站用VRLA电池组状态判别及性能校验技术研究

杜旭浩，李秉宇，苗俊杰，王浩彬，马建辉

(1.国网河北省电力有限公司电力科学研究院，河北石家庄 050021；2.国网河北省电力有限公司，河北石家庄 050021；3.河北创科电子科技有限公司，河北邯郸 056107)

阀控式铅酸(VRLA)电池以其相对成熟的制造工艺和较低的生产成本成为变电站直流电源系统后备电源的首选[1-3]。近期，由于VRLA 电池本身质量缺陷、运行工况不良以及电池回路出口保护电器故障等原因导致的电池回路开路故障时有发生，严重影响变电站安全可靠运行[4-5]。能否有效判别浮充状态下电池组性能，并保证站用直流电源系统交流失电的情况下，电池组能够可靠供电，成为人们关注的焦点。文献[6]采用浮充电流法判断蓄电池运行状态，具有一定参考价值，但该方法受测量精度影响，且不能检验电池组的实时带载能力；文献

[7]基于负荷电流放电法对蓄电池容量及运行状况进行评估，但需要对充电机进行控制并改变充电参数，实用性受到影响；文献[8-9]分别提出了基于内阻监测的蓄电池故障预警方法和状态检修方法，一定程度上提高了电池组的运行可靠性，但是基于电池内阻单一参量的监测，并不能反映电池组回路的整体状况，且缺乏对电池组性能的有效核验。

本文分析了VRLA 电池组回路结构，提出了VRLA 电池组回路在线综合监测方案；研发了电池回路状态在线判别装置，实现了电池回路状态的实时监测和回路故障的可靠告警；开发了VRLA 电池组性能在线校验装置，在不改变电池回路结构及充电装置参数的情况下，基于二极管单相导电降压电路和电阻智能投切技术，实现了VRLA 电池组带载性能在线检测和负荷冲击性能校验，并在河北南网某110 kV 变电站进行了试点应用。

1 电池回路结构与监测方案

1.1 电池回路结构

变电站通常采用220 V 直流电源系统，VRLA 电池组作为后备电源，长期处于浮充电状态[10]，其回路结构如图1 所示。VRLA 电池组本体由104 节2 V 的单体VRLA 电池串联组成，每节单体电池之间采用铜质连接条连接，并通过正负极出线电缆经出口保护电器引至直流母线。连接条推荐采用软质铜线，避免硬质连接条因应力过大损伤电池极柱。出口保护电器目前主要采用熔断器加隔离刀闸的方式，熔断器用于回路过流保护，隔离刀闸用于回路检修时形成明显的断开点。在交流失电、故障跳闸或大负荷冲击等情况下，VRLA电池组应能可靠输出至直流母线，因此电池回路结构应简单可靠，避免串接不必要的电子器件，降低电池回路开路或限流风险。

图1 VRLA电池组回路结构图

1.2 回路综合监测方案

由图1 可知，VRLA 电池组能否可靠输出，除了电池组本体的性能状态外，还涉及出口熔断器、隔离刀闸、出线电缆、连接条等整个电池回路的运行状态。因此，对蓄电池的状态监测方案应涵盖整个电池回路，并结合多种监测量综合判断，避免VRLA 电池组脱离直流母线故障发生，主要的监测参量和告警推荐阈值如表1 所示。

