直流系统中蓄电池的使用

蓄电池是直流系统中不可缺少的设备，这种电源广泛应用于变电站中。正常时直流系统中的蓄电池组处于浮充电备用状态，当交流电失电时，蓄电池迅速向事故性负荷提供能量。如各类直流泵、事故照明、交流不停电电源、事故停电、断路器跳合闸等，同时也必须为事故停电时的控制、信号、自动装置、保护装置及通信等负荷提供电力。显然在交流失电的事故状态下，蓄电池应作为变电站的备用能源。

一、阀控密封式铅酸蓄电池的运行与维护

1.1 直流屏作用及蓄电池运行要求

        直流屏采用2V规格电池，串成220V，需要110只，但2V规格的电池，其电压一般都高于2V，在2.2V甚至更高，所以电池组的正负两端的电压会达到或超过240V；直流屏的输出有二路，一路240V，一路220V。240V的输出直接来自电池组的正负两端，供给装置时需要降压硅链降压到220V，这一路输出为控制母线电压。而能够承受高电压的电磁操作机构可以需要240V电压称为合母电压。

        按照电力系统的有关标准，阀控式铅酸蓄电池的运行要求如下：阀控式密封铅酸蓄电池组在正常运行时以浮充方式运行，浮充电压值一般控制为2.23 V×n，在运行中主要监视蓄电池组的端电压，浮充电流，及每只蓄电池的电压。

1.2 阀控式密封铅酸蓄电池的充放电

1.2.1 核对性充放电

        新安装或大修后的阀控蓄电池组，应进行全核对性额定容量放电试验，放电电流不应变动过大，待放电结束后，应立即对蓄电池组进行充电，避免发生电池内部的硫化现象，而导致蓄电池内部短路。此时均采用0.1C10恒流充电，当蓄电池组端电压上升到2.23V×n时，将会自动或手动转为恒压充电。

1.2.2 恒压充电

        在2.35V×n的恒压充电下，0.1C10的充电电流逐渐减小，当充电电流减小至0.1C10时，充电装置的倒计时开始起动，并维持3h不变。当整定的倒计时结束时，充电装置自动或手动转为正常的浮充电运行，浮充电压为2.23V×n。同时在浮充电过程中要进行温度补偿，即对每只单体蓄电池充电电压随环境温度给予一定量的补偿，避免蓄电池因失水干涸而失效。

        中心温度、补偿下限、补偿上限、补偿斜率均可根据电池性能灵活设置。

1.2.3 补充充电

        为了弥补运行中因浮充电流调整不当，补偿不了电池自放电和爬电漏电所造成蓄电池容量的亏损，设定1～3个月，自动地进行一次恒流充电-恒压充电-浮充电的补充充电，确保蓄电池组随时都具有额定容量，以保证运行安全可靠。

1.2.4 事故放电和自动充电

        当电网解列或故障、交流电源中断时，蓄电池组立即承担起主要负荷和事故照明负荷，若蓄电池组端电压下降到2V×n时，电网还未恢复送电，应自动或手动断开蓄电池组的供电，以免因蓄电池组过放电而损坏。交流电源恢复送电时，充电装置将自动或手动进入恒流充电-恒压充电-浮充电，并恢复到正常运行状态。

1.3 蓄电池维护

        据统计，阀控式铅酸蓄电池的故障，有50%以上是因VRLA蓄电池组故障，或因VRLA蓄电池维护不当造成的。通常所说的“免维护”即为：在规定条件下使用期间不需维护的一种蓄电池。所谓蓄电池的免维护是相对传统铅酸蓄电池维护而言，仅指使用期间无需加水。在实际工作中，仍需履行维护手续。在电力行业中极为重视蓄电池的维护工作，包括阀控式铅酸蓄电池的运行与维护。一般应做好以下工作。

经常检查的项目：

    •检测蓄电池端电压；

    •连接处有无松动；

    •极柱、安全阀周围是否有渗酸与酸雾逸出；

    •蓄电池壳体有无渗漏和变形。

 

图1 充电程序

如有以下情况之一应进行充电（充电程序见图1）：　

    •浮充电压低于21.8V；

    •放出10%以上的额定容量；

    •搁置不用时间超过三个月；

    •全浮充运行达三个月。

运行中的维护：

    •应经常检查蓄电池浮充状态是否正常，蓄电池的浮充电压（25℃）应按说明书规定值进行；

    •蓄电池端子应用螺栓、螺母连接，蓄电池间的连接电压降ΔU < 8mV；

    •蓄电池组中各单体蓄电池间的开路电压最高与最低差值不大于20mV；浮充时单体蓄电池端电压的最大差值应不大于50mV。

阀控式铅酸蓄电池的电压偏差值及终止电压值：

    •标称电压/V：2、6、12；

    •阀控式铅酸蓄电池运行中的电压偏差值/V：±0.05、±0.15、±0.3；

    •开路电压最大差值/V：0.03、0.04、0.06；

    •放电终止电压/V：1.80、5.25（1.75×3）、10.5（1.75×6）。

二、阀控式铅酸蓄电池使用中应注意事项

2.1应注意铅酸蓄电池在每次放电完后，应及时充电，需充电的时间在10h以上。

2.2应注意不应使蓄电池被过电流或过电压充电。

2.3应注意尽量避免使蓄电池长期搁置不用。

2.4应注意不要使蓄电池长期处于浮充状态而不放电。

2.5应注意不使蓄电池过放电。

2.6阀控式铅酸蓄电池对充电设备及温度等外部环境因素较为敏感。要求充电机有较小的纹波系数，并对电池有温度补偿功能。电池的充电电压应随着温度的上升而下降，一般每升高1℃，充电电压下降2～4mV。温度补偿示意图见图2。

