蓄电池内阻特性研讨及其智能集中监测.docVIP

蓄电池内阻特性研讨及其智能集中监测彭岳云 广东深圳摘要：本文从已经广泛使用的阀控铅酸蓄电池（VRLA）在十多年的维护中积累的问题开始，结合蓄电池的电路模型，深入的研讨了蓄电池的工作机理，认真的分析了充分反映蓄电池的工作特性的内阻的测试原理、实验方法，通过运行及试验数据分析了蓄电池内阻变化机理、内阻与蓄电池容量的相关性。在此基础上提出了蓄电池智能监测的概念，以达到高效、可靠、准确的管理蓄电池设备。关键词：阀控铅酸蓄电池 内阻 蓄电池智能监测0 引言直流电源系统是电网重要设备，其设备的运行可靠、安全直接影响到整个电网二次设备的运行状态的可靠性，尤其是随着电网设备自动化水平的加速发展，直流电源系统重要位置不断上升，要求也越来越高。蓄电池组作为直流系统中的重要部分担当着极其重要的角色。由于正常状态下蓄电池组长期处于浮充电状态，在交流失电事故或直流系统事故状态下，蓄电池是变电站所有二次设备的唯一电源提供者，倘若蓄电池无法正常发挥其角色，变电站（电厂）将面临发生重大事故的危险，造成的损失将无法估计。所以，蓄电池的日常运行状态是否保持合格，是每一个电源工作者关注的重之中之重。1 蓄电池常规检测方法的盲点1.1 电压检测的盲点自从蓄电池在电力系统使用以来，由于电压测量方法直接、方便，长期都是以电压检测作为检测蓄电池的好坏的一种方法。但是，蓄电池在正常运行条件下，长期是处于浮充状态，若仅对蓄电池的浮充电压进行检测，由于电压的采集并没有反映到它的负载能力上来，对蓄电池内部的活性物质脱落、板栅腐蚀或极板变形、硫化以及极柱受到损伤的电池，都可能造成容量逐渐降低乃至失效，这些都难以表现在电压值上来，只有蓄电池出现极端情况，电压值才开始表现不同之处，所以难以及时发现存在故障的失效电池。监测单体电池放电时的电压变化是利用电压检测阀控铅酸蓄电池故障的方法之一，单体电池放电时电压下降的速度与电池的“健康”状况有关，故障电池的电压下降得比正常电池快得多，据此可以检查出故障电池，故电压法检测须与放电试验结合进行，而且只有电池出现故障后才会被发现，很难达到故障预测的效果。实践证明，电池出现“有压无流”现象，仅靠测量蓄电池电压，根本无法判别。VRLA电池和电池组在运行过程中，随着使用时间的增加必然会呈退行性老化现象，当电池的实际容量下降到其本身额定容量的70% 以下时，电池便进入衰退期，当电池容量下降到原来的80%以下时，电池便进入急剧的衰退状况，衰退期很短，这时电池组已存在极大的事故隐患。现场中出现的一周前测量蓄电池单体电压正常，一周后合不上开关的事实就是最好的例证。1.2 蓄电池容量核对的死区风险想掌握到蓄电池准确的运行状态，必须进行定期的全容量核对性试验。但是其周期太长，铅酸蓄电池作为一种化学电源，其内部结构及其特性参数有其特殊的电特性，尤其是蓄电池处于寿命周期后期时容量的突变特性，所以蓄电池容量试验既担风险又使工作繁琐困难，费时费力。难免让我们受到一连串问题的困扰：用了五六年的电池，是否一定不能用？用了半年的电池是否一定能用？供应商提供的电池放电正常、电压正常是否一定是好的？放电我们遇到的另一个问题是，往往不是严格的“恒流放电”。其实我们要真正准确的判断到蓄电池的实际容量，在测量中必须严格界定“恒流放电”，并保证记录的同时性，只有这样才能有效的根据测试结果推断“剩余容量”和“放电能力”，否则会给我们带来误判断，所得出的容量值与实际容量有相当的误差，即使是5%的误差都可能在80%完全退化边缘给系统造成致命隐患。2 蓄电池内部结构及电路模型2.1 蓄电池内部结构分析蓄电池是一种能够充电和放电的设备，充电时能将电能转化成化学能贮存起来，放电时能将化学能转化成电能释放出来。充电和放电实际是在蓄电池两电极（正板和负极）上分别发生氧化和还原反应，反应的电子得失是通过外电路完成的，通过外电路就形成电流，即充电和放电电流。铅酸蓄电池是由正负极板、隔板、壳体、电解液和接线桩头等组成，其放电的化学反应是依靠正极板活性物质(二氧化铅和铅)和负极板活性物质(海绵状纯铅)在电解液(稀硫酸溶液)的作用下进行，其中极板的栅架，传统蓄电池用铅锑合金制造，免维护蓄电池是用铅钙合金制造，前者用锑，后者用钙，这是两者的根本区别点。不同的材料就会产生不同的现象：传统蓄电池在使用过程中会发生减液现象，这是因为栅架上的锑会污染负极板上的海绵状纯铅，减弱了完全充电后蓄电池内部的反电动势，造成水的过度分解，大量氧气和氢气分别从正负极板上逸出，使电解液减少。