深圳供電局有限公司的研究人員李錦強(qiáng)，在2019年第6期《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出，變電站用閥控式蓄電池在使用過(guò)程中存在開(kāi)路隱患，而基于當(dāng)前的運(yùn)維模式難以檢出。本文分析了變電站蓄電池內(nèi)部開(kāi)路的主要原因，針對(duì)電池的開(kāi)路原因提出相應(yīng)的檢測(cè)方法，并為變電站運(yùn)維人員提出預(yù)防蓄電池開(kāi)路的建議。

變電站蓄電池作為直流系統(tǒng)的最后一道防線，在交流電故障狀態(tài)下，能夠可靠地為站內(nèi)重要的一二次設(shè)備提供電源。保證安全裝置正確動(dòng)作，是保障電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要條件。目前大部分變電站使用的是閥控式鉛酸蓄電池，在經(jīng)過(guò)5～8年的使用后，會(huì)出現(xiàn)容量下降、內(nèi)阻增大并最終失效的情況。

變電站使用的操作電源電壓等級(jí)高，往往是由幾十個(gè)甚至上百個(gè)電池單體串聯(lián)后組成相應(yīng)電壓等級(jí)，也意味著任何一個(gè)單體異常，均會(huì)導(dǎo)致整個(gè)蓄電池組性能急劇下降。特別是當(dāng)單體開(kāi)路時(shí)，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)蓄電池組失效，最終導(dǎo)致嚴(yán)重的變電站事故。

由于電池本身的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及使用維護(hù)等原因，電池失效報(bào)廢的情況時(shí)有發(fā)生，然而由于閥控式鉛酸蓄電池內(nèi)部處于密封環(huán)境，無(wú)法定期對(duì)電池的內(nèi)部狀況進(jìn)行檢視，使得閥控式鉛酸蓄電池存在更大的隱性開(kāi)路風(fēng)險(xiǎn)。國(guó)內(nèi)多起變電站事故，都與直流系統(tǒng)有關(guān)，而蓄電池就是直流系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。

2013年3月南方電網(wǎng)某電網(wǎng)公司220kV變電站交流停電，出現(xiàn)蓄電池組無(wú)法提供直流電源的故障，造成事故擴(kuò)大，后對(duì)故障電池解剖，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有斷裂開(kāi)路的現(xiàn)象。2015年1月某35kV變電站在一次常規(guī)的定期切換試驗(yàn)中，發(fā)生蓄電池開(kāi)路故障，引起全所直流母線失壓，全部保護(hù)退出運(yùn)行。

2015年9月國(guó)家電網(wǎng)某220kV變電站因大雨造成交流停電，因蓄電池組容量不足，在處理故障的過(guò)程中，使直流母線失壓，對(duì)故障電池解剖后發(fā)現(xiàn)內(nèi)部負(fù)匯流排與負(fù)極柱處斷裂明顯，腐蝕嚴(yán)重，如圖1所示。

圖1 電池解剖圖

變電站直流系統(tǒng)蓄電池長(zhǎng)期處于浮充運(yùn)行的工況，電壓巡檢儀上報(bào)出的電壓過(guò)高信息可能是由電池過(guò)充造成的，難以從電壓在線監(jiān)測(cè)上發(fā)現(xiàn)開(kāi)路電池。電池離線檢測(cè)能夠通過(guò)開(kāi)路電壓、內(nèi)阻等初步判斷電池是否開(kāi)路，但是變電站電池離線檢測(cè)只能周期性地進(jìn)行，最多一個(gè)季度檢查一次。兩次檢測(cè)之間的間隔時(shí)間越長(zhǎng)，電池在此期間出現(xiàn)電池開(kāi)路的風(fēng)險(xiǎn)越大。

本文分析了變電站蓄電池內(nèi)部開(kāi)路的主要原因，并提出了目前針對(duì)電池開(kāi)路檢測(cè)的主要方法及預(yù)防措施，為變電站蓄電池開(kāi)路的預(yù)防提出建議。

