直流电源运行与维护(0708)

直流电源运行维护技术交流杭州高特电子设备有限公司2007.8RS485电池交流配电整流模块整流模块整流模块整流模块降压摸块1交流监控单元模块监控单元直流监控单元系统监控模块降压摸块2RS485RS232合闸母线控制母线充电机电池组馈线监控直流电源系统概要存在的问题电池的运行与维护？从开口式电池到阀控式电池，蓄电池不论是工作原理和失效机理都发生了很大变化，可我们的认知及检测维护手段却相对滞后了。如何提高和改进检测和维护手段成为了迫切需要解决的难点问题。馈线回路直流断路器的级差配合？随着直流系统重要性的提高，直流断路器级差配合问题越显重要。存在的问题充电机对电池及系统的影响？电源系统的主要负荷从继电保护到综合自动化，蓄电池组从开口式电池到阀控式电池，充电机也从相控电源发展到了高频开关电源，电源在整个系统运行中显得越来越重要，对充电机的要求也就提到了议事日程。Ⅰ阀控式铅酸蓄电池运行与维护阀控式铅酸蓄电池结构负极柱正极柱安全阀汇流排栅板隔板外壳阀控式铅酸蓄电池工作原理正极活性物质是二氧化铅，电极反应为：PbO2+3H++HSO4-+2ePbSO4+2H2O负极活性物质是海绵状金属铅，电极反应为：Pb+HSO4--—2ePbSO4+H+电池反应：Pb+PbO2+2H++2HSO4-2PbSO4+2H2O从反应式中可以看出，硫酸不仅传导电流，而且参与电化学反应，放电时硫酸不断减少，生成水，电解液浓度降低；充电时不断生成硫酸，消耗水，电解液浓度增加。Pb—H2SO4—H2O体系的氧化还原标准电极电位：V-=PbSO4︱Pb=-0.356VV+=PbO2︱PbSO4=1.865VE=V+-V-=1.865–(-0.356)=2.221V即电池电动势，通常近似为蓄电池开路电压。阀控式铅酸蓄电池特点利用氧再复合“水循环”原理，使电池正极析出的氧气通过隔膜扩散到负极发生氧化反应生成PbO2，并与H2SO4反应，最终生成水，避免了水的散失。全密封结构，用一安全阀控制电池内气体压力。VRLA(ValveRegulatedLeadAcid)采用玻璃纤维或胶体作为隔膜，吸贮电解液，贫液式，紧装配。阀控式铅酸蓄电池氧再复合机理2Pb+O2=2PbOPbO+H2SO4=PbSO4+H2O2PbSO4+2H++4e-=2Pb+2HSO4–O2+4H++4e-=2H2O2O-2-4e-=O2↑2H2O-4e-=4H++O2↑正极PbO2负极Pbe-e-O2H2O=2H++O-2O2O2O2O2O2O2O2O2阀控式铅酸蓄电池VRLA拥有先进的设计思想和工作原理，理论上有较高的可靠性和较长的使用寿命，厂家也都宣传有10～15年的浮充使用寿命。然而实际使用情况却强差人意，有些厂家的电池仅使用了二三年，甚至更短时间就出现了失效电池——阀控式铅酸蓄电池的早期失效失水充电时氧再复合反应不完全板栅腐蚀硫酸铅的存在，使负极长期处于非完全充电状态，形成不可逆硫酸铅充电过程中，由于紧装配密封结构使热量不易散出，导致电池温升过高失效负极板硫酸盐化热失控阀控式铅酸蓄电池的早期失效工艺设计缺陷渗漏液、极耳腐蚀断裂、阀盖开闭失灵等阀控式铅酸蓄电池的早期失效阀控式铅酸蓄电池早期失效原因电极材料的配方制备、安装化成工艺的非稳定因素和不一致因素，导致了电池性能的离散性，这给电池的运行留下了失效的隐患。当性能不一致的电池组成一组电池并投入运行时，各电池的浮充电压会有很大差异。经长时间运行后，浮充电压高的电池因长期过充导致失水和极板腐蚀；反之，浮充电压低的电池因长期欠充导致容量损失和极板硫酸化。电池性能劣化有自加速的趋势。2.25v2.25v2.29v2.23v2.24v2.24v2.25v2.25v——电池本身的离散性是电池早期失效的根本原因阀控式铅酸蓄电池早期失效原因——电池运行环境将影响电池使用寿命运行中过充、过放，没有定期进行检测维护。阀控式铅酸蓄电池的“贫液”式设计，使得电池对环境温度非常敏感（每增加10℃，寿命减少一半），所以良好的运行环境非常重要。