫離系統(tǒng)，只要將整流器關(guān)閉，讓電池組直接對(duì)系統(tǒng)放電，同時(shí)用萬用表測(cè)量各電池的端電壓的變化情況。這種方法相對(duì)離線容量測(cè)試法輕松、簡(jiǎn)單且節(jié)省了許多電能，但是同樣由于人工測(cè)量的時(shí)間間隔，存在某些單體過度放電的可能性。裝上監(jiān)控系統(tǒng)后多少解決了這個(gè)問題，但是為安全起見，只能放電20%左右，而失效電池放電電壓在放電深度20%的情況下與有效電池的放電電壓不能有效區(qū)分開來，除非在較深的放電深度下才能得到體現(xiàn)。所以相對(duì)于通信系統(tǒng)低于額定容量80%的電池視為失效電池的規(guī)定來說，這種方法也難于滿足要求。

三、蓄電池維護(hù)全面解決方案

　　如何對(duì)閥控式鉛酸蓄電池建立起一套有效的維護(hù)管理方法，一直是廣大維護(hù)人員所關(guān)心的問題。近來Alber公司推出的蓄電池維護(hù)方案，效果良好，這里特將其推薦給廣大用戶，以幫助建立起一套有效的電池維護(hù)方法。

　　這套方法著重強(qiáng)調(diào)以下觀點(diǎn)：

　　任何蓄電池的壽命變化都是漸變的，頻繁的測(cè)量沒有任何意義，但是，長(zhǎng)期的跟蹤管理卻是最為重要的。由于電池的壽命平均在5年左右，一個(gè)月左右測(cè)一次即可。目前，一些昂貴的在線監(jiān)測(cè)電池系統(tǒng)實(shí)際上是無多大意義的，更何況其可靠性，還不如其監(jiān)測(cè)的對(duì)象。

　　蓄電池的壽命取決于電池的充放電次數(shù)，隨著充放電次數(shù)的增加，電池的內(nèi)阻增加，放電能力減少，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，這種變化加快。因此，長(zhǎng)期跟蹤測(cè)試，狀態(tài)管理成為一項(xiàng)可行的解決方案。在實(shí)際使用中，有很多種方法可以決定電池的壽命或狀態(tài)，但是基于內(nèi)阻的測(cè)量方法是最快，最可靠的。

　　目前市場(chǎng)上存在的各種所謂容量檢測(cè)系統(tǒng)（除了10小時(shí)放電系統(tǒng)），其原理歸根結(jié)底都是基于內(nèi)阻的。因此無論即使是幾十萬的設(shè)備，還是幾萬的，其原理從根本上是一致的，所謂的容量也是推測(cè)。

　　一般判則：Alber從用戶測(cè)試設(shè)備處收集到許多的測(cè)試數(shù)據(jù)，并將他們的發(fā)現(xiàn)做為報(bào)告發(fā)表出來 。迄今為止，可以得出這樣的結(jié)果，即所有內(nèi)阻高于基準(zhǔn)值25%的電池將無法通過容量的測(cè)試。

建立一個(gè)方便，簡(jiǎn)單，可靠，價(jià)格較低的有效測(cè)試系統(tǒng)，是本公司提出的解決方案的最終目標(biāo)，下面分別介紹我公司的測(cè)試方法和推薦的電池維護(hù)方案：

1、直流放電法：

　　 如圖所示，由被測(cè)電池向負(fù)載模塊 (RTM) 放出大電流(30-70A)，時(shí)間3.25秒，測(cè)量放電電壓穩(wěn)定后的瞬間斷電壓差△V(V2－V1) 與電流值 (I) 的比值計(jì)算出電池的內(nèi)阻 R內(nèi)阻＝△V/1；直流放電法測(cè)內(nèi)阻為 Alber 公司專利(專利號(hào)：U.S.Patent No.5.744.962).

R1=△V/I=(2.088-2.061)/I=375uΩ

2、電池測(cè)試方法的比較

3、電池檢測(cè)和在線檢測(cè)的三種主要方法

　　蓄電池在線監(jiān)測(cè)管理是針對(duì)測(cè)量電池的運(yùn)行條件和檢測(cè)電池本身的狀況而設(shè)計(jì)的、電池監(jiān)測(cè)主要有如下三種方法：

　�、僬�組監(jiān)測(cè)，②單電池電壓監(jiān)測(cè)，③電池內(nèi)阻監(jiān)測(cè)與在線監(jiān)測(cè)。

① 整組監(jiān)測(cè)：
　　整組電池監(jiān)測(cè)功能一般設(shè)計(jì)在整流電源內(nèi)（如一些高端的UPS的電池管理軟件），測(cè)量電池組的電壓，電流和溫度，進(jìn)行充電和放電管理，尤其是根據(jù)環(huán)境溫度變化來調(diào)整電池組的浮充電壓（溫度補(bǔ)償）做得比較好，在電池放電時(shí)電池組電壓低至某下限時(shí)報(bào)警。成組電池監(jiān)測(cè)很難發(fā)現(xiàn)單電池的緩慢變化，包括單電池本身的老化和因單電池一致性問題而帶來的積累效應(yīng)，以一組48V電池組來說，如果只有1個(gè)電池在變壞，其電壓變化的信號(hào)會(huì)被其它23只電池“淹沒”。電池端電壓及電池組母線電壓與電池容量（放電能力）無關(guān)。整組監(jiān)測(cè)無法監(jiān)測(cè)電池及電池組實(shí)際容量，無法篩選其中已老化的電池。

