閥控式密封鉛酸蓄電池典型缺陷防治措施研究

黃 武，林翔宇，覃 劍

（1.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，南寧 530023；2.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司，南寧 530023）

引言

閥控式密封鉛酸蓄電池因具有成本低廉、原材料來(lái)源豐富等優(yōu)點(diǎn)，是變電站直流電源系統(tǒng)的主要組成部分[1]。變電站直流電源不間斷供電主要使用閥控式密封鉛酸蓄電池（以下簡(jiǎn)稱蓄電池），每組蓄電池帶全站直流負(fù)荷事故放電時(shí)間應(yīng)不小于2 h。蓄電池作為站內(nèi)應(yīng)急電源可為包括電氣控制、信號(hào)、測(cè)量和繼電保護(hù)、操作機(jī)構(gòu)直流電動(dòng)機(jī)、斷路器電磁操動(dòng)的合閘機(jī)構(gòu)、站內(nèi)交流不停電電源系統(tǒng)等負(fù)荷[2,3]供電。

近年來(lái)，廣西電網(wǎng)內(nèi)由于蓄電池缺陷引發(fā)的故障時(shí)有發(fā)生[4]。由于管理上的漏洞和認(rèn)識(shí)上的問題，一些低級(jí)錯(cuò)誤行為造成的蓄電池缺陷，長(zhǎng)期得不到發(fā)現(xiàn)，相關(guān)人員對(duì)這些缺陷發(fā)生的原因及環(huán)節(jié)不甚了解。由相同或相似原因引發(fā)的缺陷及故障不斷地重演。鑒于此，研究分析了蓄電池典型缺陷原因，并提出對(duì)應(yīng)的防治措施。

1 蓄電池典型缺陷

直流電源系統(tǒng)通常由交流輸入、充電裝置、饋電屏、蓄電池組、監(jiān)控單元（含饋線狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元）、絕緣監(jiān)測(cè)（含接地選線）、硅降壓回路（可選）、蓄電池電壓巡檢裝置、電壓電流測(cè)量表計(jì)等組成。其中，蓄電池正常使用時(shí)保持氣密和液密狀態(tài)，當(dāng)內(nèi)部氣壓超過預(yù)定值時(shí)，安全閥自動(dòng)開啟，釋放氣體；當(dāng)內(nèi)部氣壓降低后安全閥自動(dòng)閉合，同時(shí)防止外部空氣進(jìn)入蓄電池內(nèi)部，使其密封。鉛酸蓄電池內(nèi)的電極反應(yīng)同時(shí)析出氧，此時(shí)通過氧在蓄電池中的再?gòu)?fù)合實(shí)現(xiàn)氧的循環(huán)，在確保電池密封的前提下避免電解液密度大幅變化[5]。蓄電池在使用壽命期限內(nèi)，正常使用情況下無(wú)需補(bǔ)加電解液。

以下介紹蓄電池5類常見的典型缺陷：

（1）變電站交流電失壓時(shí)，由于蓄電池失效造成直流失壓，導(dǎo)致保護(hù)裝置和自動(dòng)裝置等無(wú)法正常運(yùn)行；

（2）新裝的電池組投產(chǎn)已失效，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)運(yùn)行造成很大安全隱患；

（3）交流失壓后，由于電池失效，直流電壓降低很快，巡維人員在操作時(shí)沒觀察電動(dòng)操作開關(guān)導(dǎo)致開關(guān)合閘線圈燒壞，保護(hù)裝置操作回路板和儲(chǔ)能接觸器等設(shè)備燒壞，造成經(jīng)濟(jì)損失；

4）站用新裝蓄電池充電普遍出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，不合格；

5）站用新裝蓄電池一致性差（例如，在某組蓄電池單體放電試驗(yàn)中，除了#65電池較好，其他9個(gè)電池:#13、#17、#29、#48、#56、#67、#92、#93性能差）。

2 蓄電池典型缺陷分析

經(jīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況及蓄電池運(yùn)行狀態(tài)的了解，初步分析產(chǎn)生以上5個(gè)蓄電池典型缺陷的主要原因。

（1）蓄電池浮充電壓實(shí)測(cè)值偏大，為蓄電池發(fā)生過熱失控的主要原因；電池柜通風(fēng)散熱不良、電池排列過密更加劇了熱失控的程度。

（2）施工建設(shè)期間蓄電池存放在室外，日曬雨淋，不符合存放要求，造成過放失效；安裝后沒有進(jìn)行核容試驗(yàn)；縣級(jí)供電企業(yè)缺乏必要的檢測(cè)手段。

（3）由于人員和設(shè)備等原因，縣級(jí)供電企業(yè)直流電源的日常巡視、維護(hù)檢修、試驗(yàn)等基本空白。蓄電池在運(yùn)行中失效后，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，往往要等到交流電失去后，才得以發(fā)現(xiàn)，造成事故的發(fā)生。