用钙代替锑，就可以改变完全充电后的蓄电池的反电动势，减少过充电流，液体气化速度减低，从而减低了电解液的损失。随着科学技术的发展，其蓄电池的性能也不断的提高，但蓄电池的性能依托的是对内部结构的构成的改进。2.2 蓄电池电路模型及内阻概念根据蓄电池内部结构的分析，我们可以将蓄电池的整个构造绘出其等效电路模型如图1所示。从图中我们可以看到，蓄电池的端口对外电路呈现阻抗特性，蓄电池的电阻包含了金属电阻（Rm表示）和电化学电阻（Re）。金属电阻也即是欧姆电阻，包括极柱、汇流排、板栅及板栅与涂膏间电阻，这部分的电阻只是随着金属的腐蚀，蠕变，硫化等因素而缓慢的变化着。电化学电阻（Re）包括电化学反应电阻和粒子浓差极化电阻，Re则是随着容量的状态而时刻发生着变化的，但是这部分的变化被并联的电容的容抗变化所掩盖着。电容的大小根据电池的设计和制造情况而不同，根据相关文献资料显示，一般是每100安时容量为1.31.7F。图1：蓄电池等效电路模型3 蓄电池新的有效检测技术现在对于蓄电池的检测，倾向于用内阻来衡量容量，因而避免了传统的电压检测和放电测试带来的测试死区和维护风险。3.1 直流测试方法分析及在线测试能力验证如图2是有的直流测试方法瞬间大电流测试示意图，测试原理是通过负载接通时，直接由电池产生一个瞬时的大放电电流，然后测出电池极柱上电压的瞬间变化，瞬间电压降和断开负载是的瞬间电压恢复可以推导出相应的内阻。在这种测试方法中，避开C的分流，可以有效发现Re中任何细微的变化。图2：瞬间大电流测试示意图在瞬间直流情况下，蓄电池的等效模型可以认为是一个理想电压源和内阻串联组成，不难得到：U=R*I，从而有：R=U/ I 由于刚给试验电路加上负载的瞬间，电池电压变化值不稳定，易产生较大的误差，所以U取断开负载的瞬间电压恢复值，此时电流也基本上达到了稳态。U是由于电池内部的化学路径上的电容效应产生的，当出现放电过程时，已经充满电的电容等效为一个直流电压源，向外加的直流负载放电。根据上面的原理，我们对18节电池进行了实例离线与在线测试的数据进行了比较，验证了前面提出的电路模型、直流测试法的在线测试能力。电池号离线（14：41）在线（16：42）电池号离线（14：41）在线（16：42）174067453105669566725506561111533454023741874651252825276462496226136751667854608460514594959786590558621558215783769696934165217516886969692017550054949648564271850284976 3.2 蓄电池内阻变化机理在充电过程，随着氧复合反应的进行，电池内阻是随充入的电量的增加，内阻呈下降趋势。 蓄电池在放电之前活性物质微孔中的硫酸浓度与极板外主体溶液浓度相同，电池的开路电压与此浓度相对应。放电一开始，活性物质表面处(包括孔内表面)的硫酸被消耗，酸浓度立即下降，而硫酸由主体溶液向电极表面的扩散是缓慢过程，不能立即补偿所消耗的硫酸，故活性物质表面处的硫酸浓度继续下降，随着活性物质表面处硫酸浓度的继续下降，与主体溶液之间的浓度差加大，促进了硫酸向电极表面的扩散过程，于是在一定的电流放电时的某一段时间内，单位时间消耗的硫酸量大部分可由扩散的硫酸予以补充，所以活性物质表面处的硫酸浓度变化缓慢，电池端电压比较稳定。但是由于硫酸被消耗，整体的硫酸浓度下降，活性物质的作用面积不断减少，随着放电继续进行，正、负极活性物质逐渐转变为硫酸铅，并向活性物质深处扩展，使活化物质的孔隙率降低，加剧了硫酸向微孔内部扩散困难，硫酸铅的导电性不良，电池内阻增加。另外，测试电流的大小对蓄电池的内测试精度有着影响，以下是对满容量单体电池在不同的放电电流下所做的内阻测试，从数据中可以发现随着放电电流的增加，测试的结果是越稳定、精确，但是，一旦放电电流达到一定值以上后的范围后，蓄电池内阻的变化就已经稳定了，从实验结果来看，我们认为，利用瞬时大电流放电进行内阻测试时，足够的电流是获得有较好的精度的必要条件。测试电流内 阻 值2V 150AH2V 500AH52350189210166611771515516582014522423011851974011791986011751957011561923.3 蓄电池内阻与容量的相关性目前国内还没有太多相关的标准对蓄电池内阻数据进行解释说明，只有IEEE Std 1188中对内阻测最和数据分析作了简单的说明，IEEE Std1188指出：内阻受包括物理连接、电解液离子导电性和电极表而的活性物质的活性三方面因素的影响，内阻值的变化可以当作电池性能或者说容量变化的指示。