基于多頻點技術的蓄電池內阻在線檢測及蓄電池內阻與蓄電池容量相關度研究方案

       1．引言

根據上級部門下達的研究項目《基于多頻點技術的蓄電池內阻在線檢測及蓄電池內阻與蓄電池容量相關度研究項目》科技項目小組與深圳市普祿科智能檢測設備有限公司共同研制開發了“基于多頻點技術的蓄電池內阻在線檢測及蓄電池內阻與蓄電池容量相關度研究系統”。該系統在廣州移動西華機樓一樓電池機房UPS電池上投入運行半年多以來，性能穩定可靠，達到了預期的效果。

該系統采用國際先進的交流放電法多頻點在線監測蓄電池的內阻，結合電壓、電流等數據，判定電池的容量，使維修及管理人員及時掌握蓄電池的真實狀態。系統還具有連線電阻及充電機綜合特性測試功能，有危險狀況出現時，系統可提前預警，維護管理人員可根據預警信息及時處理，消除安全隱患。

本項目管理系統可以指導對蓄電池的維護方式進行創新，將以往的定期檢測，逐漸轉變為以蓄電池實際工作狀態為基礎的狀態檢測，確保供電系統的安全，因而具有十分重要的現實意義。

2．系統概論

      2．1 概述

眾所周知，電力系統中有三大設備，即一次設備（如主變壓器等）、二次設備（如保護、測量等）與直流設備。

直流設備的核心是蓄電池組，它與充電整流、直流網絡構成直流系統。

蓄電池組是一個獨立于變電后交流電源的直流電源，是電力系統中最后一道防線。在正常狀態下，它為斷路器提供合閘電源；在故障狀態下，當機房交流用電中斷時，發揮其“獨立電源”的作用，為繼電保護及自動裝置、斷路器跳閘與合閘、拖動機械設備的整流設備、通信提供電源。可見，直流電源是機房通信安全運行的可靠保證，發揮著不可替代的作用。直流電源本身的安全可靠是保證系統正常運行的重要條件。其中，蓄電池組作為后備電源，無疑是生產中的最后動力保障。因而，被人把蓄電池組比喻為變電站的心臟。

閥控鉛酸蓄電池采用陰極吸收技術，電池密閉封裝，運行中無需進行傳統的電解液控制維護，在業界得到廣泛應用。然而，電池密封在使用方便的同時，也使得檢測和維護更加困難，“免維護”又導致用戶放松了對電池的日常維護管理，在實際應用中暴露了越來越多的問題，而不合理的工作條件又導致電池的使用壽命縮短。更為嚴重的是由于缺乏有效的監測維護手段，不能及時、準確地掌握電池狀態，無法消除電池問題帶來的隱患。經統計因電池問題造成的事故或停機的損失，往往遠比電池本身價值要高得多。2011年3月11日在日本東北地區發生的大地震并由此引起的海嘯，而導致的福島第一核電站1～4#反應堆因冷卻系統癱瘓，最終相繼發生爆炸而產生核泄露的災難性事件，再次為人們敲響了警鐘。

實踐證明，VRLA電池端電壓與放電能力無相關性，VRLA電池和電池組在運行過程中，隨著使用時間的增加，必然會有個別或部分電池因內阻變大，呈退行性老化現象。實踐證明，整組電池的容量是以狀況最差的那一塊電池的容量值為準，而不是以平均值或額定值（初始值）為準，當電池的實際容量下降到其本身額定容量的90% 以下時，電池便進入衰退期；當電池容量下降到原來的80%以下時，電池便進入急劇的衰退狀況。衰退期很短，這時電池組已存在極大的事故隱患。

過去的維護和管理人員，往往只重視備用電源的設備部分的維護和管理，而忽視電池組的重大作用。殊不知，斷電的危險很大程度上就潛伏在電池組。整組電池充電的特性是，若電池組中有一節或幾節內阻變大的老化電池，其容量必然變小。充電器給電池組充電時，老化電池因容量小，將很快充滿，并導致電池電壓急劇升高，充電器會誤以為整組電池已充滿而停止充電，造成其余狀態良好的電池不可能充滿，長期未充滿的電池會因硫酸鹽化而使容量降低及壽命縮短。電池放電時，容量不足電池的電壓短時間就會急劇降低，整組電池提前達到截止電壓。因而電池組將以老化電池的容量為標準進行充放電，經多次浮充--放電--均充--放電--浮充的惡性循環，容量就會不斷整體下降，電池后備時間縮短。因此，如不及時檢測，找出老化電池給予調整，電池組的容量將變小，電池壽命縮短，繼而影響整個供電系統的高效安全運行。

