蓄電池在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在變電站的應(yīng)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(wèn)題，供電系統(tǒng)將面臨癱瘓，造成設(shè)備停運(yùn)及其它重大運(yùn)行事故。近年隨著閥控式密封鉛酸蓄電池（以下簡(jiǎn)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(shí)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(wú)法準(zhǔn)確掌握蓄電池的健康狀況，其“免維護(hù)”的這一優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為電池運(yùn)行管理中的缺點(diǎn)和難點(diǎn)。在提高電池性能，減少維護(hù)工作量的同時(shí)，如何快捷有效地檢測(cè)出早期失效電池并預(yù)測(cè)蓄電池性能變化趨勢(shì)已成為電池運(yùn)行管理的新課題。目前除了核對(duì)性放電、測(cè)端電壓等常規(guī)維護(hù)檢測(cè)手段外，隨著技術(shù)的發(fā)展一些新的檢測(cè)手段孕育而生，蓄電池在線監(jiān)測(cè)這一新檢測(cè)技術(shù)開(kāi)始逐步運(yùn)用到電力系統(tǒng)。

2?蓄電池在線監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)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(cè)裝置是電池巡檢儀，電池巡檢儀又分為兩種，一種是測(cè)量蓄電池單體電壓的巡檢儀，結(jié)構(gòu)是由一個(gè)主控模塊和數(shù)個(gè)采集模塊組成，主模塊接收監(jiān)控器的命令，發(fā)送電池?cái)?shù)據(jù)到直流設(shè)備的監(jiān)控器；采集模塊中每個(gè)模塊采集10～20節(jié)電池的電壓、電流和溫度；通過(guò)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(hào)且給出報(bào)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(shí)它是選配裝置，由于功能單一、不能測(cè)試容量、且測(cè)量精度差、容易誤報(bào)，限制了它的廣泛使用。測(cè)試示意圖如圖1：



[圖1 電池巡檢儀測(cè)試示意圖]

另外一種是智能巡檢儀。智能巡檢儀除了能測(cè)量蓄電池的單體電壓，還具有測(cè)量和顯示整組蓄電池的容量以及進(jìn)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(jī)和電池采集模塊組成，主機(jī)可直接放置在蓄電池室內(nèi)，數(shù)據(jù)顯示和報(bào)警功能可通過(guò)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(cè)部分同樣誤差較大、容易誤報(bào)；容量監(jiān)測(cè)，它是在電池放電和充電狀態(tài)時(shí)測(cè)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(lái)分析電池的特性；通過(guò)內(nèi)阻與端電壓在充放電時(shí)產(chǎn)生的變化來(lái)分析電池容量，當(dāng)蓄電池組在放電時(shí)內(nèi)阻越大其端電壓越低，而充電時(shí)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(jì)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(jì)算出電池組的容量。由于運(yùn)行中，充放電電流是變化的，內(nèi)阻不是一個(gè)恒定值，其計(jì)算分析出的容量不是很準(zhǔn)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(duì)蓄電池容量下降很難發(fā)現(xiàn)，即時(shí)能夠監(jiān)測(cè)容量，與真實(shí)容量有很大的差距。隨著人們對(duì)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(gè)重要指標(biāo)，內(nèi)阻檢測(cè)成為電池維護(hù)一個(gè)重要手段。內(nèi)阻跟蓄電池容量之間沒(méi)有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)關(guān)系，無(wú)法根據(jù)單個(gè)電池的內(nèi)阻值去預(yù)測(cè)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(guò)對(duì)內(nèi)阻測(cè)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(shì)和壽命情況。人工進(jìn)行內(nèi)阻測(cè)試耗時(shí)，測(cè)試數(shù)據(jù)少，一般要求一年一次，測(cè)試數(shù)據(jù)不能及時(shí)存儲(chǔ)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(cè)，并采用現(xiàn)代的通訊和計(jì)算機(jī)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池的運(yùn)行參數(shù)（電壓、電流、溫度）、定時(shí)自動(dòng)測(cè)試電池內(nèi)阻、靜態(tài)放電測(cè)量電池容量、綜合測(cè)量判斷電池性能及變化趨勢(shì)以及顯示報(bào)警功能，系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(gè)系統(tǒng)增加了一個(gè)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(jī)的放電命令，接通放電回路，電池通過(guò)負(fù)載放電，同時(shí)采集模塊將采集每節(jié)電池電壓的變化，在主機(jī)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(zhǎng)時(shí)間放電負(fù)載，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池容量的核對(duì)性測(cè)試及整組電池的活化處理。這個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池全方面的監(jiān)測(cè)和維護(hù)管理。