同时对充电机也提出了较高的要求，要求纹波小，并有温度补偿（-3～-6mV/℃）。阀控式铅酸蓄电池运行维护维护建议：1）做好日常监测工作，保证蓄电池组处于正常工作环境（电压、电流、温度）a.浮充电时单体电池电压差最大为50mVb.均充电时电流不大于0.1Cc.环境温度控制在5℃－25℃之间，通风散热良好2）每三个月作一次活化性放电，0.1C/0.5-1h，可使蓄电池极板有效物质得到活化，容量得到恢复，使用寿命得到延长。阀控式铅酸蓄电池运行维护3）每年作一次容量核对性放电，50%－100%C，4）发现异常电池及时处理，宜采用对单体电池进行处理，活化/补充电/更换。5）对阀控电池不宜采用整组电池充电的方式对个别电池补充电，以防止其它正常电池被过充。6)注意电池间的连接电阻，在1C的放电电流下，每二个单体电池极柱间的电压降应小于8mV。阀控式铅酸蓄电池运行维护阀控式铅酸蓄电池运行维护阀控式铅酸蓄电池测试方法国家标准容量测试法：0.1C10小时放电（核对性容量测试）内阻测试法综合智能分析法状态检测法核对性容量测试法按国际标准IEC869-2（1995）《固定铅酸蓄电池一般要求和试验方法第二部分阀控式》、国家标准GB13337.1-91《固定型防酸式铅酸蓄电池技术条件》、国家电力部的行业标准DL/T637-1997《阀控式密封铅酸蓄电池订货条件》，阀控式铅酸蓄电池容量测试为：以电池额定容量（C）的10h率放电电流I10进行放电，并记录电池端电压、温度、放电时间，直至电池电压降至电压下限，计算电流与时间的乘积即为电池容量。如电池温度不为25℃，应进行换算。当检测蓄电池的容量即在25℃时实际容量等于或小于80%标称容量时为寿命终止。Cd=———————Ct1+K（t–25）一组电池如何进行核对性容量测试在变电站设计时，改变单电池组设计方案，以二组电池组替代一组电池组，便于维护和检修。如图：200Ah100Ah100Ah用备用电池组投入运行，对待测电池组进行全容量核对性放电。电池组不退出运行，把充电机电压调低到保护电压，利用实际负荷负载和外加负载对电池组进行浅容量(30-50%)放电测试，基本上可对电池状态作出了解。50%容量放电：在放电曲线上选50％容量的对应电压点Vs，作为放电电压保护点进行放电，当放到该电压点时即可近视认为已放出50％容量。VsVt50%C似Vs100%C0不退出运行，对电池组进行短时间放电，目的是发现落后电池。一组电池如何进行核对性容量测试充电机设备负荷蓄电池组空开/熔断器二极管放电负载对充电电压难以调整的直流系统，在电池组不退出运行的条件下，可串入大功率二极管进行放电。方法：先在空气开关或熔断器两端并联二极管，然后将其断开再进行放电。一组电池如何进行核对性容量测试当对电池组进行核对性放电测试完毕后，接入正常直流系统回路时，必须注意采取必要的保护，避免接入瞬间冲击电流引起充电机的过流保护动作或电池出口熔丝熔断的情况发生。延时接入：放电结束后不立即接回，待已放电的电池组电压回复到与充电机电压之差小于5V以内。限流接入：在电池组出口串接一个合适的限流电阻，以限制接入瞬间的冲击电流。状态检测法电压：通过测量电池的浮充电压检测电池状态可测出电池开路、短路、严重损坏电池如：浮充电压严重偏高，可能是电解液干涸栅板严重硫化，导致内阻增大引起。浮充电压严重偏低，可能是电池长期欠充或正极板腐蚀。电流：检测浮充电流是否正常温度：有无温度异常，但一般为环境温度内阻检测法电池内阻包括：欧姆内阻、电极化内阻（浓差极化和电位极化）。其中欧姆内阻包括：极柱、汇流排、板栅、板栅和涂膏层、隔膜、电解液等。显然，当由于栅板腐蚀、硫化或电解液干涸引起电池性能劣化时，将导致电池内阻的增加。R极柱R汇流排R板栅R板栅与涂膏R涂膏R电解质R隔膜R金属通路R化学通路XcEc=单体电压内阻检测法交流内阻：有正弦波和方波二种方式。