表1 VRLA 电池组回路监测主要参数

2 电池回路状态在线判别技术

为有效检测电池回路运行状态，提出了一种综合多监测参量的电池回路状态在线判别方法。第一步是浮充电流监测，高精度采集浮充状态下的回路电流，通过监测分析浮充电流的异常变化，判断电池回路是否存在开路或异常接地。当浮充电流为零时，应排查电池回路是否开路，当浮充状态下回路电流异常增大时，应排查回路是否有接地故障。第二步是出口熔断器状态监测，传统方法依靠出口熔断器辅助触点来实现熔断器故障报警，但辅助触点经常由于氧化接触不良或卡死无法动作等原因，导致无法可靠报警。为此采用出口保护电器两侧电压差对比来判断熔断器状态。正常情况下，熔断器状态良好，其电池侧电压与母线侧电压基本一致，电压差为零。而熔断器一旦异常熔断时，熔断器电池侧电压为电池组开路电压，熔断器母线侧电压为充电装置浮充电压，因此熔断器母线侧电压将高于熔断器电池侧电压，两者之间形成电压差。第三步是电池组带载测试，通过定期自动通讯调低充电装置输出电压，使电池组短时承担负荷电流，根据电池单体电压、内阻等变化趋势，有效监测电池组的实际带载能力，及时发现电池内部极柱或汇流排断裂、电池虚接开路等隐性致命缺陷。

开发的电池回路状态在线判别装置硬件结构如图2 所示，通过高精度分流器采集电池组出口浮充电流，分流器测量误差不大于5 mA，电压监测单元分别采集正负极出口熔断器两侧的电压，并实时监测隔离刀闸的状态，一旦监测到异常状况，告警灯亮，并传至本地监控终端。此外，装置预留有与充电装置的通讯接口。

图2 电池回路状态在线判别装置示意图

3 VRLA 电池组在线校验技术

3.1 技术原理与装置开发

带载测试是检验VRLA 电池组性能的重要手段，传统方法需要与充电装置通讯来调低充电装置的输出电压，其受限于充电装置通讯协议是否一致并是否留有通讯接口。在电池回路状态在线判别技术研究的基础上，进一步提出了VRLA 电池组在线校验技术方案，保证充电装置和VRLA 电池组均不脱离直流母线的前提下，且无需改变电池回路结构、充电装置参数及通信设置，智能完成对VRLA 电池组性能的在线校验。具体的技术方案为：在保证充电装置不退出运行的前提下，利用二极管硅链的单向导通和自动降压特性，对充电装置直流输出电压进行适当降低，从而使VRLA电池组承担站用直流常规负荷，通过判断母线电压的下降速率，来有效验证VRLA 电池组的正常带载能力；通过电阻智能投切技术，定量投入模拟负载，模拟变电站多个断路器同时保护跳闸或合闸动作电流，并动态检测母线电压波动和压降，从而验证VRLA 电池组的耐负荷冲击性能；定时启动VRLA 电池组带载和冲击性能测试，可一定程度上抑制电池的硫酸盐化，并通过检测分析历次电池回路电阻变化，根据其变化趋势进行提前预警和异常告警。

开发了VRLA 电池组在线校验装置，装置由二极管硅链D、电压传感器TV1 和TV2、电流传感器TA、直流接触器K1、模拟负载电阻R、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块M、控制处理器(CPU)及接线端子M1+、M2+、M1－组成，结构原理如图3 所示。测试前，直流接触器K1 主触点处于闭合状态，二极管硅链D 被短接，通过电压传感器TV2 先检查充电装置及直流母线电压，判断直流系统的运行状况是否正常，确认正常后，方可进行测试。CPU 驱动直流接触器K1 线圈，使K1 主触点断开，二极管硅链D 投入运行，降低充电装置输出至母线电压，VRLA 电池组带直流常规负荷，考察电池组带载性能。之后，CPU 驱动IGBT 模块M 自动投入模拟负载电阻R，增大VRLA 电池组的放电电流，考察VRLA 电池组的耐负荷冲击性能。测试过程中，通过电压传感器TV1、TV2，实时在线监视充电装置的输出直流电压和直流母线电压，一旦充电装置或电池组出现异常状况，立即结束放电，恢复至正常运行状态。测试结束，CPU 驱动IGBT 模块M 断开模拟负载电阻R，控制直流接触器K1 主触点闭合，短接二极管硅链D，充电装置自动向负荷及电池组供电，系统恢复正常运行。

