一、引言
在電力系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)高度發(fā)達(dá)的社會(huì)，為避免電力異常帶來(lái)的服務(wù)中斷，除盡可能提高供電系統(tǒng)可靠性外，在很多場(chǎng)合都使用蓄電池來(lái)提供不間斷
電源供應(yīng)，避免意外停電帶來(lái)的影響，在電力系統(tǒng)內(nèi)部的直流供電系統(tǒng)中更是大量使用蓄電池。
電力系統(tǒng)中使用最多的蓄電池是閥控鉛酸蓄電池（Valve Regulated Lead Acid Battery—下面簡(jiǎn)稱VRLAB），它也是目前最為廣泛應(yīng)用的蓄電池。
VRLAB采用了陰極吸收技術(shù)，因而在運(yùn)行中無(wú)需加水維護(hù)，在進(jìn)入
市場(chǎng)的初期，
VRLAB被稱為“免維護(hù)”電池，而且宣稱使用壽命可達(dá)到10-15年。VRLAB的出現(xiàn)給整個(gè)蓄電池行業(yè)帶來(lái)了一場(chǎng)革命，引發(fā)各行各業(yè)特別是電力與通信行業(yè)對(duì)VRLA電池的巨大需求。 在經(jīng)過(guò)十年多的VRLAB的大量應(yīng)用過(guò)程中，VRLAB顯露了一些缺點(diǎn)，其使用壽命并沒(méi)有達(dá)到人們的預(yù)期。有關(guān)資料表明，VRLAB在使用3-4年后，很大一部分電池組就難以通過(guò)容量檢測(cè)，少數(shù)能超過(guò)6年。在實(shí)際使用中，只有很少用戶能夠真正具備條件定期檢查蓄電池并對(duì)蓄電池作定期容量測(cè)試，很多情況下是在市電停電后才發(fā)現(xiàn)蓄電池?fù)p壞或放電容量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，因此造成的停電損失巨大。
海南電網(wǎng)海口供電局下屬變電站中分布了各類VRLAB兩萬(wàn)多節(jié)。在實(shí)際的使用過(guò)程中，很多蓄電池在使用了4-5年后都不能通過(guò)核對(duì)性容量放電。為了提高海口供電局維護(hù)蓄電池的能力，有效延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。海口供電局于2009年1月在下轄220kV變電站采用了由鼎爾特公司開發(fā)的DLT_B8500型蓄電池故障預(yù)警裝置，幫助維護(hù)人員掌握蓄電池的性能情況，及時(shí)更換落后蓄電池。
二、測(cè)量原理
測(cè)量閥控鉛酸蓄電池端電壓無(wú)法反映電池的實(shí)際容量特性，而通過(guò)測(cè)量?jī)?nèi)阻能夠立即判斷嚴(yán)重失效的電池或存在連接問(wèn)題的電池
,給出報(bào)警信息。阻抗分析是電化學(xué)研究中的常用方法，是電池性能研究和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的必要手段。 備用場(chǎng)合使用的VRLAB一般容量很大，在幾十到數(shù)千安時(shí)，電池的內(nèi)阻值很小，隨電池容量的增大，內(nèi)阻減小，例如3000Ah的電池，其內(nèi)阻值一般在30-50微歐。由于阻值低，電池正負(fù)極輸出直流電壓，要準(zhǔn)確測(cè)量?jī)?nèi)阻是有一定難度的，尤其是在線測(cè)量時(shí)電池端存在充電紋波和負(fù)載變動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)變化。采用交變頻譜法測(cè)量有效的解決了由于充電機(jī)紋波和負(fù)載變動(dòng)造成的測(cè)量不準(zhǔn)的問(wèn)題。
當(dāng)使用受控電流時(shí)，ΔI = Imax Sin(2πft),產(chǎn)生的電壓響應(yīng)為：
ΔV = Vmax Sin(2πft + φ)
若使用受控電壓激勵(lì)，ΔV = Vmax Sin(2πft),產(chǎn)生的電流響應(yīng)為：
ΔI = Vmax Sin(2πft - φ)
兩種情況的阻抗均為：
即阻抗是與頻率有關(guān)的復(fù)阻抗，其模 |Z|= Vmax/Imax, 相角為φ。
從理論上講，向電池饋入一個(gè)交流電流信號(hào)，測(cè)量由此信號(hào)產(chǎn)生的電壓變化即可測(cè)得電池的內(nèi)阻。
R = Vav/Iav
式中 Vav----為檢測(cè)到交流信號(hào)的平均值；
Iav ---- 為饋入交流信號(hào)的平均值
在實(shí)際使用中，由于饋入信號(hào)的幅值有限，電池的內(nèi)阻在微歐或毫歐級(jí)，因此，產(chǎn)生的電壓變化幅值也在微歐級(jí)，信號(hào)容易受到干擾。尤其是在線測(cè)量時(shí)，受到的影響更大，采用基于數(shù)字濾波器的內(nèi)阻測(cè)量技術(shù)和同步檢波方法可以部分克服外界干擾，獲得比較穩(wěn)定的內(nèi)阻數(shù)據(jù)。
