变电站蓄电池开路检测方法及预防措施
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
深圳供电局有限公司的研究人员李锦强，在2019年第6期《电气技术》杂志上撰文指出，变电站用阀控式蓄电池在使用过程中存在开路隐患，而基于当前的运维模式难以检出。本文分析了变电站蓄电池内部开路的主要原因，针对电池的开路原因提出相应的检测方法，并为变电站运维人员提出预防蓄电池开路的建议。
变电站蓄电池作为直流系统的最后一道防线，在交流电故障状态下，能够可靠地为站内重要的一二次设备提供电源。保证安全装置正确动作，是保障电网安全运行的重要条件。目前大部分变电站使用的是阀控式铅酸蓄电池，在经过5～8年的使用后，会出现容量下降、内阻增大并最终失效的情况。
变电站使用的操作电源电压等级高，往往是由几十个甚至上百个电池单体串联后组成相应电压等级，也意味着任何一个单体异常，均会导致整个蓄电池组性能急剧下降。特别是当单体开路时，会导致整个蓄电池组失效，最终导致严重的变电站事故。
由于电池本身的设计、生产及使用维护等原因，电池失效报废的情况时有发生，然而由于阀控式铅酸蓄电池内部处于密封环境，无法定期对电池的内部状况进行检视，使得阀控式铅酸蓄电池存在更大的隐性开路风险。国内多起变电站事故，都与直流系统有关，而蓄电池就是直流系统中的薄弱环节。
2013年3月南方电网某电网公司220kV变电站交流停电，出现蓄电池组无法提供直流电源的故障，造成事故扩大，后对故障电池解剖，发现内部有断裂开路的现象。2015年1月某35kV变电站在一次常规的定期切换试验中，发生蓄电池开路故障，引起全所直流母线失压，全部保护退出运行。
2015年9月国家电网某220kV变电站因大雨造成交流停电，因蓄电池组容量不足，在处理故障的过程中，使直流母线失压，对故障电池解剖后发现内部负汇流排与负极柱处断裂明显，腐蚀严重，如图1所示。
图1 电池解剖图
变电站直流系统蓄电池长期处于浮充运行的工况，电压巡检仪上报出的电压过高信息可能是由电池过充造成的，难以从电压在线监测上发现开路电池。电池离线检测能够通过开路电压、内阻等初步判断电池是否开路，但是变电站电池离线检测只能周期性地进行，最多一个季度检查一次。两次检测之间的间隔时间越长，电池在此期间出现电池开路的风险越大。
本文分析了变电站蓄电池内部开路的主要原因，并提出了目前针对电池开路检测的主要方法及预防措施，为变电站蓄电池开路的预防提出建议。
1 电池开路的主要原因及检测方法
1.1 接条开路及其检测方法
如果电池在使用过程中出现部分连接点出现腐蚀氧化等现象，就会造成开路。例如，在安装时没有拧紧连接条的螺丝，使得连接条电阻增大，时间久了就会烧坏连接条，造成开路；蓄电池所处的环境造成蓄电池连接条被腐蚀，时间一长便会造成开路；长时间未对蓄电池进行检查维护，连接条老化断开也会使蓄电池开路。连接条开路之前一般会有一个渐变的过程，若变电站维护人员定期对蓄电池组进行目视检测、卫生打扫等作业，则比较容易发现。
1.2 电池开路原因及检测方法
正常2V 300AH电池单体内阻一般在0.5m 左右，在放电过程中因电池内阻产生的反向端电压很小，内阻越大，反向端电压越大。正向端压降逐渐增大，当单节电池的内阻增加到一定值时，电池的正向端电压几乎为0。若内阻的进一步增大，则会产生反向电压，从而影响蓄电池组的对外放电，导致电池组无法提供满足负载供电的电压，造成无可挽回的损失。
阀控式铅酸蓄电池一旦开路失效，电池往往就会出现正极板栅腐蚀、失水、热失控、负极板汇流排腐蚀、硫酸盐化等故障，这些故障均会导致蓄电池的内阻变大。
1）蓄电池失水及热失控
失水是阀控铅酸电池特有的故障，在使用过程中，浮充电压过高，充电电流过大，会使氧复合反应效率降低，内部压力增大，气体排出导致水分损失。此外，电池室温偏高、排气阀开起压力过低和外部气压低等，也会加快电池失水速度。
当电池内部缺水时，会降低参与电化学反应的离子活度，导致电池内阻加快上升。而电池组在充电电流、温度以及失水等多重作用下会发生累积性的增强作用，最终导致热失控，使电池发生不可逆的损伤。
2）负极板硫酸盐化
如果蓄电池组长期处于欠充状态或者在半放电状态下长期储存，就会致使负极板上的活性物质硫酸铅再结晶而形成坚硬而粗大的硫酸铅。如果硫酸铅短时间内不能在电池内部发生化学反应，就会使硫酸铅失去活性，以后将不能再参与化学反应。粗大的硫酸铅结晶附着在活性物质的微孔上，阻止硫酸溶液深入与电流传输，使蓄电池内阻变大，导致蓄电池充放电性能严重恶化。