图3 VRLA电池组在线校验装置结构原理图

3.2 测试标准与结果判定

VRLA 电池组在线校验装置的测试标准及判定流程如图4 所示。

图4 VRLA电池组在线校验装置测试流程图

3.2.1 测试前检测

首先进行数据采集，分别采集直流母线与充电装置输出电压差Uy、直流母线电压Um、充电装置输出电流Id。当Uy、Um和Id均满足以下条件后，方可启动测试。

站用220 V 的直流电源系统中，VRLA 电池组浮充状态下充电装置输出电压在235 V 左右，而DL/T637-2019 标准中规定冲击放电时蓄电池组端电压不应低于202 V，因此测试过程中，一旦出现Uy大于33 V 的情况，自动默认VRLA 电池组失效。装置二极管硅链D 设定压降为35 V，一方面保证VRLA 电池组带载测试的正常开展，同时保证在VRLA 电池组失效的极端情况下，直流母线电压不低于200 V。同时装置具备VRLA 电池组失效快速恢复功能，检测到Uy大于33 V后能够快速恢复充电装置正常供电状态。

检测直流母线电压Um是否满足测试启动条件，装置设定可启动测试的Um电压范围为正常母线浮充电压上下浮动5 V。正常母线浮充电压为235 V 时，低于230 V 可判定为充电装置故障或交流失电，VRLA 电池组在对负荷供电，不应启动测试；高于240 V 可判定为VRLA 电池组处于均充状态，容量不足，不应启动测试。

检测充电装置输出电流Id是否满足测试启动条件，装置设定可启动测试的Id不应大于禁测电流，禁测电流设置值为母线负荷正常投入运行并且VRLA 电池组处于浮充状态时的电流值。

3.2.2 启动测试

满足测试条件后，装置立即断开直流接触器K1，投入降压硅链。若电池回路存在开路故障，直流母线电压将急速跌落至200 V，负荷电流通过装置内部的二极管硅链供电，中断保护启动，快速闭合K1 中断测试，并告警。若电池回路正常状态，负荷从充电装置输出转移到直接由VRLA 电池组输出，此时直流母线电压Um将平缓下降，Um等同于VRLA 电池组电压，其随时间的下降速率可以很好地表征VRLA 电池组性能优劣，典型的直流母线电压下降曲线如图5 所示。

图5 直流母线电压下降曲线图

参照图5，性能劣化电池1 s 压降，装置设定1 s 压降设置值为10 V，检测1 s 后Uy值，若Uy＜10 V，继续下一步测试，否则立即告警，闭合K1，测试完成；性能劣化电池6 s 压降，装置设定6 s 压降设置值为15 V，检测6 s 后Uy值，若Uy＜15 V，继续下一步测试，否则立即告警，闭合K1，测试完成；性能劣化电池30 s 压降，装置设定30 s 压降设置值为20 V，检测30 s 后Uy值，若Uy＜20 V，继续下一步测试，否则立即告警，闭合K1，结束测试。

之后90 s 内监测直流母线电压Um变化率，并等待VRLA电池组进入稳定阶段，当Um变化率＞100 mV/s 时则继续等待，如果等待时间超过90 s 或监测过程中Um变化率＜100 mV/s，则可继续进行下一步电池回路电阻测试。

3.2.3 回路电阻测试

通过直流放电法对VRLA 电池回路进行电阻测试，若实际站用负载电流小于10 A，则通过投切负荷电阻加大负荷电流至10 A，若实际站用负载电流大于10 A，则以实际负荷电流进行测试。测试过程中检测充电装置状态，一旦充电装置自动转为均充状态，其输出电压经降压硅链后将有10 V 左右的电压抬升，并对放电负荷供电，此时不能有效考察电池回路电阻，应直接中断保护并恢复正常运行，等待充电装置浮充状态时再进行电阻测试。

回路电阻测试结束后，对检测结果进行判断，若测试结果在电阻设定范围内则继续下一步冲击负荷测试，否则立即告警，闭合K1，结束测试，并逐步检查电池螺丝、连接线、电缆接头、电池保险、电池开关等环节是否出现锈蚀、接触不良、虚接等异常情况。回路电阻设定范围应参照安装后初次实测值和估算值进行设定，首先根据电池和电缆情况进行回路电阻估算，初次实测值应与估算值接近，否则检查回路连接是否异常，无问题后按首次实测值上浮10%为回路电阻最大设定范围，一般不超过1 Ω。