1 電池開(kāi)路的主要原因及檢測(cè)方法

1.1 接條開(kāi)路及其檢測(cè)方法

如果電池在使用過(guò)程中出現(xiàn)部分連接點(diǎn)出現(xiàn)腐蝕氧化等現(xiàn)象，就會(huì)造成開(kāi)路。例如，在安裝時(shí)沒(méi)有擰緊連接條的螺絲，使得連接條電阻增大，時(shí)間久了就會(huì)燒壞連接條，造成開(kāi)路；蓄電池所處的環(huán)境造成蓄電池連接條被腐蝕，時(shí)間一長(zhǎng)便會(huì)造成開(kāi)路；長(zhǎng)時(shí)間未對(duì)蓄電池進(jìn)行檢查維護(hù)，連接條老化斷開(kāi)也會(huì)使蓄電池開(kāi)路。連接條開(kāi)路之前一般會(huì)有一個(gè)漸變的過(guò)程，若變電站維護(hù)人員定期對(duì)蓄電池組進(jìn)行目視檢測(cè)、衛(wèi)生打掃等作業(yè)，則比較容易發(fā)現(xiàn)。

1.2 電池開(kāi)路原因及檢測(cè)方法

正常2V 300AH電池單體內(nèi)阻一般在0.5m 左右，在放電過(guò)程中因電池內(nèi)阻產(chǎn)生的反向端電壓很小，內(nèi)阻越大，反向端電壓越大。正向端壓降逐漸增大，當(dāng)單節(jié)電池的內(nèi)阻增加到一定值時(shí)，電池的正向端電壓幾乎為0。若內(nèi)阻的進(jìn)一步增大，則會(huì)產(chǎn)生反向電壓，從而影響蓄電池組的對(duì)外放電，導(dǎo)致電池組無(wú)法提供滿足負(fù)載供電的電壓，造成無(wú)可挽回的損失。

閥控式鉛酸蓄電池一旦開(kāi)路失效，電池往往就會(huì)出現(xiàn)正極板柵腐蝕、失水、熱失控、負(fù)極板匯流排腐蝕、硫酸鹽化等故障，這些故障均會(huì)導(dǎo)致蓄電池的內(nèi)阻變大。

1）蓄電池失水及熱失控

失水是閥控鉛酸電池特有的故障，在使用過(guò)程中，浮充電壓過(guò)高，充電電流過(guò)大，會(huì)使氧復(fù)合反應(yīng)效率降低，內(nèi)部壓力增大，氣體排出導(dǎo)致水分損失。此外，電池室溫偏高、排氣閥開(kāi)起壓力過(guò)低和外部氣壓低等，也會(huì)加快電池失水速度。

當(dāng)電池內(nèi)部缺水時(shí)，會(huì)降低參與電化學(xué)反應(yīng)的離子活度，導(dǎo)致電池內(nèi)阻加快上升。而電池組在充電電流、溫度以及失水等多重作用下會(huì)發(fā)生累積性的增強(qiáng)作用，最終導(dǎo)致熱失控，使電池發(fā)生不可逆的損傷。

2）負(fù)極板硫酸鹽化

如果蓄電池組長(zhǎng)期處于欠充狀態(tài)或者在半放電狀態(tài)下長(zhǎng)期儲(chǔ)存，就會(huì)致使負(fù)極板上的活性物質(zhì)硫酸鉛再結(jié)晶而形成堅(jiān)硬而粗大的硫酸鉛。如果硫酸鉛短時(shí)間內(nèi)不能在電池內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，就會(huì)使硫酸鉛失去活性，以后將不能再參與化學(xué)反應(yīng)。粗大的硫酸鉛結(jié)晶附著在活性物質(zhì)的微孔上，阻止硫酸溶液深入與電流傳輸，使蓄電池內(nèi)阻變大，導(dǎo)致蓄電池充放電性能嚴(yán)重惡化。

