本文结合日前大量应用的阀控式蓄电池的特点和应用，针对农电垂直管理发现的问题，深入提出直流电源系统实际运行中存在的问题，阐述了理解和执规技术要求，分析了影响蓄电池组使用寿命的主要因素，结合现场实际情况，提出直流系统蓄电池及充电装置运行维护的措施。
1引言
日前根据农电垂直管理要求，对县级供电企业的专项安全检查及几次事故分析，都发现县级供电企业在直流系统运行维护中存在的管理问题，还发生由于直流系统故障，尤其是蓄电池组的故障引发的事故。2007年5月1日，X X X 110kV变电站一条10kV电缆近处三相短路，造成站内10kV母线电压严重下降，站用变的交流电源下降到30%,站内充电装置失去I段电源，直流输出消失，全站保护拒动，引起对侧电源110kV线路保护越级动作跳闸，引发全站停电事故，损失负荷70MVA，事故后检查发现该直流系统蓄电池组整组容量不足，个别蓄电池组极柱腐蚀严重，充电装置只接入一路交流电源，蓄电池组的充放电工作长期得不到正确维护。
直流系统作为保护自动化设备和监控电源的设备,是电网保护设备的“心脏”，其工作正常与否,直接影响到电力系统的安全运行。随着技术的进步,直流系统设备也有较大发展,阀控式蓄电池的大量应用,充电装置的智能化和蓄电池的密封性技术,大大减轻了运行人员的难度,但也带来的一些运行维护的问题:过于相信和依赖新设备,运行维护工作不到位,新设备使用寿命还不如原设备,甚至发生蓄电池损坏,变电站直流系统全瘫痪,保护拒动,变电站全停的事故.就此笔者专门针对直流系统的运行与维护提出一些看法.
2．对阀控式“免维护”蓄电池(VRLA)理解。
蓄电池组是做了直流电源、不间断电源(UPS)的应急电源(EPS)的后备电源,在电力系通信等到领域得到广泛应用.平时蓄电池长期处于浮充电状态,而是市电直接或通过转换后给负载,只有当市电中断或特殊情况下,才由蓄电池直接供给负载。日前大量使用阀控式密闭式铅酸蓄电池(VRLA)由于采用了内部氧复合技术,大大减少了电解液的损耗,而且体积小,电压稳定,无污染,重量轻,放电性能高,无酸雾析出,无需加水,通常称为”免维护蓄电池（Mintenance Free Batteries），深受专业人员的青睐.它真正的免维护机理是：
在阀控式铅酸蓄电池中，为了防止充电后期氢气和氧气的逸出，在设计时，负极容量相对于正极过剩。即当充电进行至最终阶段，正极板首先产生氧气，即
2 H2O → O2 + 4H
氧气经隔板中的气孔扩散到负极板，并与负极板活性物质——海绵状Pb 和H2SO4发生反应生成PbSO4，同时抑制了负极板氢气的产生，即
2Pb + O2 → 2PbO
PbO + H2SO4 → PbSO4 + H2O
由于是在充电过程中，生成的PbSO4又被回复到了海绵状Pb 。总的结果为
O2 + 4H + + 4e - → 2 H2O
显然这是正极板产生氧气的逆过程，即正极板充电后期电解水所产生的氧气，在负极板被复合并还原成水。所以阀控式铅酸蓄电池在充电过程中没有氢气和氧气的冒出，亦没有水的损失，这就是阀控式铅酸蓄电池无需加酸加水，免维护的原因。
但是,相对于传统开口式的电池而言, 免维护是使用期间无须加水,无须调节电解液比重，多数的维护人员由于对免维护一词的误解,忽视了对阀控工蓄电池的日常维护和管理,造成了蓄电池的使用寿命的缩短,容量不足或者失效造成的变电所和发电厂事故屡见不鲜。