明显的内阻变化表明蓄电池有大的性能改变，超过30的变化即可认为明显，但这个变化幅度可能跟不同厂家的电池有关。从以上测试原理的分析我们不难发现，由此测得的内阻与其容量有其很好相关性，国内外文献显示相关性可达到90%95%以上。图3：蓄电池的容量与内阻的对应关系图为了获得可靠数据，我们对一组电池中典型的十节电池进行放电测试时，如图3监测的内阻值与容量的对照曲线图也验证了以上的结论。图中红线是一个放置时间过长的电池，从图可见与其它电池有着完全不同的状态。所以用内阻来衡量容量，补充了传统的放电测试的判断。4 蓄电池智能集中监测的及其网络拓扑结构4.1 蓄电池智能集中监测的必要性随着电力系统不断壮大，蓄电池的使用寿命和安全可靠性倍受用户关注。但由于使用不当或者不能及时维护,经常会导致蓄电池组中个别蓄电池的过放电或者早期失效。过放电或者早期失效的个别蓄电池在后备电源投入使用时,会严重影响整个电池组的放电容量,甚至会导致整个供电系统的崩溃。因此,为保证在市电被切断时用电设备能够安全可靠运行，避免蓄电池在长期使用过程中因个别电池过放电或者失效而引发事故带来经济损失，对蓄电池进行实时有效、准确、智能化的在线监测和及时的故障诊断是我们电力系统蓄电池维护工作的一个极为重要方向。 十几节甚至几十节、上百节串联的电池，只要一节过早损坏，如不及时发现，则时间一长，其他电池跟着报废。也就是说：一只电池损坏，将造成整组电池不能发挥作用。正是以上的问题的存在，我们也不断寻求新的方法，我们深圳供电局自2002年来，通过工作实践，不断在探索蓄电池运行维护的有效的整套解决方案、寻找蓄电池与容量相关的特性参数内阻，大量数据证明，若其中一只容量下降落后，则表现为内阻增大、严重者相当于开路。同时，我们清晰的认识到，电池和电池组的有效特性参数的定期检测和在线监测是非常重要和必须的，是备用电源系统中非常重要而又往往被人们忽视的重要环节。4.2 智能集中监测的网络拓扑结构及其效果蓄电池智能集中监测是借助于先进高速的网络传输技术，将安装在各变电站站点的蓄电池在线监测系统连接在网络中，通过TCP/IP模式读取、保存现场测试到的蓄电池的特性数据，在远程进行数据管理、报警管理的蓄电池管理模式，从运行角度来看，笔者认为，此思路可延伸到其它设备的管理实践中去，可以在安全生产、工作效益及管理水平上来带很好的运行效果。图4：蓄电池智能集中监测的网络拓扑结构图4.2.1 安全生产：系统实现实时监测，根据监测到的蓄电池的运行状态数据，尤其是蓄电池的内阻，让我们可以及时发现蓄电池存在的问题，让我们可以准确对不良的电池有针对性实行处理措施，达到将故障处理在发生之前的目的。4.2.2 提高劳动生产率：系统的实时远程监测功能，让我们可以在很短的时间、在专业管理班组（办公室或其它工作站点），都能对各变电站运行数据进行监测、收集、分析；数据可以自动保存、自动生成报告；大大的提高了劳动生产率。4.2.3 管理水平：根据系统监测到的各变电站同一蓄电池组不同时间的数据形成的报告，可以分析蓄电池的运行状态数据的变化趋势，为对蓄电池组的运行的可靠性提供了直接的依据，设备管理上了新台阶。4.3 蓄电池智能监测应该关注的几个问题对于蓄电池的电压、内阻的检测，不仅仅只看其绝对值的问题，要考量蓄电池组的真正的性能状态，通过蓄电池在线监测可以让我们有效的关注以下几个问题：（1） 蓄电池电压与内阻的一致性（平衡度），如果一组中蓄电池内阻出现不平衡，在运行充电过程中，将会出现某些电池长期处于过充，某些电池处于欠充。（2） 蓄电池组内阻的趋势变化曲线，通过趋势管理，可以有效的发现蓄电池进入退化的拐点。（3） 另一个不可忽视的问题是连接问题，包括蓄电池间连接松动问题和层与层间的连接线，因分压效应会造成个别电池长期处于欠充电状态，易硫化，容量提前降低。所以，对蓄电池的特性参数进行远程在线管理，是我们对蓄电池进行状态监测、状态检修的很好实践，是提高我们的工作效益、提高设备管理水平的很好实践。5 小结本文通过对蓄电池运行维护中的问题、蓄电池模型以及其有效特性参数的分析，说明了测试蓄电池内阻的原理，并用实践的数据验证了内阻参数的有效性，得到了蓄电池内阻的特性曲线。对蓄电池的特性参数进行智能集中监测是对蓄电池进行状态监测、状态检修的很好实践，可及时、准确的判断电池性能状态，提前