變電站目前普遍使用的閥控式鉛酸（valve- regulated lead acid, VRLA）免維護(hù)蓄電池，具有許多優(yōu)良特性，如工作可靠、基本無污染、安裝方便、易維護(hù)，適合在變電站中為各種電路系統(tǒng)提供可靠的直流電源。然而由于電池本身的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝及使用維護(hù)等原因，電池失效現(xiàn)象常有發(fā)生，其使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于預(yù)期壽命，嚴(yán)重影響了直流系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

鉛酸蓄電池經(jīng)過一段時(shí)間使用以后，隨著極板腐蝕、有效活性物質(zhì)脫落、失水以及硫酸鹽化（sulfuration）等原因的影響，其容量不可避免地逐漸降低，稍不注意就可能導(dǎo)致單個(gè)電池失效、整組電池開路。并且蓄電池失效帶有一定的隱蔽性，電池組絕大部分時(shí)間會(huì)處于備用的浮充狀態(tài)下，需要通過監(jiān)測蓄電池一些技術(shù)指標(biāo)來考量蓄電池的品質(zhì)與狀態(tài)。

但是，有些蓄電池的負(fù)面狀態(tài)不能被直接檢測出來，例如負(fù)極匯流排的腐蝕。在浮充狀態(tài)下，因充電電流很小，匯流排保持連接，浮充電壓基本能保持正常值，一旦交流電失電需要大電流放電時(shí)，已嚴(yán)重腐蝕的負(fù)極匯流排會(huì)被燒斷，進(jìn)而引起蓄電池組開路，防不勝防。

針對(duì)上述存在的問題，本文分析目前國內(nèi)外常見的開路續(xù)流應(yīng)對(duì)方法及其不足，提出一種變電站蓄電池組開路續(xù)流應(yīng)對(duì)的新思路，保障直流供電系統(tǒng)的安全性和可靠性。

1 現(xiàn)有蓄電池開路續(xù)流應(yīng)對(duì)方式

目前國內(nèi)變電站蓄電池開路續(xù)流的應(yīng)對(duì)方式是在單節(jié)蓄電池正負(fù)極極柱上安裝跨接模塊，當(dāng)交流失電、蓄電池組對(duì)外供電時(shí)，若電池失效，可通過大電流跨接模塊確保電池組能夠?qū)ν獬掷m(xù)供電，提升直流電源系統(tǒng)的安全可靠性。

1.1 續(xù)流二極管跨接模式

變電站蓄電池組開路保護(hù)續(xù)流方法使用最廣泛的是通過在單節(jié)蓄電池正負(fù)極極柱上并聯(lián)續(xù)流二極管，以達(dá)到單節(jié)蓄電池開路后保證整組蓄電池的持續(xù)供電能力，主回路接線圖如圖1所示。

在正常的情況下，充電機(jī)保持對(duì)蓄電池組充電，電流方向如i1所示，當(dāng)充電電流流經(jīng)蓄電池正極柱時(shí)，因蓄電池正極柱連接的是續(xù)流二極管的負(fù)極，按照二極管的單向?qū)ㄌ匦裕藭r(shí)并聯(lián)的續(xù)流二極管回路處于高電阻阻斷模式，因此，蓄電池組正常充電且不會(huì)受到續(xù)流二極管回路的干擾。

圖1

當(dāng)交流電失電，電池組對(duì)負(fù)載供電時(shí)，回路電流方向如i2所示，這時(shí)回路電流由電池負(fù)極柱流入、正極柱流出。在單節(jié)電池健康的情況下，由于電池正極柱電勢比負(fù)極柱高，續(xù)流二極管負(fù)極電勢高于正極，此時(shí)二極管依舊處于阻斷模式，電池組保持正常放電；電池組放電期間，假設(shè)單節(jié)電池Bi開路，電池Bi◆1負(fù)極與Bi+1正極之間就相當(dāng)于只串聯(lián)了一只續(xù)流二極管VDi，如圖2所示，此時(shí)VDi因兩側(cè)正壓而導(dǎo)通，使電池組保持對(duì)負(fù)載的供電。