3．对国网直流系统技术要求执行忽视的几个方面问题
3.1直流系统纹波系数的测量
国网直流运行维护技术规程中，纹波系数的测量是直流核心指标，它反应了直流装置输出电压的脉动程度，数值过大不仅会影响蓄电池使用寿命，严重情况会引发直流系统事故。
3.2直流监控装置控制程序的试验
直流电源标准对微机监控装置要求直流电源设备应能自动进行：恒流限压充电—恒压充电—浮充电状态或均充—浮充的状态的自动转换。但实际现场检查发现仍有部分设备老化，恒压均充后不能自动转换为浮充状态，对保护设备及蓄电池寿命均不利。
3.3 交流输入端的技术要求
直流电源技术标准不仅要求充电装置应有2路交流输入、互为备用，取自不同段的交流电源。还要求设备有防止过电保护，防止电网浪涌冲击电压侵入充电模块的技术。目的是如果发生雷击雷电波通过交流电源线侵入直流输入端，造 成充电模块受损，其受到冲击电压影响而损坏，并产生高的直流电压，导致直流系统事故。
3.4蓄电池组的充放电
规程对阀控式蓄电池组投入运行后要求：每2-3年进行一次核对性充放电，运行6年后每年进行一次核对性充放电，目的就是校验蓄电池组容量是否满足要求。使电池内部的化学物质通过放电、充电得到活化。延长电池寿命。
4．当前影响直流系统安全运行的主要因素
目前,变电站几乎都使用阀控式蓄电池,大多是2V的蓄电池组,容量较小,一般在100-500Ah,,2V电池设计寿命在10年左右, 这设计值是要求在严格的运行环境下的理论值，实际的寿命与电池的环境温度、直流屏的参数、日常维护及电池的运行善有密切的关系。日常检查中还发现有的蓄电池室即没有安装空调或安装了空调平时也未进行相应温度补偿调整，使得实际使用中的电池寿命大大缩短。
4.1 环境的温度的影响
环境温度是影响蓄电池使用寿命的重要因素,随着温度升高,蓄电池的放电能力有所提高,在15-25度左右的环境下,可获得较长的寿命.但温度每升高10度,蓄电池的寿命就减少一半左右,温度越高,影响越大.温度一升高,蓄电池的极板腐蚀将加剧,同时将消耗更多的水,从页电池寿命缩短.
一般厂家要求的环境温度是20±5度.电池额定容量是指25度下的容量,如果温度过低,电池的放电容量将受影响,通过实验证明,25度以下时,温度与容量有一定有关系.
温度/℃ |
容量/% |
温度/℃ |
容量/% |
25 |
100 |
10 |
84 |
20 |
95 |
5 |
76 |
15 |
90 |
0 |
70 |
4.2 热失控
电池初期限高电源充电不会造成热失控问题,这是因为充电初期限全部或大部分电量用于活性物质转化,电流几乎全部转化用来参加氧复合反应,反应会产生大量的热.在恒压充电的情况下,所生成的热量会导致蓄电池充入更大的电流,,就会产生更多的热量,这个循环持续进行,假如电池通风不好,电流不加限制,最终将空难性的热失控事故,这对电池来说就是毁灭性的破坏.
4.3 过充电
若蓄电池长期处于过充电状态,正极因反应析氧反应,水将被消耗,氢离子浓度随之增加,从而导致正极附近的酸浓度增加,使极板栅腐蚀加剧,同时因水分损坏加大,蓄电池电解发液会发生干涸的危险,从而大大缩短电池的寿命.实践也证明,当阀控电池温度大于50度时,10多次的过充电就会导致蓄电池永久性的失效.