受當前診斷技術水平的制約，目前我國對蓄電池的維護管理方式還主要采用以產品壽命理論為基礎的定期檢修和定期更換模式。然而，影響電池壽命因素眾多，即使同一廠家同一批次的蓄電池，實際壽命差別也相當大，甚至有新電池幾個月就失效的案例。幾十節串聯的電池，只要一節過早損壞，如不及時發現，時間一長，整組電池即會失效。如果失效正好發生在兩次定期檢修之間，在停電或設備故障時，將會產生災難性的后果。因此，目前的定期檢修模式實際上是存在安全隱患的，也是電力系統迫切需要解決的問題。

2．2 蓄電池維護管理目前存在的問題

從實際運行情況看，這個“通信機房的心臟”并沒有完全得到安全可靠的運行維護，仍然存在很大的安全隱患，主要表現在：

2．2．1 電網運行存在安全隱患

根據有關規程要求，對蓄電池在投入運行前驗收時進行核對性容量試驗，正常運行期間每1～2年進行核對性容量試驗。而兩次核容試驗之間的這一兩年內，由于有多種因素會影響蓄電池的狀況，蓄電池的實際狀況可能發生變化，而維護人員對這些變化一無所知。一旦發生停電或故障需要蓄電池發揮作用，蓄電池狀態不良，就可能影響到電網的安全運行。

2．2．2 定期檢修無法實現百分之百安全

目前的檢測維護制度是建立在定期檢測維護的理論基礎上的，即“定期檢測”的概念。“定期檢測”是在沒有很好的檢測技術和手段的情況下，人們基于概率統計的原理提出的一種檢測制度。這種制度雖然可以避免事故的發生，但是從理論上不能保證系統百分之百安全，這對具有高度可靠性要求的系統來說，其可靠性是無法滿足人們要求的。

2．2．3 檢修維護人員勞動強度大，工作效率低。

由于檢測維護人員少，而要維護的站點數量多，每天需要派人、派車，開票、下站，大量時間要花在路上。檢測得到的數據，進行數據處理也要花費大量的時間，造成檢測維護人員勞動強度大，工作效率低。

2．2．4 蓄電池壽命無法達到設計要求

蓄電池往往在使用一年后就開始有劣化的情況出現，使用超過5年的蓄電池一般會有比較嚴重的劣化現象，達到額定容量的很少。主要原因有二，一是蓄電池生產廠家對蓄電池的使用壽命年限是在理想運行環境下做的預測，實際系統都是對整組電池進行充放電管理，電池間的差異會越來越大，造成電池失水、硫化；二是在蓄電池的實際運行過程中，沒有得到有效的管理與維護，無法及時發現落后蓄電池，導致蓄電池劣化加劇，過早報廢。

2．2．5 運行人員無法評價蓄電池的性能狀態

由于缺乏良好的技術管理手段，運行維護人員無法充分了解并評價整個地區、各個站點蓄電池的運行情況以及性能狀況，沒有對蓄電池歷史數據的整理與分析，對蓄電池的內阻、剩余容量等都無法及時清楚地了解。

2．2．6 無法掌握充電機特性參數

過去，對充電機特性參數沒有真正意義上做過檢測，更無法遠程監測，假如要對充電機特性參數的檢測必須到現場采用專門設備進行測試，耗時長，勞動強度大。

2．2．7 接頭松動、銹蝕無法及時掌握，存在嚴重安全隱患

過去，接頭松動、銹蝕甚至接近斷線，完全無法掌握，一旦停電，直流系統將立即崩潰。另外，接頭松動銹蝕極易造成火災。這些安全隱患的存在，都將危及通信機房的安全。

2．2．8 蓄電池管理維護的理念需要改進

由于受到“免維護”的誤導，運行人員認為“免維護”就是不維護。這樣的維護理念，使得蓄電池的維護工作展開起來比較困難。

2．3 蓄電池在線監測管理系統的作用

    本項目在線監測管理系統的投入使用，可以產生以下作用：

2．3．1 提高供電系統的安全性和可靠性

本項目管理系統可以對各單節蓄電池的內阻、電壓、充放電電流、溫度等參數進行在線監測，維護管理人員可以隨時在計算機上查詢蓄電池的各項數據，全面掌握蓄電池的狀況。可以檢測蓄電池連線電阻，當接頭松動、銹蝕、即將斷線時，系統可以及時檢測出來。可檢測充電機特性參數，出現異常可及時發現。一旦有危險隱患出現，系統將以聲光形式發出預警，提醒維護管理人員及時處理，避免事故的發生，極大地提高了供電系統的安全性和可靠性。