同步檢波方法電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，如圖-1所示，由時(shí)鐘觸發(fā)同步激勵(lì)信號(hào)和檢波電路的相位。
從測(cè)量準(zhǔn)確度和測(cè)量方法上來(lái)說(shuō)，此法不僅可以準(zhǔn)確測(cè)量出蓄電池的歐姆電阻，而且還可以測(cè)量出蓄電池的極化電阻，客觀的反應(yīng)了蓄電池的容量和壽命的綜合指標(biāo)，是國(guó)際上認(rèn)可的方法。
三、硬件配置
裝置由控制單元、檢測(cè)模塊、內(nèi)阻模塊、相關(guān)軟件和輔助部件構(gòu)成，一個(gè)控制單元可接入多個(gè)檢測(cè)模塊，完成對(duì)不同只數(shù)和不同電壓規(guī)格的蓄電池組的監(jiān)測(cè)管理。
裝置原理圖如圖2所示：
控制單元，用于數(shù)據(jù)傳輸、處理和人機(jī)界面操作，具有遠(yuǎn)程（集中）管理RS-485（RS-232）接口、檢測(cè)模塊控制口、操作鍵盤、漢化（或英文，因規(guī)格型號(hào)而異）顯示面板、聲光報(bào)警及報(bào)警輸出接點(diǎn)。控制單元實(shí)時(shí)顯示電池?cái)?shù)據(jù)，
智能分析數(shù)據(jù)，對(duì)異常的電池運(yùn)行情況進(jìn)行及時(shí)報(bào)警。
通過(guò)總線結(jié)構(gòu)控制檢測(cè)模塊工作，收集檢測(cè)模塊采集的數(shù)據(jù)，本單元對(duì)發(fā)生的事件進(jìn)行判斷處理并發(fā)出聲光報(bào)警，完成數(shù)據(jù)的信號(hào)、存儲(chǔ)和查詢功能，這些功能供運(yùn)行人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)事件處理使用。
檢測(cè)單元，完成數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)傳給控制模塊。高精度、高時(shí)效的數(shù)據(jù)采集模塊采用模塊化設(shè)計(jì)方案，兼顧了專用化與通用化原則，配置靈活，根據(jù)采樣點(diǎn)種類及規(guī)模的需求，各個(gè)模塊可單獨(dú)使用，亦可自由組合，能適應(yīng)不同的監(jiān)測(cè)場(chǎng)合。
內(nèi)阻單元，在需要進(jìn)行內(nèi)阻檢測(cè)的場(chǎng)合，內(nèi)阻模塊與檢測(cè)模塊配合使用。
內(nèi)阻模塊與系統(tǒng)的分布式結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，接受檢測(cè)模塊的調(diào)度。它發(fā)出對(duì)電池組的激勵(lì)信號(hào)，由于使用了特殊的技術(shù)進(jìn)行激勵(lì)，不會(huì)對(duì)在線運(yùn)行的設(shè)備造成任何不利影響。
四、實(shí)施方案
本次應(yīng)用選擇了海口供電局下屬的永莊220kV變電站的2組蓄電池組，每節(jié)電池標(biāo)稱電壓為2V，標(biāo)稱容量為300AH。每組合計(jì)108節(jié)電池。
每?jī)山M電池配用了一個(gè)控制單元，每一組電池配用三個(gè)檢測(cè)單元和一個(gè)內(nèi)阻單元。由于每個(gè)檢測(cè)單元可以采集的電池?cái)?shù)量最多可達(dá)36節(jié)，所以配置了三個(gè)檢測(cè)單元。在檢修所里，放置了一臺(tái)服務(wù)器。
服務(wù)器內(nèi)裝有后臺(tái)數(shù)據(jù)采樣服務(wù)程序，只要服務(wù)器打開，就能夠?qū)崟r(shí)的把安裝在現(xiàn)場(chǎng)的DLT_B8500型蓄電池壽命及故障預(yù)警裝置采集到的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳到服務(wù)器中，服務(wù)器再把每次遠(yuǎn)傳的數(shù)據(jù)存入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，以備后期維護(hù)時(shí)調(diào)用查看。