4.4 欠充电
根据目前对部分坏的电池解剖情况分析,导致电池寿命终止的一个主要原因在于电池负极的不可逆硫酸盐化.这是蓄电池容量早衰的典型表现。在正常条件下,电池在放电时形成结晶硫酸铅,在充电时能较容易地发生氧气化还原反应正极转变为二氧化铅,负极还原为铅。如果运行维护有问题,如浮充电压太低或常处于欠充电状态,会造成浮充电流减小,相对充电时间延长.如果充电时间不足,电池就会片于欠充电状态,电池的放电容量会越来越小。
浮充电压太低,电池极板内部的硫酸铅不能充分化合成氧气化铅和铅。长期如此,活性物质最后无法转化氧气化铅和铅,使电池放不出电.
另外电池中个别单体电池,一旦发生不可逆硫酸盐化,电池内解液浓度改变会使内阻增加,电池内部产生的大量热能,使硫酸盐化程度继续加剧,最终引起硫酸铅枝晶短路,单体电池极板因短路电流发热和扭曲或膨胀,通常就是“鼓肚子”现象,甚至引起电池外壳爆裂,单体电池产生早期失效,直接导致整组电池失效.
电池失效可由不同原因引起.通常情况浮充电压过高会引起热失控而受到维护人员的重视,比如电池室的温度监控,实际上当电池组长期处于欠充电产生的后果发展的时间较长,不易被除发现和注意,所以形成电池维护隐患.
4.5 充电装置的性能及参数设置影响
充电装置日前进行中的充电装置有些是相控充电装置，大部分是高频电源开关。但实际运行中直流充电装置稳流、稳压及恒流限压充电-恒压充电—浮充电状态或均充—浮充的状态自动转换等性能不合要求，充电装置内部浮充、均充电压等运行参数设置，也是影响直流系统安全运行的关键因素。
5 做好直流系统的运行维护的技术措施
5.1 新蓄电池组的投入及使用过程
一般情况下，新电池从出厂至安装再到投入运行会有一段时间，特别是基建安装调式期间，电池因长时间的自放电，电池容量会有不同程序的损失，且由于各电池自放电大小的差异，导致电池的电解液比重、电池端电压等的不均匀。因此，在电池投入运行前，须进行电池进行一次补充放电，否则，个别电池会进一步扩展为落后电池并导致整组蓄电池出问题。
5.2 在线运行的蓄电池组的均充电和浮充电
电池投入使用后，正常运行，应按照生产厂商的充电要求进行蓄电池充电参数的设置。尤其是目前的直流开关电源充电设备，其智能化的方式和程序都不尽相同，开关电源设置参数不合理，直接引起电池欠充，过充或过放，从而导致电池寿命缩短。
（1）电力系统用电池一般在浮充电状态运行，而浮充电运行是蓄电池的最佳运行条件，此时电池一直处于满荷电状态，在此条件上运行，电池将达到最长的使用寿命，因此浮充电压的设置对电池寿命至关重大。
（2）阀控式蓄电池的浮充电压值在25℃时，为2.25±0.02V/单体。建议最在取2.25V－2.26V/单体，即此中心值略高一点。这是因为蓄电池标准环境温度为25℃，为保证蓄电池在长期浮充电条件下能充足电，特别是老式相控开关电源，设备无自启动均充电功能时，适当提高浮充压值对运行是有利的。电池进行短时间放电后，即使对电池没有均充电补足电能，但由于平时浮充电取较高，一段时间浮充电后，也能补足电能。
（3）电池在浮充电运行时，充电电压应随环境作适当调整，浮充电压数值可按温度补偿系统－3.5mV/度单体进行计算，即温度升高1度，浮充电压下降3.5mV，温充降低，浮充电压上升3.5mV。
环境温度/℃ |
浮充电压V/单体 |
环境温度/℃ |
浮充电压V/单体 |
0 |
2.34 |
30 |
2.23 |
10 |
2.31 |
35 |
2.22 |
20 |
2..27 |
40 |
2.19 |
25 |
2.25 |
5.3做好直流充电装置的交接验收