3）正極板柵腐蝕

在浮充過(guò)程中，由于氧氣的再化合作用，使得整機(jī)板柵的電位比流動(dòng)電解液電池中的電位高，正極板柵處于較高的酸性環(huán)境中，容易使正極板柵受到腐蝕，正極板柵腐蝕是限定電池壽命的重要因素之一。運(yùn)行過(guò)程中電池失水或環(huán)境溫度過(guò)高會(huì)進(jìn)一步提高電池內(nèi)部的電解液比重，加快電池正極板腐蝕的速度，使極板活性物質(zhì)相對(duì)腐蝕前變少了，最終導(dǎo)致電池容量變低。

4）負(fù)極匯流排斷裂

由于負(fù)極發(fā)生氧復(fù)合反應(yīng)，負(fù)極匯流排處呈堿性環(huán)境，使得金屬鉛不斷被腐蝕而形成硫酸鉛，當(dāng)正極板柵受到腐蝕時(shí)，正極上的析氧反應(yīng)加劇，使負(fù)極氧復(fù)合反應(yīng)增大，加劇了負(fù)極匯流排的腐蝕速度，而電解液的失水增加了氧氣的傳遞通道，加劇氧復(fù)合反應(yīng)，同時(shí)也增加電池?zé)崾Э氐娘L(fēng)險(xiǎn)。

由上述分析可以發(fā)現(xiàn)，電池失效的原因往往都不是獨(dú)立存在的，而是相輔相成，并最終都會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)阻增大，容量下降。通常對(duì)于電池內(nèi)阻逐漸增大的電池，可以通過(guò)日常的電壓、內(nèi)阻、核容等檢測(cè)方式檢出。變電站目前蓄電池配置都會(huì)有足夠的冗余，即使容量下降至80%，也還能夠支撐負(fù)載用電。

但是，正極板柵腐蝕導(dǎo)致的板柵斷裂隱患以及負(fù)極匯流排腐蝕導(dǎo)致匯流排斷裂的情況具有一定的突發(fā)性，在正常的電壓、內(nèi)阻、0.1C核容放電的條件下，其電性能值基本能保持正常，一旦交流失電、變電站前期需要較大電流供電時(shí)，已嚴(yán)重腐蝕的匯流排就會(huì)被燒斷，引起蓄電池組開(kāi)路，徹底失去應(yīng)有的功能。

在蓄電池放電的瞬間，電池內(nèi)阻的影響會(huì)產(chǎn)生電壓跌落，包括充滿電解液的隔膜電阻、板柵的歐姆電阻、活性物質(zhì)電阻，以及固-固、固-液接觸面和電解質(zhì)電阻。當(dāng)蓄電池的內(nèi)部性能發(fā)生變化時(shí)，其內(nèi)阻的變化可以通過(guò)電壓跌落的特征曲線來(lái)表征，放電電流越大，電壓偏差值也越大，其特征曲線也會(huì)更加明顯，如圖2所示。

經(jīng)過(guò)6ms的瞬間大電流放電后，容量為標(biāo)稱容量100%的電池，電壓下降的幅度不大；容量為標(biāo)稱容量80%的電池，其電壓最低下降至1.9V；容量為標(biāo)稱容量10%的電池，其電壓下降至1.8V。

圖2 大電流短時(shí)放電的曲線特征

大電流短時(shí)間放電對(duì)板柵與匯流排熔融斷開(kāi)的檢測(cè)原理：當(dāng)板柵與匯流排之間出現(xiàn)焊接問(wèn)題或者腐蝕時(shí)，對(duì)于柵板與匯流排部分?jǐn)嚅_(kāi)的蓄電池，其他柵板需承擔(dān)更大的電流，熔融加速，引起惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致柵板與匯流排的完全斷開(kāi)。

但在放電電流超過(guò)一定的范圍后，就應(yīng)該考慮大電流放電對(duì)電池?fù)p害的問(wèn)題了。通常認(rèn)為將放電電流選在0.3～0.5C以內(nèi)，可以比較好地獲得內(nèi)阻測(cè)試精度，同時(shí)又不會(huì)對(duì)電池造成損傷，因此大電流短時(shí)放電的放電范圍可選擇0.3～0.5C。

