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蓄电池故障预警装置在变电站的应用
[ 通信界 / 邢锋,沈启鹏,童国道 / www.cntxj.net / 2011/2/11 11:59:06 ]
 
一、引言
  在电力系统和计算机网络高度发达的社会,为避免电力异常带来的服务中断,除尽可能提高供电系统可靠性外,在很多场合都使用蓄电池来提供不间断电源供应,避免意外停电带来的影响,在电力系统内部的直流供电系统中更是大量使用蓄电池。
  电力系统中使用最多的蓄电池是阀控铅酸蓄电池(Valve Regulated Lead Acid Battery—下面简称VRLAB),它也是目前最为广泛应用的蓄电池。
  VRLAB采用了阴极吸收技术,因而在运行中无需加水维护,在进入市场的初期,VRLAB被称为“免维护”电池,而且宣称使用寿命可达到10-15年。VRLAB的出现给整个蓄电池行业带来了一场革命,引发各行各业特别是电力与通信行业对VRLA电池的巨大需求。
  在经过十年多的VRLAB的大量应用过程中,VRLAB显露了一些缺点,其使用寿命并没有达到人们的预期。有关资料表明,VRLAB在使用3-4年后,很大一部分电池组就难以通过容量检测,少数能超过6年。在实际使用中,只有很少用户能够真正具备条件定期检查蓄电池并对蓄电池作定期容量测试,很多情况下是在市电停电后才发现蓄电池损坏或放电容量达不到设计要求,因此造成的停电损失巨大。
  海南电网海口供电局下属变电站中分布了各类VRLAB两万多节。在实际的使用过程中,很多蓄电池在使用了4-5年后都不能通过核对性容量放电。为了提高海口供电局维护蓄电池的能力,有效延长蓄电池的使用寿命。海口供电局于2009年1月在下辖220kV变电站采用了由鼎尔特公司开发的DLT_B8500型蓄电池故障预警装置,帮助维护人员掌握蓄电池的性能情况,及时更换落后蓄电池
二、测量原理
  测量阀控鉛酸蓄电池端电压无法反映电池的实际容量特性,而通过测量内阻能够立即判断严重失效的电池或存在连接问题的电池,给出报警信息。阻抗分析是电化学研究中的常用方法,是电池性能研究和产品设计的必要手段。
  备用场合使用的VRLAB一般容量很大,在几十到数千安时,电池的内阻值很小,随电池容量的增大,内阻减小,例如3000Ah的电池,其内阻值一般在30-50微欧。由于阻值低,电池正负极输出直流电压,要准确测量内阻是有一定难度的,尤其是在线测量时电池端存在充电纹波和负载变动时的动态变化。采用交变频谱法测量有效的解决了由于充电机纹波和负载变动造成的测量不准的问题。
  当使用受控电流时,ΔI = Imax Sin(2πft),产生的电压响应为:
ΔV = Vmax Sin(2πft + φ)
  若使用受控电压激励,ΔV = Vmax Sin(2πft),产生的电流响应为:
ΔI = Vmax Sin(2πft - φ)
  两种情况的阻抗均为:
  即阻抗是与频率有关的复阻抗,其模 |Z|= Vmax/Imax, 相角为φ。
  从理论上讲,向电池馈入一个交流电流信号,测量由此信号产生的电压变化即可测得电池的内阻。
R = Vav/Iav
式中 Vav----为检测到交流信号的平均值;
Iav ---- 为馈入交流信号的平均值
  在实际使用中,由于馈入信号的幅值有限,电池的内阻在微欧或毫欧级,因此,产生的电压变化幅值也在微欧级,信号容易受到干扰。尤其是在线测量时,受到的影响更大,采用基于数字滤波器的内阻测量技术和同步检波方法可以部分克服外界干扰,获得比较稳定的内阻数据。
同步检波方法电路结构简单,如图-1所示,由时钟触发同步激励信号和检波电路的相位。

  从测量准确度和测量方法上来说,此法不仅可以准确测量出蓄电池的欧姆电阻,而且还可以测量出蓄电池的极化电阻,客观的反应了蓄电池的容量和寿命的综合指标,是国际上认可的方法。
 