3 應(yīng)用中存在的問(wèn)題

蓄電池在線監(jiān)測(cè)裝置是電池檢測(cè)和維護(hù)的一種新手段，尤其對(duì)無(wú)人值守變電站更加需要，它能夠在第一時(shí)間及時(shí)發(fā)現(xiàn)蓄電池存在的問(wèn)題，以減少運(yùn)行人員和檢修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。但無(wú)論那種類型的蓄電池在線監(jiān)測(cè)裝置，在使用中都存在以下下幾個(gè)問(wèn)題，影響了在線監(jiān)測(cè)所起的作用，反而增加一些維護(hù)工作。

3.1 電池端電壓的測(cè)量誤差

根據(jù)規(guī)程的要求，日常測(cè)量蓄電池端電壓采用是高精度4位半的數(shù)字萬(wàn)用表，一般高精度萬(wàn)用表蓄電池直流電壓檔測(cè)量精度為0.7%以上，絕大多數(shù)蓄電池在線裝置產(chǎn)品說(shuō)明書上提到的測(cè)量精度達(dá)到了0.5%以上；顯示測(cè)量數(shù)值有些蓄電池在線裝置的測(cè)量端電壓數(shù)值為小數(shù)點(diǎn)后2位，與規(guī)程要求有較大誤差；有些裝置測(cè)量值雖可以到小數(shù)點(diǎn)后3位，但與實(shí)際用表測(cè)量數(shù)值相差較大。從運(yùn)行情況看，端電壓在線監(jiān)測(cè)的誤差是隨機(jī)，每個(gè)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(chǎng)任意抽查幾個(gè)蓄電池浮充電壓，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值與在線測(cè)量值的誤差情況，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采用FLUK111數(shù)值萬(wàn)用表直流檔測(cè)量精度0.7%，在線測(cè)量為許繼電源公司的WXJ－16型巡檢儀，測(cè)試環(huán)境溫度25℃。

表1? 測(cè)試值與在線測(cè)量值的誤差表



從抽檢的情況看，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值與巡檢儀測(cè)量值誤差較大，已經(jīng)不能真實(shí)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(shí)蓄電池浮充電壓為2.23V-2.28V，如果測(cè)量誤差超過(guò)10 mV，對(duì)蓄電池檢測(cè)會(huì)帶來(lái)一定的影響，使一些電壓異常電池?zé)o法檢測(cè)出來(lái)，電壓正常電池會(huì)檢測(cè)出異常電池。目前，國(guó)家和電力行業(yè)對(duì)蓄電池在線監(jiān)測(cè)這類裝置，沒(méi)有制定相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，各類產(chǎn)品的好壞無(wú)從考證。在運(yùn)行使用時(shí)，由于數(shù)據(jù)缺乏真實(shí)性，日常維護(hù)變電站依然采用人工測(cè)試端電壓，蓄電池在線檢測(cè)作用大大減弱。

3.2 誤報(bào)警

在用的電池巡檢儀誤報(bào)警現(xiàn)象比較多，除了因?yàn)闇y(cè)量誤差引起的報(bào)警，還有比較多的是測(cè)量回路故障引起的報(bào)警。測(cè)量回路接線方式是在每個(gè)蓄電池的正、負(fù)極接一根采集線，帶保險(xiǎn)的一端與電池極柱螺栓連接，另一端接入采集單元。在運(yùn)行中常常發(fā)現(xiàn)，由于保險(xiǎn)管損壞、保險(xiǎn)管與連接部分接觸不良，而引起電壓檢測(cè)異常而引起報(bào)警。絕大部分蓄電池采集部分使用保險(xiǎn)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(bào)警帶來(lái)的維護(hù)工作量大大增加，不但沒(méi)有減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，反而增加了不少工作。

3.3 內(nèi)阻監(jiān)測(cè)問(wèn)題

蓄電池在線內(nèi)阻監(jiān)測(cè)，通過(guò)電池向放電模塊瞬時(shí)放電，測(cè)量電池?cái)嚯娝查g的電壓差，計(jì)算電池內(nèi)阻（R內(nèi)阻=△V/I），內(nèi)阻測(cè)試原理如圖3。由于在線監(jiān)測(cè)中出現(xiàn)的端電壓監(jiān)測(cè)誤差、放電過(guò)程電流波動(dòng)、斷電前后電壓補(bǔ)捉測(cè)量技術(shù)，以及在線連接線電量衰檢等問(wèn)題，內(nèi)阻在線監(jiān)測(cè)精度不高。目前，在國(guó)內(nèi)美國(guó)ABLER便攜式內(nèi)阻測(cè)試儀應(yīng)用較多，它的在線式內(nèi)阻測(cè)試系統(tǒng)測(cè)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(cè)試有理圖]

