变电站直流电源在线检测系统应用

于 军，王 毅，刘湘霞

（山东济宁供电公司，山东 济宁 272123）

0 引言

运行实践表明，保证变电站直流系统安全可靠运行的核心是蓄电池，而直流系统运行管理的难点也是蓄电池。偏离标准的高温、一切非正常的浮充、过充，超过蓄电池规定的深度放电而又未及时进行充电等，都将对蓄电池的性能和使用寿命带来不利影响，对电网的安全稳定运行构成潜在的威胁。

1 变电站直流电源运行维护存在的主要问题

由于直流系统的运行相对于其他变电设备较为稳定，且自身的缺陷并不直接对电力系统安全运行构成威胁，因此在管理方面的投入略有不足，较为突出的问题是专业人员配置较少，难以按要求完成定期检修内容，对直流系统的运行状况难以掌握［1］。

个别充电设备运行不稳定，浮充电压出现漂移，造成蓄电池处于过充或欠充状态，缩短蓄电池的使用寿命。

蓄电池运行环境恶劣，冬夏温差较大，不能保证在最佳温度（25℃左右），运行时间受到很大影响。而在使用过程中，无法实时监测其现有容量，无法准确判断其健康状况。

无论是检修人员还是运行人员，所得到的直流电源运行信息很少，主要是一些故障及异常信息。如充电机交流电源故障、充电机故障、直流绝缘接地、直流电源电压异常，不能反映直流系统运行的详细信息，更不知道蓄电池的现有容量。

2 变电站直流电源在线检测系统

变电站直流电源在线检测系统以较为全面的信息检测、远程充放电控制以及数据专家分析等功能，使运维人员及时掌握各变电站直流系统各组部件的运行状况，尤其是能够通过远程放电控制，快速准确核对蓄电池的现有容量，及早发现异常情况，把事故消灭在萌芽状态。该系统的应用，缓解了当前变电站直流电源运维管理所存在的矛盾，为变电站直流电源实行状态检修提供了信息支持和在线检测手段。

2.1 充电装置在线检测

直流系统正常运行时，不但要承担正常直流负荷电流，更重要的是向蓄电池组补充电，以补充蓄电池的自放电，使蓄电池以满容量处于备用状态。若充电机纹波系数超标，恒压限流特性不好，就会造成蓄电池过充、欠充、电压过高、充电流过大、电池温度过高等问题，缩短电池的使用寿命。

浮充电对蓄电池使用寿命的影响。浮充电压设置过低，会因蓄电池充电不足，使蓄电池极板硫化而缩短电池寿命。浮充电压设置过高，蓄电池将长期处于过充电状态，使电池的隔板、极板等由于电解氧化而遭破坏，造成电池极板栅腐蚀加速，活性物质松动，而使容量失效。此外单体电池的浮充电压升高10 mV，浮充电流可增大10倍，浮充电流过大时，电池内部产生的热量不能及时散掉，电池中将出现热量积累，使电池温度升高，又促使浮充电流增大，最终造成电池温度和电流不断增加的恶性循环，即热失控现象。

充电电流倍率的影响。大电流充电时，电池内部产生的气体的速率将超过电池吸收气体的速率，电池内部压力提高，气体从安全阀排出，造成电解液减少或干枯。通常水分损失15%，电池容量将会减少15%，水分过量损耗，将使阀控蓄电池的使用寿命提前终止。

可以看出，上述问题主要源于稳压精度、稳流精度、纹波系数以及对运行参数的正确设置。其中稳压精度的提高是避免蓄电池长期浮充电运行时，不会出现欠充电现象的最好方法，保证蓄电池在事故放电时保持容量。稳流精度的提高对于蓄电池的初充电和均衡充电的长时间过程是有利的，满足了蓄电池电化学反应的最佳状态。纹波系数较大，降低了直流电源的质量，引起浮充电压波动，会出现蓄电池的脉动充电放电过程，对蓄电池不利。直流电源主要电气参数允许范围如表1所示。

在线检测系统通过对这些重要的电气参数进行实时检测、记录，并设定告警限值，当检测数据超出允许范围时，系统既给出相应的告警提示，以便及时加以修正，确保充电装置处于良好的状态。若充电装置的电气量频繁发生偏离告警，这就表明充电装置的某些特性 （稳压、稳流、纹波）发生劣变，由此可对充电装置进行针对性的检查维修或更换，从而实现了对充电装置的状态检修。

表1 直流电源主要电气参数允许范围

2.2 蓄电池的在线检测

2.2.1 蓄电池可进行状态评估的依据

一般来说，随着电池使用时间的增加，电池组性能将逐步发生劣化，劣化程度总是表现为个别电池性能的落后，主要表现为：落后电池相对自身的电池电压离散度逐步变大，相对整组电池的电池电压离散度逐步变大，相对与自身的内阻值逐步变大，且对于整体的离散度变大，整体的充放电曲线电压值逐步变大；容量不足时，电池电压充电上升慢，放电下降快；内阻增大时，电池电压充电上升快，放电下降快。这些突出的异常信息，被线检测系统获得后，便可自动判断蓄电池组测试结果，提示某序号蓄电池发生电压异常，内阻异常，容量不足，据此对蓄电池健康状况作出评估。

