发电厂直流系统蓄电池组燃烧隐患的技术分析

苏晓亮

（广州华润热电有限公司，广东广州511400）

0 引言

直流系统作为发电厂厂用电中最重要的一部分，保证了在任何事故情况下都能可靠且不间断地向开关电器的远距离操作、信号设备、继电保护、自动装置及其他一些重要的直流负荷供电。

直流系统的构成包括蓄电池组[1]、充电机、监控系统、电池巡检装置、绝缘监测装置等。其中蓄电池组作为一种独立可靠的电源，在发电厂内发生任何事故，甚至在全厂交流电源都停电的情况下，仍能保证直流系统中的用电设备可靠而连续地工作，因此，在大容量机组的电厂中常设有多个彼此独立的直流系统。

在火力发电厂中，直流系统直接影响着设备动力及控制电源电压稳定性，影响着机组的稳定运行；而作为直流系统中最重要的组成部分，蓄电池组的安全性则尤为重要。国内外常出现因各类原因导致的蓄电池组发热、燃烧甚至爆炸事故。如2020年5月，南方某电厂正进行#2蓄电池组全容量核容工作[2]，工作开始后约4 h，#2蓄电池组起火爆炸，并引起同处一室的#1蓄电池组高温受热鼓肚变形。

1 试验分析

为进一步研究分析蓄电池组燃烧隐患的技术原因，及时采取措施加以防范，分别购买同品牌厂家同容量产品进行模拟试验，试验情况如下：

1.1 试验目的

（1）分析蓄电池在夹接不锈钢螺栓进行核容放电时，由于接触电阻不同，造成夹接点温度变化的规律；

（2）分析蓄电池进行核容放电时，由于各电池间连接松动，导致接触电阻不同，造成夹接点温度变化的规律；

（3）分析落后单节电池在放电过程中，内阻增大、电压变为负值时，蓄电池温度变化的规律。

1.2 试验数据及分析

试验环境温度27 ℃，采用7节2 V蓄电池串联组成蓄电池组。

1.2.1 模拟夹接造成接触电阻变大对电池的影响

测试夹接电池极柱不锈钢螺丝在松紧状态下所造成的接触电阻。

（1）试验方法：在一个新电池上拧紧螺丝后再拧松，用放电夹子夹在螺栓头上，然后用内阻测试仪分别测量电池极柱与螺栓、螺栓与放电夹子之间的接触电阻。

（2）试验数据如表1所示。

（3）试验结论：螺丝越松，接触电阻可能越大；夹接时由于螺栓紧固难于控制，造成接触电阻值不确定。

表1 试验数据1

1.2.2 模拟不同的接触电阻导致的发热情况

（1）试验方法：在夹子和正极极柱之间设置一可变但可控的有固定阻值的分流器，模拟夹子和极柱之间的接触电阻；放电电流60 A，红外热像仪测量正负极柱、夹子以及分流器的温度。

（2）试验数据：

1）负极极柱与夹子连接，接触电阻0.60 mΩ；正极夹子通过1.00 mΩ分流器连接到正极极柱螺栓；夹子和正极极柱之间的接触电阻1.60 mΩ。试验数据如表2所示。

表2 试验数据2

2）负极极柱与夹子连接，接触电阻0.60 mΩ；正极夹子通过15 mΩ分流器连接到正极极柱螺栓（电池放电30 min后变为落后反极电池）；夹子和正极极柱之间的接触电阻15.60 mΩ。试验数据如表3所示。

表3 试验数据3

（3）试验结论：

1）存在较大接触电阻的情况下，放电试验开始10 min内温度上升明显。

2）接触电阻较大，发热量也大，接触不良会导致接触点红热。

1.2.3 模拟夹接松动螺丝进行核容放电时的温度变化情况

（1）试验方法：总正极所在螺丝用手拧紧后反松一圈，总负极所在螺丝用手拧紧后反松两圈，然后用50 A电流放电，用红外热像仪监测落后电池温度。

（2）试验数据如表4所示。

1.2.4 电池间连接螺栓松动试验

研究螺栓松动造成接触电阻增大，试验松动造成连续红热，温度达到360 ℃以上时，对电池整体各部位的影响。

试验一：放电电流60 A，调整1、2号电池间的连接片和螺栓，将螺栓和极柱松动至打火，螺栓与极柱间的接触电阻20 mΩ，螺栓温度360 ℃以上，螺栓整体发红，持续2.5 h。

