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)出的電壓過高信息可能是由電池過充造成的,難以從電壓在線監(jiān)測(cè)上發(fā)現(xiàn)開路電池。電池離線檢測(cè)能夠通過開路電壓、內(nèi)阻等初步判斷電池是否開路,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)電池開路的風(fēng)險(xiǎn)越大。
本文分析了變電站蓄電池內(nèi)部開路的主要原因,并提出了目前針對(duì)電池開路檢測(cè)的主要方法及預(yù)防措施,為變電站蓄電池開路的預(yù)防提出建議。
1 電池開路的主要原因及檢測(cè)方法
1.1 接條開路及其檢測(cè)方法
如果電池在使用過程中出現(xiàn)部分連接點(diǎn)出現(xiàn)腐蝕氧化等現(xiàn)象,就會(huì)造成開路。例如,在安裝時(shí)沒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),連接條老化斷開也會(huì)使蓄電池開路。連接條開路之前一般會(huì)有一個(gè)漸變的過程,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,在使用過程中,浮充電壓過高,充電電流過大,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、排氣閥開起壓力過低和外部氣壓低等,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)行過程中電池失水或環(huán)境溫度過高會(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的檢測(cè)原理:當(dāng)板柵與匯流排之間出現(xiàn)焊接問題或者腐蝕時(shí),對(duì)于柵板與匯流排部分?jǐn)嚅_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。
但在放電電流超過一定的范圍后,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,一般的電池開路都是一個(gè)長(zhǎng)期作用的過程,只是有些電池開路不容易在現(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程的電壓數(shù)據(jù),并通過數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行建檔存儲(chǔ)。通過橫向?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。