蓄电池在线监测技术在变电站的应用

1 概述

在变电站蓄电池作为备用电源在电力系统中起着极其重要的作用，在交流电失电或其它事故状态下蓄电池组一旦出现问题，供电系统将面临瘫痪，造成设备停运及其它重大运行事故。近年随着阀控式密封铅酸蓄电池（以下简称阀控蓄电池电池）在电力系统的广泛使用，由蓄电池故障而引发的事故时有发生，甚至造成着火、全站停电。阀控蓄电池由于特殊的阀控式密封结构，使得我们无法准确掌握蓄电池的健康状况，其“免维护”的这一优点，已经成为电池运行管理中的缺点和难点。在提高电池性能，减少维护工作量的同时，如何快捷有效地检测出早期失效电池并预测蓄电池性能变化趋势已成为电池运行管理的新课题。目前除了核对性放电、测端电压等常规维护检测手段外，随着技术的发展一些新的检测手段孕育而生，蓄电池在线监测这一新检测技术开始逐步运用到电力系统。

2 蓄电池在线监测技术应用情况

在电力系统变电站目前使用较多的蓄电池在线监测装置是电池巡检仪，电池巡检仪又分为两种，一种是测量蓄电池单体电压的巡检仪，结构是由一个主控模块和数个采集模块组成，主模块接收监控器的命令，发送电池数据到直流设备的监控器；采集模块中每个模块采集10～20节电池的电压、电流和温度；通过直流充电设备的监控器可显示各单节电池电压，判断故障电池的编号且给出报警。这类电池巡监仪一般由直流设备生产厂家提供，在订货直流设备时它是选配装置，由于功能单一、不能测试容量、且测量精度差、容易误报，限制了它的广泛使用。测试示意图如图1：



[图1 电池巡检仪测试示意图]

另外一种是智能巡检仪。智能巡检仪除了能测量蓄电池的单体电压，还具有测量和显示整组蓄电池的容量以及进行数据智能分析功能。结构上与上面一种类似，由主机和电池采集模块组成，主机可直接放置在蓄电池室内，数据显示和报警功能可通过通讯线送到控制室内设置的显示单元上。这类电池巡检仪一般由专业电池巡检仪厂家生产，它端电压监测部分同样误差较大、容易误报；容量监测，它是在电池放电和充电状态时测量电池电流及端电压的变化，并利用这些数据绘制曲线来分析电池的特性；通过内阻与端电压在充放电时产生的变化来分析电池容量，当蓄电池组在放电时内阻越大其端电压越低，而充电时内阻越大其端电压越高，找出特性最差的电池，根据欧姆定律计算出内阻，并描绘出电池组中哪些电池容量最小，利用特性曲线计算出电池组的容量。由于运行中，充放电电流是变化的，内阻不是一个恒定值，其计算分析出的容量不是很准确。

电池巡检仪主要是能够发现蓄电池短路、断路和电池异常等状况，但对蓄电池容量下降很难发现，即时能够监测容量，与真实容量有很大的差距。随着人们对阀控式密封铅酸电池研究的深入，蓄电池内阻已经成为衡量电池好坏的一个重要指标，内阻检测成为电池维护一个重要手段。内阻跟蓄电池容量之间没有严格的数学关系，无法根据单个电池的内阻值去预测蓄电池的寿命和容量，蓄电池内阻突然增大，蓄电池的容量将发生变化，通过对内阻测试数据不断累积和定量分析，可以推断出电池容量变化趋势和寿命情况。人工进行内阻测试耗时，测试数据少，一般要求一年一次，测试数据不能及时存储和多年保留，分析功能较差。因此在电池巡检的基础上，增加了内阻在线检测，并采用现代的通讯和计算机等技术，建立了蓄电池在线智能监控系统。系统主要由数据采集模块、放电模块、监控单元三部分组成，具有实时监测电池的运行参数（电压、电流、温度）、定时自动测试电池内阻、静态放电测量电池容量、综合测量判断电池性能及变化趋势以及显示报警功能，系统还可实现网络化、智能管理。如图2所示。



[图2  在线智能监控系统示意图]

与电池巡检仪不同，在这个系统增加了一个放电模块，放电模块能承受较大的冲击电流，它接收监控主机的放电命令，接通放电回路，电池通过负载放电，同时采集模块将采集每节电池电压的变化，在主机中得到了每节电池内阻特性曲线。放电模块也可作为长时间放电负载，实现对电池容量的核对性测试及整组电池的活化处理。这个系统实现对蓄电池全方面的监测和维护管理。

3 应用中存在的问题

蓄电池在线监测装置是电池检测和维护的一种新手段，尤其对无人值守变电站更加需要，它能够在第一时间及时发现蓄电池存在的问题，以减少运行人员和检修人员的劳动强度。但无论那种类型的蓄电池在线监测装置，在使用中都存在以下下几个问题，影响了在线监测所起的作用，反而增加一些维护工作。