给电池注入一个固定频率和固定电流的交流信号（一般使用1kHz、50mA，也有3~10Hz、300~1000mA的），然后对其电压进行采样，经过整流、滤波等一系列处理后，以交流电压分量与交流电流分量之比计算出该电池的内阻值。可反映电池趋势，有在线和便携方式，由于电流信号较小，精度稍差，易受干扰。内阻检测法直流内阻：短时间内（一般为2～3秒）强制通过一个很大的恒定直流电流（目前一般使用40A～80A的大电流），测量此时电池两端的电压，并按公式计算出当前的电池内阻。较接近实际情况，精度好，但在线方式不易实施。在DL/T637-1997标准中，直流内阻值定义如下：UU1U2I1I2IRi=—————U1-U2I2–I1内阻检测法测试方法比较核对性容量测试——准确可信，但费时费工，不易实施。有离线式和在线式二种方法。在线式测试时对系统具有潜在的危险。作为电池检验的标准，按规程定期对电池组进行核对性放电测试仍然是保证系统安全运行的无可替代的、必要的、有效的手段。电池电压巡检——仅能发现严重劣化电池。用于对电池充放电曲线或电池浮充数据的观察和记录。内阻（或电导）法——快速简便，易于发现失效电池，对了解电池性能变化具有重要参考意义。但需建立新电池原始数据用于比对，且电池内阻的与电池容量之间无一一对应关系。现有测试方法的缺陷基于在某一时刻对电池的测试，是一种静态的测试，它忽略了连续的、变化的信息。基于单一的测试方法，每一测试方法都忽视了电池的电化学体系的复杂性，都企图用单一的手段来达到测试的目的。综合智能分析法电池作为异常复杂的电化学体系，在时间和温度应力的共同作用下，时刻发生着微小的变化，这种变化必然在外部得到宏观的反映，如电压、电导、充放电曲线等，这种变化是动态的、连续的、相互关联的。batterybattery建立电池失效数学模型的依据随着电池使用时间的增加，电池组性能的劣化总是表现为个别电池的落后。表现为：伴随着电池性能的劣化，该电池相对于自身的电池电压离散度将逐步变大；伴随着电池性能的劣化，该电池相对于整组电池的电池电压离散度将逐步变大；伴随着电池性能的劣化，该电池相对于自身的内阻值将逐步变大，且相对于群体的离散度变大；伴随着电池性能的劣化，该电池的充放电曲线电压值相对于群体的值将逐步变大。电池电压的离散度表现Eos-500Maintenancecharging2.182.22.222.242.262.282.32.322.34020406080100120140160180200Maintenancechargingtime/dayCellvoltage/V电池电压的离散度表现4.855.25.45.65.866.26.46.6121416181101121141161181201221241261281301321341361381401421441461481501521541561581601621641系列9系列10wo电池电压的离散度表现电池电压的离散度表现电池充放电曲线的变化表现内阻大：充电上升快，放电下降快容量不足：充电上升慢，放电下降快短暂充放电趋势分析通过适当放电（1-5分的短暂停电或浅容量放电）检测电池内阻变化及容量估算分析电池充放电曲线的变化表现电池充放电曲线的变化表现电池内阻（电导）的变化瞬间负荷直流内阻趋势分析通过检测电池直流或交流内阻变化及趋势分析纵向比较：判断电池内阻增加的趋势，一般认为当电池的内阻大于初始值(基值)的25％时，电池将无法通过容量的测试，即电池的容量将在其额定容量的80％以下。横向判断：当不知道基准值时，可与整组电池的平均内阻比较。电池内阻（电导）的变化落后电池的发现和处理在实际使用中，电池都是成组使用的，由于电池制造的离散性和使用的原因，电池组失效的早期表现总是出现一些落后电池，而落后电池又将进一步加速整组电池的损坏。电池组的容量取决于该电池组中容量最低一节电池的容量。因而，发现并获知落后电池的容量，及时对落后电池进行处理是电池组运行维护的关键，是非常重要的。落后电池的发现和处理落后电池的