图2 温度补偿示意图

三、常见失效机理及检测

3.1 阀控蓄电池的失效机理

       阀控式铅酸蓄电池是一个复杂的电化学体系，蓄电池的性能和寿命取决于电极的材料、工艺、活性物质的组成和结构、及蓄电池运行状态和条件等。它的失效因素也是比较多的，基本上可分为三类。

3.1.1 蓄电池设计结构上的因素

    •极板的腐蚀：对浮充电使用的蓄电池，板栅腐蚀是限定电池寿命的重要因素，在电池过充电状态下，负极产生水，降低了酸度，而正极反应产生H＋，加速了正极板栅的腐蚀。

    •水损失：由于再化合反应不完全及板栅腐蚀引起水的损失，当每次充电时，由于产生气体的速率大于气体再化合速率，导致一部分气体逸出，造成水的损失。正极栅的腐蚀也是造成水损失的因素之一。

    •枝状结晶生成：当电池处于放电状态，或长期以放电状态放置，这种情况下，负极pH值增加，极板上生成可溶性铅颗粒，促进板状结晶生成穿透隔膜造成极间短路，使蓄电池失效。

    •负极板硫酸盐化：由于自化合反应的发生，无论蓄电池处于充电或放电状态,负极板总有硫酸铅存在，使负极长期处于非完全充电状态，形成不可逆硫酸铅，使电池容量减少，导致电池失效。

    •热失控：在充电过程中，电池内的再化合反应将产生大量的热能，由于蓄电池的密封结构使热量不易散出，以及周围环境温度升高，导致浮充电流的增大，进而使浮充电压升高，以致蓄电池温升过高而失效。

3.1.2 电池工艺质量的因素

        在实际情况中，由于电池生产工艺质量的问题，如原材料成分不稳定，极板涂膏量不一致，极耳腐蚀断裂，壳体和壳盖间渗透漏液，阀盖开闭不灵等，都造成蓄电池性能离散性大，也是蓄电池早期失效的主要因素。

3.1.3 使用环境因素

        由于过充电使产生的气体不可能完全被再化合，从而引起电池内部压力增加。当到一定压力时，安全阀打开，氢气和氧气逸出，同时带出酸雾，消耗了有限的电解液，导致蓄电池容量下降或早期失效。为避免产生多余的气体，阀控蓄电池对充电机稳压、限流精度提出了较高的要求，而现有的可控硅相位控制稳压的充电机几乎都不能做到。

        据国外资料介绍，当高于25℃时，每升高6～10℃，蓄电池寿命缩短一半。因为过高的温度会导致浮充电流的增加，从而由于过充电量的累积，而使得电池循环寿命的缩短。浮充电压也应根据温度进行补偿，一般为-2～4mV/℃，而现有充电机必须具有此功能。VRLA蓄电池温度与寿命关系曲线见图3。

图3　VRLA蓄电池温度与寿命关系曲线

3.2 蓄电池的检测方法

        为了掌握蓄电池的性能状况，目前有如下几种检测方法。

3.2.1 放电法

        将蓄电池组脱离供电系统，以10小时率电流对负荷放电，同时测量每一蓄电池电压，当降到规定值时（单体1.8V），停止放电，计算时间得出蓄电池组容量。该方法准确，但浪费能量，实施困难。

3.2.2 蓄电池电压巡检

        在放电状态下，对VRLA蓄电池组的每只VRLA蓄电池的端电压进行巡回检测，找出端电压下降最快的一只，再对此蓄电池在线放电检测其容量，即代表该组VRLA蓄电池的容量。该方法方便可行，但只能判读已严重失效的蓄电池，不能全面的反映每个单体的情况，且对性能的差异不能作出反应。

3.2.3 测量蓄电池内阻

        VRLA蓄电池的故障，如板栅腐蚀和增长、接触不良、活性物质可用量减少等集中表现于蓄电池内阻的增大、电导的减小，因此，电导或电阻的高低可提供反映蓄电池故障和使用程度的有效信息。有关标准提供了内阻测试的方法，国外已有交流内阻和直流内阻测试的报道。有关公司测试方法是用交流发电装置向蓄电池单体或蓄电池组注入一个低频20～30Hz或60Hz的交流信号，测量通过电池的交流电流和每只蓄电池两端的交流电压，然后计算出I/U或Ｕac/Iac比率，则得出蓄电池的电导或电阻值，并显示这个值。如有公司采用了200A/10s放电的负载测试仪（Milton），来测试单只蓄电池的性能。

四、阀控式密封铅酸蓄电池的发展趋势

        提高蓄电池使用寿命，正极活性物质的利用率，比能量，蓄电池产品的均一性，以及减小浮充电流的大小，正成为进入21世纪的智能化第三代VRLA蓄电池的研制方向，它从制作材料、制作技术、工艺流程等方面不断更新，克服了以往蓄电池在使用中的弊端。

五、 结束语

        直流电源设备是电力系统发电厂，变（配）电所重要的控制、信号、动力电源，它在电力系统安全运行中起着重要的作用。 为了适应社会需求以及电力系统快速发展和稳定运行的要求，大量可靠性高的现代化电源设备得到广泛应用，并在生产实践中有效的管理与维护，对保证直流系统的可靠运行及电力系统的安全运行有着积极和重要的作用。