（4）蓄電池失效的主要原因有：蓄電池出廠時(shí)間與投運(yùn)時(shí)間間隔過長(zhǎng)（約有10%的項(xiàng)目存在此現(xiàn)象），長(zhǎng)期的閑置期間又未按規(guī)定對(duì)蓄電池進(jìn)行補(bǔ)充充電，使蓄電池由于自放電的原因，造成負(fù)極不可逆硫酸鹽化失效；安裝后沒有進(jìn)行核容試驗(yàn)；縣級(jí)供電企業(yè)由于設(shè)備和人員等原因，還沒有開展對(duì)蓄電池的檢查維護(hù)試驗(yàn)工作，發(fā)生故障的機(jī)率較高。

（5）劣質(zhì)蓄電池混入電網(wǎng)市場(chǎng)。一些電池廠商通過低價(jià)招標(biāo)中標(biāo)，降低產(chǎn)品質(zhì)量。此次蓄電池普遍出現(xiàn)膨脹變形現(xiàn)象，主要是由于電池內(nèi)部壓力激劇增加而產(chǎn)生的。主要原因有：安全閥開閥壓力過高，安全閥阻塞；O2的復(fù)合率低，電池內(nèi)部壓力迅速增大，當(dāng)壓力增加到一定程度時(shí)安全閥閥門不能正常打開，在這種情況下勢(shì)必造成蓄電池膨脹變形。

（6）蓄電池出廠的測(cè)試沒有科學(xué)規(guī)范，沒有進(jìn)行科學(xué)配組，容易造成離散性過大，是早期失效的重要原因之一。

3 蓄電池典型缺陷特征

蓄電池典型缺陷具有如下特征：

（1）缺陷發(fā)生面廣：缺陷原因可追溯到產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝、運(yùn)輸存放、施工安裝和運(yùn)行維護(hù)等環(huán)節(jié)。

（2）缺陷容易發(fā)生：由于閥控式密封鉛酸蓄電池結(jié)構(gòu)和工藝裝配的特點(diǎn)，屬于“易損品”，許多低級(jí)的錯(cuò)誤，如存放時(shí)間過長(zhǎng)、存放環(huán)境不適宜、未定期充電、搬運(yùn)或安裝不規(guī)范等，均會(huì)造成蓄電池失效。

（3）缺陷不容易被發(fā)現(xiàn)：相當(dāng)多的蓄電池從安裝到指定退出運(yùn)行期限，雖然看似正常，好象沒問題，但實(shí)際情形可能是該電池組從未放電過，一旦需要蓄電池供電，而未能確認(rèn)蓄電池是否能供電，可能會(huì)造成重大損失，甚至是災(zāi)難性的。

（4）容易產(chǎn)生的誤區(qū)：一些看似正確的方法，實(shí)際上是錯(cuò)誤的。如使用以電壓均衡原理的電池維護(hù)裝置，可能使蓄電池更容易失效；以充電電壓的高低來(lái)判別蓄電池是過充或欠充；誤認(rèn)為浮充電壓可以長(zhǎng)期保持恒定。事實(shí)上由于蓄電池參數(shù)（如內(nèi)阻）會(huì)隨著時(shí)間變化，浮充電流也會(huì)發(fā)生變化，為使蓄電池處于正常的狀態(tài)，浮充電壓也應(yīng)做相應(yīng)調(diào)整[6]。

（5）蓄電池的好壞與充電裝置的性能關(guān)系很大：蓄電池作為備用電源，絕大部分時(shí)間處于充電狀態(tài)，充電裝置的性能如穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度、紋波因數(shù)、浮充電流和充電控制程序等，都對(duì)蓄電池的狀況有很大的影響，須要對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

（6）即使只有一個(gè)電池單體的失效，對(duì)整組電池也會(huì)造成不利影響：如有電池單體開路，則電池組處于欠充狀態(tài)；有電池單體短路時(shí)，電池組容易處于過充狀態(tài)，都會(huì)使整組電池加速失效。

（7）不同廠家的蓄電池質(zhì)量有時(shí)相差非常懸殊。一些廠家靠低價(jià)中標(biāo)，雖然標(biāo)書聲稱滿足所有的技術(shù)條款，實(shí)際產(chǎn)品性能很差；有的電池組容量雖然合格，但一致性差，電池會(huì)加速失效，給安全生產(chǎn)帶來(lái)了隱患。

鑒于蓄電池缺陷的高發(fā)率，蓄電池的運(yùn)維工作量繁重：蓄電池組的電池單體數(shù)量多（通常有十幾到幾十個(gè)），檢查項(xiàng)目繁多，周期為月度檢查、季度檢查、半年檢查和全年檢查。檢查的內(nèi)容可參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEEE 1188《電池測(cè)試維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》。

4 防治措施和建議

（1）在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，建議增設(shè)“蓄電池浮充電流表”，或?qū)⑿铍姵仉娏鞅砀臑榭梢宰詣?dòng)換量程的電流表。浮充電流是蓄電池運(yùn)行的重要參數(shù)，過大和過小都會(huì)使蓄電池處于過充和欠充的狀態(tài)，使之加速失效。目前站內(nèi)盤柜的“蓄電池電流表”在浮充狀態(tài)時(shí)的測(cè)量值普遍不準(zhǔn)，增設(shè)“蓄電池浮充電流表”，充電裝置才能對(duì)蓄電池的充電過程進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