3.2.4 冲击放电测试

回路电阻测试正常后，进行4 个循环冲击放电测试，每个循环为30 s，施加0.5 s 6 倍I10的冲击负荷电流，然后等待29.5 s，重复下一循环。施加0.5 s 冲击负荷电流是考察VRLA 电池组在承担变电站正常负荷的情况下能否承担如断路器跳闸等冲击负荷的要求。在4 个循环冲击过程中始终检查直流母线电压Um是否符合条件，任一循环中若Um小于202 V 则立即停止测试，并告警，闭合K1，结束测试。

3.2.5 测试结束

冲击放电测试结束后，整个测试完成，闭合K1，使系统完全恢复到正常运行状态。通过设置自动启动时间来实现定期自动启动，一般建议设置为7 天左右，也可人工启动测试。装置定时启动时会自动等待测试条件允许后进行测试，避免此次周期测试失效。以上测试步骤，任一步骤出现告警及测试中断，均判断为VRLA电池回路异常，检修人员应尽快处理。

4 试点应用

选取河北电网某110 kV 变电站进行了试点应用，该站直流电源系统采用单直流母线分段供电方式，两段直流母线各带一组充电装置和一组VRLA 电池。两组VRLA 电池为同一厂家同一批次产品，每组容量为200 Ah，均于2019 年6 月投产运行。2019 年7 月，将开发的电池回路状态在线判别装置和VRLA 电池组在线校验装置应用于1 号VRLA 电池组回路，2 号VRLA 电池组回路未安装，如图6 所示。

图6 装置现场实际安装图

为验证成果有效性，进行了极端状况下的VRLA 电池组失效故障模拟，断开1 号VRLA 电池组出口保护电器，电池回路状态在线判别装置监测到回路异常，及时发出了蓄电池组失效告警，本地监控告警界面如图7 所示。此时，按下VRLA电池组在线校验装置人工测试按钮，装置中断保护正确启动，并在90 ms 内快速恢复了充电装置正常供电，能够保障直流母线供电连续性和稳定性不受装置测试影响，直流母线电压实时波形如图8 所示。

图7 蓄电池组失效告警图

图8 直流母线电压实时波形图

VRLA 电池组在线校验装置设定为7 天自动检测一次，并保存历次的电池回路测试数据，装置自运行以来，状况良好。2019 年9 月，装置安装前对两组VRLA 电池进行内阻测试，1号VRLA 电池组内阻最大偏差为12.45%，2 号VRLA 电池组内阻最大偏差为11.48%，两组VRLA 电池的内阻一致性相差不大，如图9(a)所示。试点运行一年后，2020 年7 月，采用同一内阻测试仪对两组VRLA 电池再次进行内阻测试，1 号VRLA 电池组内阻最大偏差为13.85%，2号VRLA 电池组内阻最大偏差为19.46%，如图9(b)所示，1 号VRLA 电池组内阻一致性明显好于2号VRLA 电池组，周期性的带载和冲击试验一定程度上为1号VRLA电池组起到了活化除硫的作用。

图9 VRLA电池组内阻值

5 结论

为了提高站用直流电源系统VRLA 电池回路供电可靠性，本文提出了VRLA 电池组回路在线综合监测方案，基于综合多参量监测、二极管单相导电降压和电阻智能投切技术，研发了电池回路状态在线判别装置和VRLA 电池组在线校验装置，实现了VRLA 电池回路的在线监测预警和VRLA电池组的性能校验。通过试点变电站的应用，验证了装置的有效性。试点经验表明：电池回路实时监测和定期带载测试有助于及时发现电池组脱离母线；定期进行适度放电冲击一定程度上可以减缓VRLA 电池硫酸盐化。