圖2

并聯(lián)續(xù)流二極管應(yīng)對(duì)蓄電池組開路續(xù)流隱患的響應(yīng)時(shí)間一般為微秒級(jí)，能成功實(shí)現(xiàn)單節(jié)蓄電池開路時(shí)蓄電池組放電的不間斷，但同時(shí)存在局限性：

• ①因未擰緊連接線的螺絲或連接條腐蝕后電阻增大被燒壞而造成的開路，并聯(lián)續(xù)流二極管無法改變電池組的開路狀態(tài)；
• ②電池組開路后，二極管導(dǎo)通方向與電池充電電流反向，電池組無法充電，在電池本身自放電或容量低的情況下存在極大的隱患；
• ③當(dāng)二極管承擔(dān)開路續(xù)流的重任時(shí)，會(huì)在二極管兩側(cè)形成固定壓差◆V，◆V為充電機(jī)充電電壓V1與電池組開路電壓V2的差值，迫使電池組監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)耐壓值大幅度提升，極大地增加了整體設(shè)備的成本。

1.2 MOS管跨接模式

目前還有一種針對(duì)蓄電池開路的續(xù)流方法是在單節(jié)蓄電池正負(fù)極柱上并聯(lián)背靠背的兩個(gè)N型MOS管，結(jié)合控制模塊及蓄電池監(jiān)測模塊，進(jìn)行遠(yuǎn)程主動(dòng)跨接，同時(shí)屏蔽劣化蓄電池，完成開路續(xù)流操作，基本原理圖如圖3所示。

圖3

在正常情況下，監(jiān)測模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測蓄電池電氣參數(shù)，控制模塊接收監(jiān)測模塊的數(shù)據(jù)并判定蓄電池正常后選擇不動(dòng)作，背靠背的兩個(gè)N型MOS管均呈現(xiàn)高阻態(tài)，從而阻隔蓄電池兩側(cè)的電流，使蓄電池組正常充電及放電。當(dāng)控制模塊接收監(jiān)測信息判定蓄電池i劣化嚴(yán)重或開路時(shí)，給N型MOS管VDi◆1與VDi◆2同時(shí)施加相同的開啟信號(hào)，兩個(gè)MOS管同時(shí)導(dǎo)通，Bi被短路，相當(dāng)于蓄電池組中屏蔽了Bi，其余的單體蓄電池沒有變化，可以繼續(xù)對(duì)整組電池進(jìn)行充電和放電。

并聯(lián)MOS管相比續(xù)流二極管，可以設(shè)定蓄電池劣化或開路后即進(jìn)行跨接續(xù)流，具有更大的靈活性，但也存在一些隱患：

• ①對(duì)于電池之間連接線或連接條造成的開路，同樣無法保證電池組的開路續(xù)流；
• ②當(dāng)蓄電池開路時(shí)，需要經(jīng)過采集、判斷、控制、動(dòng)作等一系列流程后方可完成蓄電池組的續(xù)流，響應(yīng)時(shí)間較長，很難做到使蓄電池組不間斷對(duì)負(fù)載放電；
• ③蓄電池具備電化學(xué)特點(diǎn)，通過在線參數(shù)監(jiān)測即判定蓄電池的好壞，既不科學(xué)，又存在誤判的概率，將導(dǎo)致健康電池被短接的情況發(fā)生；
• ④開路電池被旁路時(shí)，如果未能及時(shí)調(diào)整充電電壓，則使整組電池處于過充狀態(tài)而加速劣化；
• ⑤整套設(shè)備組成復(fù)雜、數(shù)量龐大，自身故障的可能性也很大。

2 蓄電池開路續(xù)流應(yīng)對(duì)的新思路

針對(duì)變電站蓄電池開路故障的危害性及傳統(tǒng)應(yīng)對(duì)方式的局限性，本文提出一種變電站蓄電池組開路續(xù)流應(yīng)對(duì)的新思路，原理圖如圖4所示。在變電站兩個(gè)獨(dú)立的直流系統(tǒng)母線之間接入新蓄電池開路續(xù)流裝置，當(dāng)一側(cè)直流系統(tǒng)出現(xiàn)蓄電池開路且交流電失電時(shí)，由另一端直流系統(tǒng)無縫供電，達(dá)到蓄電池組開路續(xù)流的效果。