三、硬件配置
  装置由控制单元、检测模块、内阻模块、相关软件和辅助部件构成,一个控制单元可接入多个检测模块,完成对不同只数和不同电压规格的蓄电池组的监测管理。
  装置原理图如图2所示:
  控制单元,用于数据传输、处理和人机界面操作,具有远程(集中)管理RS-485(RS-232)接口、检测模块控制口、操作键盘、汉化(或英文,因规格型号而异)显示面板、声光报警及报警输出接点。控制单元实时显示电池数据,智能分析数据,对异常的电池运行情况进行及时报警。
通过总线结构控制检测模块工作,收集检测模块采集的数据,本单元对发生的事件进行判断处理并发出声光报警,完成数据的信号、存储和查询功能,这些功能供运行人员进行现场事件处理使用。
  检测单元,完成数据采集,并将数据传给控制模块。高精度、高时效的数据采集模块采用模块化设计方案,兼顾了专用化与通用化原则,配置灵活,根据采样点种类及规模的需求,各个模块可单独使用,亦可自由组合,能适应不同的监测场合。
  内单元,在需要进行内阻检测的场合,内阻模块与检测模块配合使用。
内阻模块与系统的分布式结构相适应,接受检测模块的调度。它发出对电池组的激励信号,由于使用了特殊的技术进行激励,不会对在线运行的设备造成任何不利影响。
四、实施方案
  本次应用选择了海口供电局下属的永庄220kV变电站的2组蓄电池组,每节电池标称电压为2V,标称容量为300AH。每组合计108节电池。
  每两组电池配用了一个控制单元,每一组电池配用三个检测单元和一个内阻单元。由于每个检测单元可以采集的电池数量最多可达36节,所以配置了三个检测单元。在检修所里,放置了一台服务器。
  服务器内装有后台数据采样服务程序,只要服务器打开,就能够实时的把安装在现场的DLT_B8500型蓄电池寿命及故障预警装置采集到的数据远传到服务器中,服务器再把每次远传的数据存入后台数据库中,以备后期维护时调用查看。
  同时在服务器中还安装了前台监测软件,可以实时显示运行主画面、图形数据等窗口完成对蓄电池的监视。能实时查看到蓄电池组的运行参数和性能参数,有异常现象时实时显示蓄电池的报警类型。另外,还具有蓄电池性能及测试数据分析功能,直观地了解蓄电池的性能变化状况,便于更好地对蓄电池的变化趋势作出准确的预测。
  放电数据分析功能具有对蓄电池放电过程的电压等数据记录功能,形成每个蓄电池的放电曲线,利用放电曲线可以更精确地分析了解蓄电池的性能状况。不用到现场就能够及时准确的了解到蓄电池的各项参数指标。
 
五、现场试验
  经过对变电站蓄电池各种参数数据的收集,我们可以实时掌握蓄电池的性能状态。

  从图3和图4来看,两组蓄电池组单体电池的浮充电压一致性较好。
  蓄电池处于不同的状态,其内阻值也是有差异的。图5是把1#蓄电池组作为测试对象,数值较高的数据是在浮充状态下测得的,停止浮充、转入放电后电池内阻变小。变化幅度均匀,平均为6.5%,可以解释为浮充状态下极化内阻的影响。
  图6是2#蓄电池组接近10小时率放电时的电压变化和内阻变化曲线。由图6的数据可知,电池进入放电状态后,内阻由浮充状态的值下降到某稳定值,此数值在电池放电的平台期稳定上升,放电容量达到80%后,内阻急剧上升。转入充电后,内阻很快恢复到正常数值。
  蓄电池的不同失效模式反映在内阻变化的幅值并不一样。为此找了2只原先使用的不同劣化程度的电池和1只新电池做了对比试验,图7是不同劣化模式下的电池放电曲线。通过对比试验可以发现不同劣化程度蓄电池内阻的变化幅度。从输出容量的大小排列,依次为新电池、极板腐蚀后电池、失水后电池。
 
六、结论
  1)电池的运行参数主要受充电机的控制,尤其是电池的浮充电压,直接影响电池的浮充使用寿命。世界最好的电池也不能长期工作在偏高(或偏低)的浮充电压下。浮充电压的测量要求对精度要求非常高。综合分析能够发现电池组运行中发生的超越电池参数极限的事件,这些事件包括:充电电流过大、放电电流过大、电池组浮充电压高、电池组浮充电压低、电池组过放电、单电池浮充电压高、单电池浮充电压低、单电池过放电。通过技术改造,避免了以后维护不当造成的蓄电池性能衰减的情况发生。
  2)电池监测除发现电池的运行条件异常外,最重要的是要及时预报电池失效。在线测量每个单电池的内阻是现代蓄电池检测技术的创新点,测量准确度直接关系到分析的准确度。内阻的变化可以当作电池性能或者说容量变化的指示。明显的内阻变化表明蓄电池有大的性能改变,但这个变化幅度可能跟不同厂家的电池有关。针对试验研究的结果,我局目前将蓄电池内阻变化率超过平均值20%后,即纳入重点检查范围。
  3)通过全面研究蓄电池运行特点,并具备了有效监测包括单电池内阻在内的电池组运行数据后,在国家相关电气设备运行管理规程的基础上进一步对现有直流蓄电池运行管理规程进行修订和落实,是真正提高电网直流系统安全可靠运行的制度保证。

 

作者:邢锋,沈启鹏,童国道 合作媒体:专网通信世界-中国电力通信网 编辑:顾北

 

 

 
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