蓄電池在線監(jiān)測技術(shù)在變電站的應用

1 概述

在變電站蓄電池作為備用電源在電力系統(tǒng)中起著極其重要的作用，在交流電失電或其它事故狀態(tài)下蓄電池組一旦出現(xiàn)問題，供電系統(tǒng)將面臨癱瘓，造成設(shè)備停運及其它重大運行事故。近年隨著閥控式密封鉛酸蓄電池（以下簡稱閥控蓄電池電池）在電力系統(tǒng)的廣泛使用，由蓄電池故障而引發(fā)的事故時有發(fā)生，甚至造成著火、全站停電。閥控蓄電池由于特殊的閥控式密封結(jié)構(gòu)，使得我們無法準確掌握蓄電池的健康狀況，其“免維護”的這一優(yōu)點，已經(jīng)成為電池運行管理中的缺點和難點。在提高電池性能，減少維護工作量的同時，如何快捷有效地檢測出早期失效電池并預測蓄電池性能變化趨勢已成為電池運行管理的新課題。目前除了核對性放電、測端電壓等常規(guī)維護檢測手段外，隨著技術(shù)的發(fā)展一些新的檢測手段孕育而生，蓄電池在線監(jiān)測這一新檢測技術(shù)開始逐步運用到電力系統(tǒng)。

2?蓄電池在線監(jiān)測技術(shù)應用情況

在電力系統(tǒng)變電站目前使用較多的蓄電池在線監(jiān)測裝置是電池巡檢儀，電池巡檢儀又分為兩種，一種是測量蓄電池單體電壓的巡檢儀，結(jié)構(gòu)是由一個主控模塊和數(shù)個采集模塊組成，主模塊接收監(jiān)控器的命令，發(fā)送電池數(shù)據(jù)到直流設(shè)備的監(jiān)控器；采集模塊中每個模塊采集10～20節(jié)電池的電壓、電流和溫度；通過直流充電設(shè)備的監(jiān)控器可顯示各單節(jié)電池電壓，判斷故障電池的編號且給出報警。這類電池巡監(jiān)儀一般由直流設(shè)備生產(chǎn)廠家提供，在訂貨直流設(shè)備時它是選配裝置，由于功能單一、不能測試容量、且測量精度差、容易誤報，限制了它的廣泛使用。測試示意圖如圖1：



[圖1 電池巡檢儀測試示意圖]

另外一種是智能巡檢儀。智能巡檢儀除了能測量蓄電池的單體電壓，還具有測量和顯示整組蓄電池的容量以及進行數(shù)據(jù)智能分析功能。結(jié)構(gòu)上與上面一種類似，由主機和電池采集模塊組成，主機可直接放置在蓄電池室內(nèi)，數(shù)據(jù)顯示和報警功能可通過通訊線送到控制室內(nèi)設(shè)置的顯示單元上。這類電池巡檢儀一般由專業(yè)電池巡檢儀廠家生產(chǎn)，它端電壓監(jiān)測部分同樣誤差較大、容易誤報；容量監(jiān)測，它是在電池放電和充電狀態(tài)時測量電池電流及端電壓的變化，并利用這些數(shù)據(jù)繪制曲線來分析電池的特性；通過內(nèi)阻與端電壓在充放電時產(chǎn)生的變化來分析電池容量，當蓄電池組在放電時內(nèi)阻越大其端電壓越低，而充電時內(nèi)阻越大其端電壓越高，找出特性最差的電池，根據(jù)歐姆定律計算出內(nèi)阻，并描繪出電池組中哪些電池容量最小，利用特性曲線計算出電池組的容量。由于運行中，充放電電流是變化的，內(nèi)阻不是一個恒定值，其計算分析出的容量不是很準確。

電池巡檢儀主要是能夠發(fā)現(xiàn)蓄電池短路、斷路和電池異常等狀況，但對蓄電池容量下降很難發(fā)現(xiàn)，即時能夠監(jiān)測容量，與真實容量有很大的差距。隨著人們對閥控式密封鉛酸電池研究的深入，蓄電池內(nèi)阻已經(jīng)成為衡量電池好壞的一個重要指標，內(nèi)阻檢測成為電池維護一個重要手段。內(nèi)阻跟蓄電池容量之間沒有嚴格的數(shù)學關(guān)系，無法根據(jù)單個電池的內(nèi)阻值去預測蓄電池的壽命和容量，蓄電池內(nèi)阻突然增大，蓄電池的容量將發(fā)生變化，通過對內(nèi)阻測試數(shù)據(jù)不斷累積和定量分析，可以推斷出電池容量變化趨勢和壽命情況。人工進行內(nèi)阻測試耗時，測試數(shù)據(jù)少，一般要求一年一次，測試數(shù)據(jù)不能及時存儲和多年保留，分析功能較差。因此在電池巡檢的基礎(chǔ)上，增加了內(nèi)阻在線檢測，并采用現(xiàn)代的通訊和計算機等技術(shù)，建立了蓄電池在線智能監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、放電模塊、監(jiān)控單元三部分組成，具有實時監(jiān)測電池的運行參數(shù)（電壓、電流、溫度）、定時自動測試電池內(nèi)阻、靜態(tài)放電測量電池容量、綜合測量判斷電池性能及變化趨勢以及顯示報警功能，系統(tǒng)還可實現(xiàn)網(wǎng)絡化、智能管理。如圖2所示。