交接验收时，要检验充电装置的稳压、稳流及限流特性良好。为保证蓄电池能够运行在最佳状态和应用两阶段恒定电流恒压的充电方法，浮充电的稳压特性十分重要，保证直流母线运行电压和防止落后电流的产生。充电时的稳流特性十分重要，在供电电压逐步上升时保持稳定电流，保证了电池的正常电化学反应，顺利进入恒压的均衡充电阶段，达到改善电池特性参数或解决个别落后容量恢复的问题。
限流特性，主要是防止负荷剧增时，整流器产生“抢负荷”和起调现象，易跳闸。所以充电机的稳压、稳流及限流特性一般有要求，如下表：
5.4做好蓄电组日常的运行维护管理
(1)每月进行测一次单体电池电压和电池组电压。
端电压是反映蓄电池工作状况的一个重要参数，阀控密封铅酸蓄电池端电压的测量不能在浮充电状态，还应在放电状态下进行。浮充电状态下的电池端电压测量，由于外加电压的存在，测量出的电池端电压易造成假现象，即使有些电池有问题，也能测量出似乎正常的数值（实际上是外加电压在该电池两端造成的压差），这极易在交流失电时造成变电所事故，定期在放电状态下进行电池端电压测量，这种情况就完全可以避免。
(2)保持电池环境清洁，防止发生电池短路事故。
定期检查电池极柱、安全阀和电池水槽是否有渗液和酸雾溢出。每半年检查连接螺栓是否有松动，蓄电池的 外观正常，外表温度正常，清扫灰尘，拧紧连接螺丝，除锈凡士林保护。
(3)定期进行核对性充放电容量试验
每年进行对电池进行以实际负荷进行一次核对性容量充电，放出额定容量的30－40%，根据放电曲线评估蓄电池容量。每3年进行一次容量测试，使用6年后每年做一次，即对蓄电池组进行全充全放，这个工作也称为活化处理或治疗性充放电。通过放电和充电过程的循环，活性物质得到活化，防止钝化。阀控式蓄电池充放电的或补充电的条件是：一是电池组中有2只或2只以上单体电池电压低于2.18V；二是蓄电池闲置停用时间超过三个月；三是电池全浮充运行达三个月。
其主要方法是将电池组脱离直流屏，在电池组两端加上可调负载和智能放电仪，以0.1IC的电流进行放电，每半小时或1h记录一次电池端电压，起到电压下降到1.8V后停止放电，并记录时间，再用0.1IC电流对蓄电池进行恒流充电，等电池电压上升到2.35V，时，保持该电压对电池进行8h的均衡充电后，将充电电压改为2.25V进行浮充电（有的由充电装置自动设定转换）。
（4）做好设备日常巡视检查。
巡视维护中要检查直流充电装置浮充电电流、浮充电电压是否在合格范围，与直流母线的实际值是否一致；两路交流电源输入是否正常，并做好定期切换试验；定期检查充电装置充电方式和运行参数，是否按规程要求和定值单进行设置；定期进行直流监控装置控制程序试验，检查充电装置能否自动进行恒流限压充电—恒压充电—浮充电状态自动切换，且正常运行应处于浮充电。其中充电装置参数设置中浮充电压对于阀控式密封铅酸蓄电池组来讲非常重要，检查是否按5.2点要求进行定期设置。
小结
总之，直流电源是变电站安全运行的核心，失去了直流电源，继电保护自动装置和开关就失去了动力，整个变电站就要瘫痪。因此重视对直流系统管理是保证变电站安全运行的前提，特别是做好蓄电池的维护和管理。要正确理解阀控式蓄电池的特点，针对影响其使用的主要因素，不断提高维护水平，维护直流系统的稳定性，同时查找日常维护中的不足，提高变电所、发电厂和通信站的安全运行是我们电力同行工作者的天职。
（摘编自《电气技术》，原文标题为“蓄电池使用寿命的提高及直流系统的运行维护技术”，作者为王连辉。）
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