1.3 電池開(kāi)路檢測(cè)及分析

根據(jù)上述檢測(cè)方法，對(duì)雙登GFM-400型號(hào)蓄電池進(jìn)行開(kāi)路測(cè)試，選取1個(gè)電池樣本，以120A的電流進(jìn)行10ms的放電，并同時(shí)采集樣本電池電壓隨時(shí)間變化的曲線，如圖3所示。

圖3 樣本電池在大電流放電下電壓的變化曲線

從圖3樣本電池電壓跌落的曲線可以看出，經(jīng)過(guò)大電流放電后，電壓偏差較大，樣本電池電壓下降至1.5V以下，由此判斷，該樣本電池的容量已經(jīng)低于標(biāo)稱容量的10%，內(nèi)部已出現(xiàn)開(kāi)路故障。對(duì)其進(jìn)行解剖分析驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部極柵已經(jīng)出現(xiàn)粉末化，如圖4所示。

圖4 樣本電池解剖圖

2 蓄電池開(kāi)路預(yù)防措施的建議

從上述分析可以看出，排除質(zhì)量原因，一般的電池開(kāi)路都是一個(gè)長(zhǎng)期作用的過(guò)程，只是有些電池開(kāi)路不容易在現(xiàn)有的檢測(cè)機(jī)制下及時(shí)被發(fā)現(xiàn)。隨著變電站無(wú)人值守的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)電池開(kāi)路的預(yù)防提出更高的要求。

1）定期對(duì)蓄電池用大電流短時(shí)放電，并對(duì)各電池單體電壓進(jìn)行在線錄波，一方面通過(guò)放電數(shù)據(jù)能夠計(jì)算電池內(nèi)阻，對(duì)電池進(jìn)行性能判斷；另一方面可以對(duì)電池的負(fù)載能力特征進(jìn)行檢查。篩查隱性開(kāi)路電池，建議在線放電電流不小于本地負(fù)載電流的最大值。

2）擯棄傳統(tǒng)的閥控式鉛酸電池“密封”、“免維護(hù)”的概念，在蓄電池運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)容量下降的趨勢(shì)時(shí)，考慮采用添加修復(fù)液進(jìn)行充放電活化修復(fù)等手段，使蓄電池容量得到恢復(fù)，電池內(nèi)阻恢復(fù)至出廠水平，緩解電池內(nèi)部正極板柵腐蝕、電解液干涸、負(fù)極匯流排腐蝕等速度。

3）嚴(yán)格執(zhí)行定期對(duì)蓄電池組的核對(duì)性年度容量測(cè)試，并全程監(jiān)測(cè)電池組及各電池單體充放電過(guò)程的電壓數(shù)據(jù)，并通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行建檔存儲(chǔ)。通過(guò)橫向?qū)Ρ日M電池各電池單體電壓的曲線篩選電池組中的異常電池的進(jìn)一步測(cè)試，以及縱向?qū)Ρ葐蝹€(gè)電池時(shí)間軸上的電壓變化趨勢(shì)，對(duì)電池性能變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)判。

結(jié)論

變電站直流系統(tǒng)用閥控式鉛酸蓄電池的“免維護(hù)”只是針對(duì)開(kāi)口式電池?zé)o需定期加水進(jìn)行維護(hù)而言的，我們?cè)诶硇钥创涫褂脙?yōu)勢(shì)的同時(shí)，還要正視存在的新的安全隱患。蓄電池的開(kāi)路檢測(cè)是蓄電池維護(hù)相關(guān)人員的一項(xiàng)持續(xù)的、重要的工作，在直流系統(tǒng)交流停電時(shí)，才能真正發(fā)揮其應(yīng)急供電的作用，一旦開(kāi)路或失效，就會(huì)帶來(lái)不可挽回的損失。