② 單電池電壓監(jiān)測(cè)：
　　1997 年我國(guó)郵電部發(fā)布的電池監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)目的在于規(guī)范電池監(jiān)測(cè)產(chǎn)品和技術(shù)。標(biāo)準(zhǔn)中明確要求監(jiān)測(cè)到每一個(gè)單電池。目前電信部門使用的產(chǎn)品大多都是依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的。制定標(biāo)準(zhǔn)后，電信運(yùn)維部門期望監(jiān)測(cè)設(shè)備能夠起到重要作用，而實(shí)際情況是在浮充狀態(tài)，監(jiān)測(cè)設(shè)備只能發(fā)現(xiàn)極個(gè)別性能很差，浮充電壓超常的電池。對(duì)于浮充電壓小幅值的差異監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)并沒有辦法區(qū)別和處理，也就是對(duì)于電池性能變壞，電池容量已經(jīng)大幅下降的老化電池監(jiān)測(cè)無能為力，這時(shí)如果電池浮充電壓變化不明顯，監(jiān)控系統(tǒng)不會(huì)發(fā)出警報(bào)。而是當(dāng)放電時(shí)發(fā)現(xiàn)某電池的放電電壓（或曲線）異常才有警告。但一般為時(shí)已晚。結(jié)論：實(shí)踐證明，單電池電壓監(jiān)測(cè)的預(yù)警性和前瞻性較差，無法準(zhǔn)確測(cè)定電池內(nèi)阻和容量，及時(shí)找出老化電池。

③ 電池內(nèi)阻監(jiān)測(cè)與在線監(jiān)測(cè)：
　　以美國(guó) Alber 公司為代表的電池監(jiān)測(cè)設(shè)備廠商在近幾年推出了直流放電法對(duì)電池進(jìn)行內(nèi)阻檢測(cè)的系列產(chǎn)品，是電池監(jiān)測(cè)技術(shù)的質(zhì)變，即由被動(dòng)監(jiān)測(cè)電池電壓到主動(dòng)精確測(cè)試電池內(nèi)部狀態(tài)（內(nèi)阻）和在線監(jiān)測(cè)電池組動(dòng)態(tài)變化鉗表/鉗型表 | 電導(dǎo)度計(jì) | 測(cè)量?jī)x器 | 示波器 | 電力監(jiān)控儀 | 電橋 | 電力計(jì) | 記錄儀 | 電力測(cè)量?jī)x | 信號(hào)發(fā)生器 | 電力傳感儀表 | 電流傳感器 | 電壓傳感器 | 電磁波轉(zhuǎn)換器 | 選配傳感器 | 測(cè)試儀器 | 電磁波測(cè)試儀 。

4、推薦的蓄電池測(cè)試工具

　　BDS－256 / MPM－100 蓄電池智能監(jiān)控系統(tǒng)是Alber公司利用內(nèi)阻測(cè)試專利技術(shù)的高級(jí)綜合應(yīng)用。這種系統(tǒng)的獨(dú)特之處是能對(duì)蓄電池存在的任何問題提供早期的預(yù)報(bào)。通過測(cè)試蓄電池內(nèi)阻的方法，系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢查到每個(gè)電池單體的狀況，并可靠地預(yù)測(cè)出它們的性能。

　　CLC-200蓄電池內(nèi)阻測(cè)試儀是Alber公司的一款可以進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)儲(chǔ)存的蓄電池智能內(nèi)阻測(cè)試儀，它可以在正常測(cè)試時(shí)間內(nèi)精確提供各階段數(shù)據(jù)。此款輕便智能型設(shè)備可以顯示并記錄單體浮充電壓、單體內(nèi)阻以及電池間連接電阻。可應(yīng)用于單體電池或由多單體構(gòu)成的模塊。自動(dòng)儲(chǔ)存 7 組 256 節(jié)電池組或 28 組 64 節(jié)電池組的相關(guān)數(shù)據(jù)，不僅可以節(jié)省時(shí)間，而且還可以確保永久地保存記錄。使用 RS-232 端口和軟件可以將所有讀數(shù)傳送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行深入分析并生成報(bào)告。

　　SCT-200蓄電池活化儀是Alber公司推出的用于在線對(duì)單節(jié)電池按編程進(jìn)行恒流容量或預(yù)置放電、限流恒壓充電的測(cè)試；可編程為多步測(cè)試過程，自動(dòng)操作以及安全電路可讓用戶對(duì)設(shè)備進(jìn)行編程并啟動(dòng)測(cè)試，而無需對(duì)測(cè)試系統(tǒng)值守。

　　BCT－2000 蓄電池組放電測(cè)試儀是Alber公司推出的集放電、檢測(cè)和通訊一體化的蓄電池組容量測(cè)試系統(tǒng)工具。這套設(shè)計(jì)巧妙的系統(tǒng)采用線性連續(xù)可調(diào)自動(dòng)控制電路，完全按照用戶編程的方式在恒流、恒功率和自動(dòng)關(guān)閉的模式下自動(dòng)完成測(cè)試。是蓄電池組階段檢、年檢、工程驗(yàn)收的理想工具。