4 蓄電池在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展

當(dāng)前，對(duì)閥控式鉛酸蓄電池監(jiān)測(cè)已逐漸成為一個(gè)熱點(diǎn)，尤其是電力系統(tǒng)、電信、移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)蓄電池在線監(jiān)測(cè)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(cè)應(yīng)從三個(gè)方面來(lái)提高系統(tǒng)可靠性，一方面監(jiān)測(cè)可以保證蓄電池處于正確的運(yùn)行狀態(tài)，如對(duì)于蓄電池過(guò)充、欠充狀態(tài)，能給出正確提示或警告。另一方面監(jiān)測(cè)可以發(fā)現(xiàn)即將失效的蓄電池，即可監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)短路、斷路和容量下降蓄電池，以便及時(shí)提示處理。第三方面監(jiān)測(cè)可以利用在線監(jiān)測(cè)功能對(duì)蓄電池進(jìn)行就地維護(hù)功能，如對(duì)異常的蓄電池進(jìn)行及時(shí)活化處理、進(jìn)行定期的核對(duì)性放電，不需要攜帶許多工具，就可以進(jìn)行相關(guān)的維護(hù)工作，減輕了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

蓄電池在線監(jiān)測(cè)還可以利用通訊手段進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化管理（如圖4），將幾個(gè)站或一地區(qū)的蓄電池監(jiān)測(cè)通過(guò)光纖進(jìn)行組網(wǎng)，建立一個(gè)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程智能化蓄電池監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)信息集中和遠(yuǎn)程控制，使運(yùn)行檢修人員、相關(guān)人員和管理決策層能夠通過(guò)局域網(wǎng)內(nèi)的任何一個(gè)終端用IE瀏覽的方式即可實(shí)時(shí)掌握各變電站蓄電池的運(yùn)行情況及其性能變化趨勢(shì)，使蓄電池得到及時(shí)的維護(hù)，同時(shí)也為“設(shè)備狀態(tài)檢修”提供可靠依據(jù)，將“定期維護(hù)檢修”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盃顟B(tài)檢修”，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的科學(xué)化管理，保證系統(tǒng)的可靠、安全運(yùn)行。



[圖4 蓄電池監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng)示意圖]

當(dāng)然，蓄電池在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展還是要研究高精度的檢測(cè)手段，使監(jiān)測(cè)的各類參數(shù)量值（端電壓、內(nèi)阻等），能夠達(dá)到人工檢測(cè)用儀器如高精度萬(wàn)用表、便攜式內(nèi)阻測(cè)試同樣的水平，它是蓄電池在線監(jiān)測(cè)技術(shù)生存的基礎(chǔ)，也是廣泛應(yīng)用的基本條件。另外，監(jiān)測(cè)工藝改進(jìn)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(jiǎn)單方便，減少保險(xiǎn)原因引起的誤報(bào)警?？傊铍姵卦诰€監(jiān)測(cè)本身所具備優(yōu)點(diǎn)，以及更多的擴(kuò)展功能，廣泛應(yīng)用將是今后發(fā)展趨勢(shì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前傳統(tǒng)的檢測(cè)維護(hù)手段存在眾多的缺陷，如：人工測(cè)量精度差、易受人為因素影響、實(shí)時(shí)性（尤其是在放電過(guò)程中）和連續(xù)性差等，核對(duì)性放電測(cè)試雖然落后電池，但一般每年一次，無(wú)法在測(cè)試前發(fā)現(xiàn)落后電池，也無(wú)法保證測(cè)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(cè)維護(hù)手段不但缺少信息的來(lái)源，更沒(méi)有專業(yè)的綜合分析手段，致使無(wú)法及時(shí)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(lái)嚴(yán)重威脅。蓄電池在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展使取代傳統(tǒng)的測(cè)試手段成為了可能，不但具備監(jiān)測(cè)功能，還可實(shí)現(xiàn)綜合分析、智能管理，如果能在測(cè)試精度方面加以提高，可以在電力系統(tǒng)得到更廣泛使用。