2.2.2 蓄电池常用检测方法

判断蓄电池状态优劣的最重要的指标，是按10 h放电率对蓄电池进行全核对性放电所能放出的电量的多少。一般要求，当蓄电池所放出的电量达到额定容量的95%以上，即认为该蓄电池组合格。

核对性放电法：将蓄电池组脱离供电系统，以I10电流进行恒流放电，同时测量每一蓄电池电压，当降到规定值（单体1.8 V）时，停止放电，计算出蓄电池组容量。该方法作为蓄电池的检测标准，是规程规定必须定期进行的检测项目，他是保证直流电源安全运行最有效的手段。

电压法：通过测量蓄电池电压检测蓄电池的状态。一般可测出开路、短路、严重损坏的电池。在放电状态下更为有效。该方法方便虽然可行，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。

内阻测量法：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。该方法快速简便，易于发现失效电池，对了解蓄电池性能具有一定的参考意义。

通过对上述3种常用检测方法的比较可见，核对性放电法，仍然是检测蓄电池健康状况无可替代的最直接的方法，但是由于该方法耗时费力，难以按要求实施。要求寻求一种即准确可靠又简便易行的检测方法，由此提出蓄电池远程放电检测的概念。即按标准放电电流对蓄电池组进行浅容量（10%～30%额定容量）放电，通过对放电曲线的比较分析，判断蓄电池健康状况，以便制定针对性检修策略。

2.2.3 实施远方放电操作应具备的条件

充电装置应具备四阶段充电方式，即恒流限压主充—定压均充—定时均充—定压浮充，这样电池极板的有效物质还原充分，对延长电池寿命有一定好处。且均充转换到浮充是根据充电电流的设定值来转换，可靠性更高，可有效防止电池过充。

充电装置应具有良好的稳压、稳流特性。实施远程放电前，应对充电装置进行全面检测，纹波系数、稳压精度、稳流精度均在合格范围。

放电过程中，如发生通信中断，系统可根据设定的终止放电条件，自动终止放电，并转入充电状态。

放电终止条件可灵活设置，一般应设置以下终止条件：蓄电池终止电压（电池电压、电池组电压）；放电时间；电池温度；通信中断。

放电控制回路应简单可靠，尽量减少对蓄电池原有充放电回路的改动。实施远程放电时，蓄电池不得与直流负荷脱离。

图1 一种简单易行的远方放电控制电路

图1为一种简单易行的远方放电控制电路。在蓄电池端口，串入一组并有二极管的接触器的接点，利用二极管单向导通特性，实现蓄电池与充电机的隔离，通过控制接触器的分合，即可实现蓄电池的充放电。如放电时，出现充电机故障或市电消失，蓄电池可通过二极管无间隙的向直流负荷供电。

实施远程放电时，应制定突发事件处置预案，备足常用备件，做好事故抢修准备。

2.2.4 远方放电时间及周期

电力系统故障的高发期是雷雨季节，这期间电网处于全保护、全接线的运行状态，也是对直流电源可靠性要求最高的时期。因此计划性的核对性放电工作应安排在雷雨季节前后进行。如此可在电网故障高发期前对蓄电池运行状态做全面的评估，及时发现并消除隐患，这对电网的安全稳定运行是必要的。经验表明，核对性放电时间安排在4－5月较为适宜。

实施了远程放电控制，使蓄电池的核对性放电更加方便快捷，且可以多个变电站同时进行。以1组300 AH蓄电池组按0.1C10电流进行50%核对性放电，正常情况下5 h即可完成。1天有效工作时间按6 h计算，每组蓄电池放电间隔10 min，那么1天至少可完成5～6组蓄电池的核对性放电。这样可以通过多次浅容量放电检测蓄电池状态，因此除每年4－5月进行一次50%容量的核对性放电外，还可在10－11月对蓄电池进行一次浅容量放电检测，放电容量控制在30%以内，终止电压的设定不小于2V。对于运行接近规定年限的蓄电池还可根据健康状况适当增加放电检测的次数，以便了解蓄电池状况，及时发现问题严重的蓄电池。

3 结语

通过直流电源监控系统对直流电源进行状态检测，尤其是实施蓄电池远程放电，确实存在一定风险，如电池爆裂、容量耗尽、开路等。为了避免这些突发事件的发生，应严格控制蓄电池放电电流及放电的深度，防止通过远程放电方式进行全容量核对性放电，放电深度应严格控制在额定容量的50%以内。经验表明，对一些性能明显劣化的电池，当放出其额定容量的30%乃至10%，就可以被检测出来。通过这种灵活的检测方法，获得蓄电池的状态信息，并与原始数据（满容量时）进行比对，预测蓄电池可能的保有容量、运行寿命，可以达到与全容量核对性放电同样的效果。