[圖2? 在線智能監(jiān)控系統(tǒng)示意圖]

與電池巡檢儀不同，在這個系統(tǒng)增加了一個放電模塊，放電模塊能承受較大的沖擊電流，它接收監(jiān)控主機的放電命令，接通放電回路，電池通過負載放電，同時采集模塊將采集每節(jié)電池電壓的變化，在主機中得到了每節(jié)電池內(nèi)阻特性曲線。放電模塊也可作為長時間放電負載，實現(xiàn)對電池容量的核對性測試及整組電池的活化處理。這個系統(tǒng)實現(xiàn)對蓄電池全方面的監(jiān)測和維護管理。

3 應用中存在的問題

蓄電池在線監(jiān)測裝置是電池檢測和維護的一種新手段，尤其對無人值守變電站更加需要，它能夠在第一時間及時發(fā)現(xiàn)蓄電池存在的問題，以減少運行人員和檢修人員的勞動強度。但無論那種類型的蓄電池在線監(jiān)測裝置，在使用中都存在以下下幾個問題，影響了在線監(jiān)測所起的作用，反而增加一些維護工作。

3.1 電池端電壓的測量誤差

根據(jù)規(guī)程的要求，日常測量蓄電池端電壓采用是高精度4位半的數(shù)字萬用表，一般高精度萬用表蓄電池直流電壓檔測量精度為0.7%以上，絕大多數(shù)蓄電池在線裝置產(chǎn)品說明書上提到的測量精度達到了0.5%以上；顯示測量數(shù)值有些蓄電池在線裝置的測量端電壓數(shù)值為小數(shù)點后2位，與規(guī)程要求有較大誤差；有些裝置測量值雖可以到小數(shù)點后3位，但與實際用表測量數(shù)值相差較大。從運行情況看，端電壓在線監(jiān)測的誤差是隨機，每個數(shù)值偏差都不一致，而且偏差值隨著環(huán)境溫度、浮充電壓變化等而變化。表1為現(xiàn)場任意抽查幾個蓄電池浮充電壓，現(xiàn)場測試值與在線測量值的誤差情況，現(xiàn)場測試采用FLUK111數(shù)值萬用表直流檔測量精度0.7%，在線測量為許繼電源公司的WXJ－16型巡檢儀，測試環(huán)境溫度25℃。

表1? 測試值與在線測量值的誤差表



從抽檢的情況看，現(xiàn)場測試值與巡檢儀測量值誤差較大，已經(jīng)不能真實的反映蓄電池單體電壓的情況。電力行業(yè)規(guī)程要求，在25℃時蓄電池浮充電壓為2.23V-2.28V，如果測量誤差超過10 mV，對蓄電池檢測會帶來一定的影響，使一些電壓異常電池無法檢測出來，電壓正常電池會檢測出異常電池。目前，國家和電力行業(yè)對蓄電池在線監(jiān)測這類裝置，沒有制定相關(guān)的標準，各類產(chǎn)品的好壞無從考證。在運行使用時，由于數(shù)據(jù)缺乏真實性，日常維護變電站依然采用人工測試端電壓，蓄電池在線檢測作用大大減弱。

3.2 誤報警

在用的電池巡檢儀誤報警現(xiàn)象比較多，除了因為測量誤差引起的報警，還有比較多的是測量回路故障引起的報警。測量回路接線方式是在每個蓄電池的正、負極接一根采集線，帶保險的一端與電池極柱螺栓連接，另一端接入采集單元。在運行中常常發(fā)現(xiàn)，由于保險管損壞、保險管與連接部分接觸不良，而引起電壓檢測異常而引起報警。絕大部分蓄電池采集部分使用保險采用易損壞的玻璃管，由于玻璃管大小差異，容易出現(xiàn)接觸不良的情況，這些誤報警帶來的維護工作量大大增加，不但沒有減輕勞動強度，反而增加了不少工作。