2．3．2 延長蓄電池的使用壽命

項目管理系統可以及時發現個別劣化的蓄電池，提醒維護人員及時處理，從而減小了因個別蓄電池劣化而造成整組蓄電池損壞的可能，相應延長了蓄電池的使用壽命。

2．3．3 節約成本

維護管理人員在各自權限范圍內進入在線監測系統，可以及時掌握各各機房（站）蓄電池的狀態，大大減少了現場檢測工作量、人工費用和車輛費用。

3．閥控鉛酸蓄電池(VRLA蓄電池)

3．1 鉛酸蓄電池的電極性質

VRLA電池采用粉末多孔電極，即正負極板采用粉末狀多孔活性物質與其他組份配制后和基板（板柵）構成。板柵是活性物質的載體，同時傳導電流，負極板或正極板與硫酸溶液接觸后，便構成了鉛電極或二氧化鉛電極。

VRLA電池負極活性物質為絨狀鉛，與硫酸溶液構成難溶鹽電極；正極活性物質為PbO₂，與硫酸溶液構成氧化—還原電極。

鉛酸蓄電池電極平衡電勢可用Nernst方程計算。

3．1．1鉛電極電勢

鉛電極可用PbSO₄/Pb電對表示，其平衡電極反應為：

Pb+HSO₄^-=PbSO₄+H⁺+2e

鉛電極平衡電勢為：

E（-）= -0.356－0.02955lg([SO₄^2-])

其中[SO₄^2-]為電解液中SO₄^2-離子的濃度，公式表明，鉛電極的電勢隨著SO₄^2-離子濃度的增加向負值方向增加。

3．1．2 氧化鉛電極電勢

氧化鉛電極可用Pb⁴⁺/Pb²⁺電對表示，其平衡電極反應為：

PbO₂+3H⁺+HSO₄^-+2e=PbSO₄+2H₂O

氧化鉛電極平衡電勢為：

E（+）=1.685+0.02955lg([H⁺]⁴*[SO₄^2-])

其中[H⁺] 、[SO₄^2-]分別為電解液中H⁺離子、SO₄^2-離子的濃度，公式表明，氧化鉛電極的電勢隨著H⁺離子、SO₄^2-離子濃度的增加向正值方向增加。

3．1．3鉛酸蓄電池的電動勢

E_池= E（+）－E（-）

  =2.041+0.02955lg([H⁺]⁴·[SO₄^2-]²)

    公式表明,在一定溫度下,鉛酸蓄電池的電動勢僅與電解質溶液濃度有關。

3．2 鉛酸蓄電池的電極極化

    當鉛酸蓄電池進行放電，或進行充電，由于電流流過兩電極，使兩電極電勢離開平衡電極電勢而變化，則電極或電池便發生的極化。鉛酸蓄電池的極化，分為濃差極化、電化學極化和歐姆極化。

3．2．1濃差極化

（1）濃差極化電勢

    鉛酸蓄電池中有電流流過之后，正負極表面附近的電解液濃度都要發生變化。這個變化除由于電極反應外，還有電遷移和擴散的影響。

    在充電時，正極反應的生成物中，有H⁺離子、SO₄^2-離子，負極的反應生成物中有SO₄^2-離子。因此，電極表面附近的電解液濃度都要增大。而在放電時，兩電極反應中都要H2SO4分子參加，正極消耗H⁺離子、SO₄^2-離子，而負極消耗SO₄^2-離子，則電極表面附近電解液濃度要減小。

正極濃差極化超電勢：

η_C（+）=0.02955lg（([H⁺]c⁴·[SO₄^2-]c)/ ([H⁺]r⁴·[SO₄^2-]r)）

負極濃差極化超電勢：

η_C（－）=-0.02955lg（[SO₄