同時(shí)在服務(wù)器中還安裝了前臺(tái)監(jiān)測(cè)軟件，可以實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行主畫面、圖形數(shù)據(jù)等窗口完成對(duì)蓄電池的監(jiān)視。能實(shí)時(shí)查看到蓄電池組的運(yùn)行參數(shù)和性能參數(shù)，有異常現(xiàn)象時(shí)實(shí)時(shí)顯示蓄電池的報(bào)警類型。另外，還具有蓄電池性能及測(cè)試數(shù)據(jù)分析功能，直觀地了解蓄電池的性能變化狀況，便于更好地對(duì)蓄電池的變化趨勢(shì)作出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。
放電數(shù)據(jù)分析功能具有對(duì)蓄電池放電過(guò)程的電壓等數(shù)據(jù)記錄功能，形成每個(gè)蓄電池的放電曲線，利用放電曲線可以更精確地分析了解蓄電池的性能狀況。不用到現(xiàn)場(chǎng)就能夠及時(shí)準(zhǔn)確的了解到蓄電池的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)。
五、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)
經(jīng)過(guò)對(duì)變電站蓄電池各種參數(shù)數(shù)據(jù)的收集，我們可以實(shí)時(shí)掌握蓄電池的性能狀態(tài)。
從圖3和圖4來(lái)看，兩組蓄電池組單體電池的浮充電壓一致性較好。
蓄電池處于不同的狀態(tài)，其內(nèi)阻值也是有差異的。圖5是把1#蓄電池組作為測(cè)試對(duì)象，數(shù)值較高的數(shù)據(jù)是在浮充狀態(tài)下測(cè)得的，停止浮充、轉(zhuǎn)入放電后電池內(nèi)阻變小。變化幅度均勻，平均為6.5%，可以解釋為浮充狀態(tài)下極化內(nèi)阻的影響。
圖6是2#蓄電池組接近10小時(shí)率放電時(shí)的電壓變化和內(nèi)阻變化曲線。由圖6的數(shù)據(jù)可知，電池進(jìn)入放電狀態(tài)后，內(nèi)阻由浮充狀態(tài)的值下降到某穩(wěn)定值，此數(shù)值在電池放電的平臺(tái)期穩(wěn)定上升，放電容量達(dá)到80%后，內(nèi)阻急劇上升。轉(zhuǎn)入充電后，內(nèi)阻很快恢復(fù)到正常數(shù)值。
蓄電池的不同失效模式反映在內(nèi)阻變化的幅值并不一樣。為此找了2只原先使用的不同劣化程度的電池和1只新電池做了對(duì)比試驗(yàn)，圖7是不同劣化模式下的電池放電曲線。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)不同劣化程度蓄電池內(nèi)阻的變化幅度。從輸出容量的大小排列，依次為新電池、極板腐蝕后電池、失水后電池。
六、結(jié)論
1）電池的運(yùn)行參數(shù)主要受充電機(jī)的控制，尤其是電池的浮充電壓，直接影響電池的浮充使用壽命。世界最好的電池也不能長(zhǎng)期工作在偏高（或偏低）的浮充電壓下。浮充電壓的測(cè)量要求對(duì)精度要求非常高。綜合分析能夠發(fā)現(xiàn)電池組運(yùn)行中發(fā)生的超越電池參數(shù)極限的事件，這些事件包括：充電電流過(guò)大、放電電流過(guò)大、電池組浮充電壓高、電池組浮充電壓低、電池組過(guò)放電、單電池浮充電壓高、單電池浮充電壓低、單電池過(guò)放電。通過(guò)技術(shù)改造，避免了以后維護(hù)不當(dāng)造成的蓄電池性能衰減的情況發(fā)生。
2）電池監(jiān)測(cè)除發(fā)現(xiàn)電池的運(yùn)行條件異常外，最重要的是要及時(shí)預(yù)報(bào)電池失效。在線測(cè)量每個(gè)單電池的內(nèi)阻是現(xiàn)代蓄電池檢測(cè)技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)，測(cè)量準(zhǔn)確度直接關(guān)系到分析的準(zhǔn)確度。內(nèi)阻的變化可以當(dāng)作電池性能或者說(shuō)容量變化的指示。明顯的內(nèi)阻變化表明蓄電池有大的性能改變，但這個(gè)變化幅度可能跟不同廠家的電池有關(guān)。針對(duì)試驗(yàn)研究的結(jié)果，我局目前將蓄電池內(nèi)阻變化率超過(guò)平均值20%后，即納入重點(diǎn)檢查范圍。
3）通過(guò)全面研究蓄電池運(yùn)行特點(diǎn)，并具備了有效監(jiān)測(cè)包括單電池內(nèi)阻在內(nèi)的電池組運(yùn)行數(shù)據(jù)后，在國(guó)家相關(guān)電氣設(shè)備運(yùn)行管理規(guī)程的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)現(xiàn)有直流蓄電池運(yùn)行管理規(guī)程進(jìn)行修訂和落實(shí)，是真正提高電網(wǎng)直流系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的制度保證。