3.3 內(nèi)阻監(jiān)測問題

蓄電池在線內(nèi)阻監(jiān)測，通過電池向放電模塊瞬時放電，測量電池斷電瞬間的電壓差，計算電池內(nèi)阻（R內(nèi)阻=△V/I），內(nèi)阻測試原理如圖3。由于在線監(jiān)測中出現(xiàn)的端電壓監(jiān)測誤差、放電過程電流波動、斷電前后電壓補捉測量技術(shù)，以及在線連接線電量衰檢等問題，內(nèi)阻在線監(jiān)測精度不高。目前，在國內(nèi)美國ABLER便攜式內(nèi)阻測試儀應用較多，它的在線式內(nèi)阻測試系統(tǒng)測試精度與便攜式相比稍差，但與目前使用的其他產(chǎn)品相比還是要好些。


[圖3 內(nèi)阻測試有理圖]

4 蓄電池在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展

當前，對閥控式鉛酸蓄電池監(jiān)測已逐漸成為一個熱點，尤其是電力系統(tǒng)、電信、移動通信系統(tǒng)對蓄電池在線監(jiān)測技術(shù)提出更高的要求，以滿足重要系統(tǒng)的安全可靠性。蓄電池在線監(jiān)測應從三個方面來提高系統(tǒng)可靠性，一方面監(jiān)測可以保證蓄電池處于正確的運行狀態(tài)，如對于蓄電池過充、欠充狀態(tài)，能給出正確提示或警告。另一方面監(jiān)測可以發(fā)現(xiàn)即將失效的蓄電池，即可監(jiān)測發(fā)現(xiàn)短路、斷路和容量下降蓄電池，以便及時提示處理。第三方面監(jiān)測可以利用在線監(jiān)測功能對蓄電池進行就地維護功能，如對異常的蓄電池進行及時活化處理、進行定期的核對性放電，不需要攜帶許多工具，就可以進行相關(guān)的維護工作，減輕了人員的勞動強度。

蓄電池在線監(jiān)測還可以利用通訊手段進行網(wǎng)絡化管理（如圖4），將幾個站或一地區(qū)的蓄電池監(jiān)測通過光纖進行組網(wǎng)，建立一個實時遠程智能化蓄電池監(jiān)測網(wǎng)絡化管理系統(tǒng)，以實現(xiàn)信息集中和遠程控制，使運行檢修人員、相關(guān)人員和管理決策層能夠通過局域網(wǎng)內(nèi)的任何一個終端用IE瀏覽的方式即可實時掌握各變電站蓄電池的運行情況及其性能變化趨勢，使蓄電池得到及時的維護，同時也為“設(shè)備狀態(tài)檢修”提供可靠依據(jù)，將“定期維護檢修”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盃顟B(tài)檢修”，從而實現(xiàn)對蓄電池的科學化管理，保證系統(tǒng)的可靠、安全運行。



[圖4 蓄電池監(jiān)測網(wǎng)絡化管理系統(tǒng)示意圖]

當然，蓄電池在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展還是要研究高精度的檢測手段，使監(jiān)測的各類參數(shù)量值（端電壓、內(nèi)阻等），能夠達到人工檢測用儀器如高精度萬用表、便攜式內(nèi)阻測試同樣的水平，它是蓄電池在線監(jiān)測技術(shù)生存的基礎(chǔ)，也是廣泛應用的基本條件。另外，監(jiān)測工藝改進也是今后發(fā)展的方向，如蓄電池采集布線要更加合理，以減少線損；采集線接線要簡單方便，減少保險原因引起的誤報警?？傊?，蓄電池在線監(jiān)測本身所具備優(yōu)點，以及更多的擴展功能，廣泛應用將是今后發(fā)展趨勢。

5 結(jié)束語

目前傳統(tǒng)的檢測維護手段存在眾多的缺陷，如：人工測量精度差、易受人為因素影響、實時性（尤其是在放電過程中）和連續(xù)性差等，核對性放電測試雖然落后電池，但一般每年一次，無法在測試前發(fā)現(xiàn)落后電池，也無法保證測試后的一年內(nèi)不出現(xiàn)故障，且工作量很大，因此，傳統(tǒng)的檢測維護手段不但缺少信息的來源，更沒有專業(yè)的綜合分析手段，致使無法及時發(fā)現(xiàn)已發(fā)生的故障和存在的隱患，給生產(chǎn)和安全帶來嚴重威脅。蓄電池在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展使取代傳統(tǒng)的測試手段成為了可能，不但具備監(jiān)測功能，還可實現(xiàn)綜合分析、智能管理，如果能在測試精度方面加以提高，可以在電力系統(tǒng)得到更廣泛使用。