试验现象：极柱附近的ABS壳体烧裂，但电池壳体下部温度仍为30 ℃左右，说明电解液温度不高。

试验二：维持原电阻不变，加大放电电流至180 A，螺栓温度360 ℃以上，螺栓整体发红，持续1.5 h。

试验现象：同以上试验比较，密封环氧材料冒烟，极柱附近的ABS壳体烧裂，电池壳体上部温度已达到100 ℃，但电池壳体下部温度仍为30 ℃左右，说明电解液温度不高。

试验结论：螺栓松动导致连接接触电阻增大，会造成螺栓及连接条红热；电流越大，在同样电阻下，热效应越明显。

1.2.5 研究单节落后电池在串接放电试验时可能出现的异常

（1）研究将内阻较大的落后电池串接到新电池上，放电时出现的温升现象。

试验方法：串接7节电池，放电电流（I）60 A，研究7号旧电池内阻、负压及特性（U=E+IR）。试验数据如表5所示。

表4 试验数据4

表5 试验数据5

试验结论：正常电池温度为28～30 ℃，内阻在渐渐变大；而落后电池电压在放电过程中端电压变为负值，放电过程变为反极充电过程，内阻逐渐下降，反向电动势逐渐上升，电池温度逐渐上升。

（2）研究正常蓄电池及落后蓄电池放电时的发热情况。

试验方法：放电电流50 A，用红外热像仪监测电池温度。试验数据如表6所示。

表6 试验数据6

试验结论：放电过程中，落后电池的温度明显高于正常电池，这在热像仪中可明显看出。可以通过温度查找落后电池。

（3）研究落后蓄电池放电的同时，模拟接触电阻较大，造成极柱温度较高时，气体及电解液溢出的情况。

试验方法：串接7节电池，在7号电池正极及夹子端串接15 mΩ分流器，放电电流（I）60 A，研究7号电池发热及气体、电解液溢出情况。试验数据如表7所示。

试验现象：落后蓄电池在反极性充电过程中出现了蓄电池电解液通过安全阀外溢现象。

表7 试验数据7

试验结果：在较高温度（极柱温度60 ℃时）下，反极充电时，落后电池会通过安全阀溢出气体及液体。

2 试验总结

（1）不良的夹接及连接条、螺栓松动都会加大接触电阻，当接触电阻大到一定程度（约7 mΩ），就会产生红热现象，造成蓄电池变形。但单纯靠接触电阻的发热，很难导致电池燃烧，只有在环境温度较高或工作电流较大的特定助燃条件下，才可能引起蓄电池组燃烧。

（2）落后电池在放电过程中有明显的温升，尤其是过放电造成反极充电的过程中，会产生一定的气体压力，使电解液外溢，在工作电流较大及环境温度较高的特定环境下，可能引起蓄电池组短路，从而引发火灾。

（3）蓄电池内部短路是蓄电池组燃烧的常见原因，由于技术原因，本次试验未模拟蓄电池内部短路。

3 蓄电池组的维护建议

（1）由于夹接电阻的不确定性，不能采用不良夹接方式进行蓄电池组核容放电。

（2）在蓄电池组核容放电前，应确定连接条紧固。在放电的前10 min，要频繁认真检查各接头点的温度。

（3）在蓄电池组核容放电过程中，应加强蓄电池温度与单体电压的监测，及早发现落后单节电池，低于额定电压的要退出放电。

（4）在日常维护中，要加强对蓄电池内阻及接触电阻的测试，发现内阻较大的蓄电池及接触电阻较大时应及时处理。

（5）在日常维护中，要加强对落后单节蓄电池的测试，发现低于规定电压值的蓄电池应及时处理。