3.1 电池端电压的测量误差

根据规程的要求，日常测量蓄电池端电压采用是高精度4位半的数字万用表，一般高精度万用表蓄电池直流电压档测量精度为0.7%以上，绝大多数蓄电池在线装置产品说明书上提到的测量精度达到了0.5%以上；显示测量数值有些蓄电池在线装置的测量端电压数值为小数点后2位，与规程要求有较大误差；有些装置测量值虽可以到小数点后3位，但与实际用表测量数值相差较大。从运行情况看，端电压在线监测的误差是随机，每个数值偏差都不一致，而且偏差值随着环境温度、浮充电压变化等而变化。表1为现场任意抽查几个蓄电池浮充电压，现场测试值与在线测量值的误差情况，现场测试采用FLUK111数值万用表直流档测量精度0.7%，在线测量为许继电源公司的WXJ－16型巡检仪，测试环境温度25℃。

表1  测试值与在线测量值的误差表



从抽检的情况看，现场测试值与巡检仪测量值误差较大，已经不能真实的反映蓄电池单体电压的情况。电力行业规程要求，在25℃时蓄电池浮充电压为2.23V-2.28V，如果测量误差超过10 mV，对蓄电池检测会带来一定的影响，使一些电压异常电池无法检测出来，电压正常电池会检测出异常电池。目前，国家和电力行业对蓄电池在线监测这类装置，没有制定相关的标准，各类产品的好坏无从考证。在运行使用时，由于数据缺乏真实性，日常维护变电站依然采用人工测试端电压，蓄电池在线检测作用大大减弱。

3.2 误报警

在用的电池巡检仪误报警现象比较多，除了因为测量误差引起的报警，还有比较多的是测量回路故障引起的报警。测量回路接线方式是在每个蓄电池的正、负极接一根采集线，带保险的一端与电池极柱螺栓连接，另一端接入采集单元。在运行中常常发现，由于保险管损坏、保险管与连接部分接触不良，而引起电压检测异常而引起报警。绝大部分蓄电池采集部分使用保险采用易损坏的玻璃管，由于玻璃管大小差异，容易出现接触不良的情况，这些误报警带来的维护工作量大大增加，不但没有减轻劳动强度，反而增加了不少工作。

3.3 内阻监测问题

蓄电池在线内阻监测，通过电池向放电模块瞬时放电，测量电池断电瞬间的电压差，计算电池内阻（R内阻=△V/I），内阻测试原理如图3。由于在线监测中出现的端电压监测误差、放电过程电流波动、断电前后电压补捉测量技术，以及在线连接线电量衰检等问题，内阻在线监测精度不高。目前，在国内美国ABLER便携式内阻测试仪应用较多，它的在线式内阻测试系统测试精度与便携式相比稍差，但与目前使用的其他产品相比还是要好些。


[图3 内阻测试有理图]

4 蓄电池在线监测技术的发展

当前，对阀控式铅酸蓄电池监测已逐渐成为一个热点，尤其是电力系统、电信、移动通信系统对蓄电池在线监测技术提出更高的要求，以满足重要系统的安全可靠性。蓄电池在线监测应从三个方面来提高系统可靠性，一方面监测可以保证蓄电池处于正确的运行状态，如对于蓄电池过充、欠充状态，能给出正确提示或警告。另一方面监测可以发现即将失效的蓄电池，即可监测发现短路、断路和容量下降蓄电池，以便及时提示处理。第三方面监测可以利用在线监测功能对蓄电池进行就地维护功能，如对异常的蓄电池进行及时活化处理、进行定期的核对性放电，不需要携带许多工具，就可以进行相关的维护工作，减轻了人员的劳动强度。

蓄电池在线监测还可以利用通讯手段进行网络化管理（如图4），将几个站或一地区的蓄电池监测通过光纤进行组网，建立一个实时远程智能化蓄电池监测网络化管理系统，以实现信息集中和远程控制，使运行检修人员、相关人员和管理决策层能够通过局域网内的任何一个终端用IE浏览的方式即可实时掌握各变电站蓄电池的运行情况及其性能变化趋势，使蓄电池得到及时的维护，同时也为“设备状态检修”提供可靠依据，将“定期维护检修”转变为“状态检修”，从而实现对蓄电池的科学化管理，保证系统的可靠、安全运行。



[图4 蓄电池监测网络化管理系统示意图]

当然，蓄电池在线监测技术的发展还是要研究高精度的检测手段，使监测的各类参数量值（端电压、内阻等），能够达到人工检测用仪器如高精度万用表、便携式内阻测试同样的水平，它是蓄电池在线监测技术生存的基础，也是广泛应用的基本条件。另外，监测工艺改进也是今后发展的方向，如蓄电池采集布线要更加合理，以减少线损；采集线接线要简单方便，减少保险原因引起的误报警。总之，蓄电池在线监测本身所具备优点，以及更多的扩展功能，广泛应用将是今后发展趋势。

5 结束语

目前传统的检测维护手段存在众多的缺陷，如：人工测量精度差、易受人为因素影响、实时性（尤其是在放电过程中）和连续性差等，核对性放电测试虽然落后电池，但一般每年一次，无法在测试前发现落后电池，也无法保证测试后的一年内不出现故障，且工作量很大，因此，传统的检测维护手段不但缺少信息的来源，更没有专业的综合分析手段，致使无法及时发现已发生的故障和存在的隐患，给生产和安全带来严重威胁。蓄电池在线监测技术的发展使取代传统的测试手段成为了可能，不但具备监测功能，还可实现综合分析、智能管理，如果能在测试精度方面加以提高，可以在电力系统得到更广泛使用。