圖4

2.1 新思路的實(shí)現(xiàn)原理

目前變電站中大多有兩個(gè)相互隔離的直流系統(tǒng)，在母聯(lián)刀閘未連接的時(shí)候，兩個(gè)直流系統(tǒng)相互獨(dú)立運(yùn)行。將本文中的新蓄電池開路續(xù)流裝置兩側(cè)各自接入變電站兩個(gè)直流系統(tǒng)母線，一旦某側(cè)母線失壓，則DC/DC模塊自動(dòng)起動(dòng)，由另一端直流系統(tǒng)提供備用供電，維持故障側(cè)負(fù)載的供電。

若新開路續(xù)流裝置檢測到故障側(cè)母線失壓時(shí)伴隨著大電流沖擊，則判斷該直流系統(tǒng)發(fā)生短路故障，并通過調(diào)節(jié)模塊停止通過DC/DC模塊進(jìn)行備用供電，防止事故擴(kuò)大。

由于新開路續(xù)流裝置的接入，相當(dāng)于在兩個(gè)直流系統(tǒng)之間架起了一座可以調(diào)節(jié)高度的直通橋梁，能夠快速響應(yīng)并向?qū)Χ酥绷飨到y(tǒng)輸出緊急備用直流電，達(dá)到無縫供電的目的。再者，裝置實(shí)現(xiàn)物理隔離式雙向DC/DC輸入輸出，可以保證直流系統(tǒng)之間的獨(dú)立性，以免產(chǎn)生環(huán)流現(xiàn)象，大大提高了整個(gè)變電站直流系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。并且因?yàn)樵O(shè)備可以安裝在19in標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架內(nèi)，不占用多余的空間，也不影響蓄電池組的固有接線方式。

2.2 不間斷續(xù)流測試驗(yàn)證

為驗(yàn)證新蓄電池開路續(xù)流裝置在變電站直流系統(tǒng)之間可以進(jìn)行無縫供電，在實(shí)驗(yàn)室搭建兩個(gè)各自獨(dú)立的直流系統(tǒng)，命名為直流系統(tǒng)A、直流系統(tǒng)B，兩個(gè)直流系統(tǒng)均包含充電機(jī)、蓄電池組及負(fù)載。

模擬演示之前，直流系統(tǒng)A母線電壓為235V，負(fù)載電流為18.5A，蓄電池開路續(xù)流裝置設(shè)置直流系統(tǒng)B對(duì)直流系統(tǒng)A的續(xù)流輸出電壓為204V。隨后，先斷開直流系統(tǒng)A中充電機(jī)與蓄電池組的連接開關(guān)，接著斷開直流系統(tǒng)A中交流輸入開關(guān)，用示波器觀察直流系統(tǒng)A母線上的電壓變化，如圖5所示，最大壓降小于5V，能夠滿足對(duì)直流負(fù)載的不間斷供電需求。

圖5

通過上述實(shí)驗(yàn)?zāi)M一側(cè)直流母線失壓、對(duì)端母線啟動(dòng)備用供電時(shí)，失電側(cè)母線電壓的變化情況，為直流系統(tǒng)之間無縫備電可行性提供了充分的證明材料，也驗(yàn)證了該新思路能夠完美應(yīng)對(duì)變電站蓄電池組開路及直流系統(tǒng)交流輸入失電的雙重故障。

3 結(jié)論

針對(duì)變電站蓄電池存在的開路問題，本文提出一種新的蓄電池開路續(xù)流應(yīng)對(duì)思路，使兩段直流母線之間相互備用，提高變電站蓄電池以及整個(gè)直流系統(tǒng)的安全性，降低因變電站的直流系統(tǒng)蓄電池開路導(dǎo)致的失電風(fēng)險(xiǎn)，比現(xiàn)有技術(shù)具有較大的優(yōu)勢。