（2）對(duì)于產(chǎn)品的質(zhì)量引起發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，建議提高蓄電池生產(chǎn)廠商入網(wǎng)技術(shù)門檻，如從生產(chǎn)工藝、設(shè)備、材料、人員、服務(wù)等方面進(jìn)行規(guī)范，杜絕低質(zhì)量電池進(jìn)入電網(wǎng)；開展“蓄電池配組優(yōu)選”的業(yè)務(wù)，在出廠環(huán)節(jié)提高蓄電池的一致性指標(biāo)，把控好第一道關(guān)，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

（3）針對(duì)工程建設(shè)出現(xiàn)的問題，建議制定相應(yīng)的制度，主要內(nèi)容包括：合理安排蓄電池進(jìn)貨時(shí)間（出廠時(shí)間與投運(yùn)時(shí)間間隔最好在3個(gè)月左右）；蓄電池按要求（場(chǎng)地、溫度、濕度）存放，存放時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)定時(shí)按規(guī)程或產(chǎn)品說明書補(bǔ)充充電；規(guī)范蓄電池的安裝，因?yàn)檫@項(xiàng)工作會(huì)影響電池系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，多數(shù)用戶沒有意識(shí)到蓄電池安裝工作的重要性，安裝應(yīng)由培訓(xùn)過的人員來(lái)完成。

（4）在運(yùn)行維護(hù)環(huán)節(jié)，建議通過“數(shù)據(jù)共享技術(shù)”，共享直流電源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，方便運(yùn)維人員日常巡檢、定期試驗(yàn)時(shí)數(shù)據(jù)的獲取，方便實(shí)現(xiàn)蓄電池和充電裝置在線監(jiān)測(cè)、壽命預(yù)測(cè)、計(jì)算分析、狀態(tài)評(píng)估等功能[7,8]。同時(shí)，利用在線監(jiān)測(cè)裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、存儲(chǔ)、告警蓄電池組的電壓、電流和各個(gè)單體蓄電池的端電壓。達(dá)到大量減少現(xiàn)場(chǎng)工作量和提高準(zhǔn)確及時(shí)分析缺陷水平的目的。

（5）對(duì)于蓄電池產(chǎn)生熱失控現(xiàn)象，建議在缺乏蓄電池溫度數(shù)據(jù)的條件下，經(jīng)常檢查蓄電池浮充電流，使其運(yùn)行在正常范圍；均充的時(shí)間、周期和電壓值也應(yīng)根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)調(diào)整，并建議由自動(dòng)改為手動(dòng)，均充時(shí)有人在場(chǎng)。

（6）關(guān)于蓄電池定期試驗(yàn)，建議新安裝或大修后的閥控蓄電池應(yīng)進(jìn)行全核對(duì)性充放電試驗(yàn)，以后每2～3年應(yīng)進(jìn)行一次核對(duì)性試驗(yàn)。站用直流電源系統(tǒng)配置兩充兩蓄時(shí)，應(yīng)對(duì)蓄電池組進(jìn)行全容量核容；如僅配置一組蓄電池但可用備用蓄電池組作臨時(shí)代用時(shí)，應(yīng)進(jìn)行全核對(duì)性放電，若無(wú)備用蓄電池組可進(jìn)行50%容量核容。

（7）縣級(jí)供電企業(yè)各方面比較薄弱，是缺陷故障發(fā)生的主要場(chǎng)所，應(yīng)制定出有效的管理和技術(shù)方法，如在線核容試驗(yàn)等，提高維護(hù)人員的技術(shù)水平。同時(shí)，確保巡維人員能夠準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)蓄電池外殼是否鼓脹、開裂，是否漏液，是否清潔、干燥、無(wú)極柱腐蝕，管理單元工作是否存在異常信號(hào)等。

5 結(jié)束語(yǔ)

蓄電池缺陷頻發(fā)，造成事故，說明傳統(tǒng)的方法和手段已不能保證直流電源系統(tǒng)的高可靠性。經(jīng)過對(duì)蓄電池典型的缺陷分析，結(jié)合理論知識(shí)和前人的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)如下：

（1）在運(yùn)維階段前的各個(gè)環(huán)節(jié)中，都有可能因錯(cuò)誤的行為，造成蓄電池?fù)p壞或性能下降。結(jié)合品控業(yè)務(wù)，應(yīng)在提高準(zhǔn)入門檻，加強(qiáng)產(chǎn)品監(jiān)造等環(huán)節(jié)的管理，為運(yùn)維階段提供良好的基礎(chǔ)。

（2）大量的工作及難度集中在運(yùn)維環(huán)節(jié)，工作人員應(yīng)具備一定的專業(yè)知識(shí)，并配備必要的輔助工具和分析系統(tǒng)，引入精益管理理念，才能及時(shí)正確地分析和處理蓄電池缺陷。

（3）為防止蓄電池早期失效，除了早期環(huán)節(jié)管理外，對(duì)于新投運(yùn)的蓄電池應(yīng)特別加強(qiáng)檢查，及早發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)處理，才能保障蓄電池長(zhǎng)期運(yùn)行在健康狀態(tài)。