3）正极板栅腐蚀
在浮充过程中，由于氧气的再化合作用，使得整机板栅的电位比流动电解液电池中的电位高，正极板栅处于较高的酸性环境中，容易使正极板栅受到腐蚀，正极板栅腐蚀是限定电池寿命的重要因素之一。运行过程中电池失水或环境温度过高会进一步提高电池内部的电解液比重，加快电池正极板腐蚀的速度，使极板活性物质相对腐蚀前变少了，最终导致电池容量变低。
4）负极汇流排断裂
由于负极发生氧复合反应，负极汇流排处呈碱性环境，使得金属铅不断被腐蚀而形成硫酸铅，当正极板栅受到腐蚀时，正极上的析氧反应加剧，使负极氧复合反应增大，加剧了负极汇流排的腐蚀速度，而电解液的失水增加了氧气的传递通道，加剧氧复合反应，同时也增加电池热失控的风险。
由上述分析可以发现，电池失效的原因往往都不是独立存在的，而是相辅相成，并最终都会导致电池内阻增大，容量下降。通常对于电池内阻逐渐增大的电池，可以通过日常的电压、内阻、核容等检测方式检出。变电站目前蓄电池配置都会有足够的冗余，即使容量下降至80%，也还能够支撑负载用电。
但是，正极板栅腐蚀导致的板栅断裂隐患以及负极汇流排腐蚀导致汇流排断裂的情况具有一定的突发性，在正常的电压、内阻、0.1C核容放电的条件下，其电性能值基本能保持正常，一旦交流失电、变电站前期需要较大电流供电时，已严重腐蚀的汇流排就会被烧断，引起蓄电池组开路，彻底失去应有的功能。
在蓄电池放电的瞬间，电池内阻的影响会产生电压跌落，包括充满电解液的隔膜电阻、板栅的欧姆电阻、活性物质电阻，以及固-固、固-液接触面和电解质电阻。当蓄电池的内部性能发生变化时，其内阻的变化可以通过电压跌落的特征曲线来表征，放电电流越大，电压偏差值也越大，其特征曲线也会更加明显，如图2所示。
经过6ms的瞬间大电流放电后，容量为标称容量100%的电池，电压下降的幅度不大；容量为标称容量80%的电池，其电压最低下降至1.9V；容量为标称容量10%的电池，其电压下降至1.8V。
图2 大电流短时放电的曲线特征
大电流短时间放电对板栅与汇流排熔融断开的检测原理：当板栅与汇流排之间出现焊接问题或者腐蚀时，对于栅板与汇流排部分断开的蓄电池，其他栅板需承担更大的电流，熔融加速，引起恶性循环，最终导致栅板与汇流排的完全断开。
但在放电电流超过一定的范围后，就应该考虑大电流放电对电池损害的问题了。通常认为将放电电流选在0.3～0.5C以内，可以比较好地获得内阻测试精度，同时又不会对电池造成损伤，因此大电流短时放电的放电范围可选择0.3～0.5C。
1.3 电池开路检测及分析
根据上述检测方法，对双登GFM-400型号蓄电池进行开路测试，选取1个电池样本，以120A的电流进行10ms的放电，并同时采集样本电池电压随时间变化的曲线，如图3所示。
图3 样本电池在大电流放电下电压的变化曲线
从图3样本电池电压跌落的曲线可以看出，经过大电流放电后，电压偏差较大，样本电池电压下降至1.5V以下，由此判断，该样本电池的容量已经低于标称容量的10%，内部已出现开路故障。对其进行解剖分析验证，发现其内部极栅已经出现粉末化，如图4所示。
图4 样本电池解剖图
2 蓄电池开路预防措施的建议
从上述分析可以看出，排除质量原因，一般的电池开路都是一个长期作用的过程，只是有些电池开路不容易在现有的检测机制下及时被发现。随着变电站无人值守的发展趋势，对电池开路的预防提出更高的要求。
1）定期对蓄电池用大电流短时放电，并对各电池单体电压进行在线录波，一方面通过放电数据能够计算电池内阻，对电池进行性能判断；另一方面可以对电池的负载能力特征进行检查。筛查隐性开路电池，建议在线放电电流不小于本地负载电流的最大值。
2）摈弃传统的阀控式铅酸电池“密封”、“免维护”的概念，在蓄电池运行过程中出现容量下降的趋势时，考虑采用添加修复液进行充放电活化修复等手段，使蓄电池容量得到恢复，电池内阻恢复至出厂水平，缓解电池内部正极板栅腐蚀、电解液干涸、负极汇流排腐蚀等速度。
3）严格执行定期对蓄电池组的核对性年度容量测试，并全程监测电池组及各电池单体充放电过程的电压数据，并通过数据库进行建档存储。通过横向对比整组电池各电池单体电压的曲线筛选电池组中的异常电池的进一步测试，以及纵向对比单个电池时间轴上的电压变化趋势，对电池性能变化趋势进行预判。
变电站直流系统用阀控式铅酸蓄电池的“免维护”只是针对开口式电池无需定期加水进行维护而言的，我们在理性看待其使用优势的同时，还要正视存在的新的安全隐患。蓄电池的开路检测是蓄电池维护相关人员的一项持续的、重要的工作，在直流系统交流停电时，才能真正发挥其应急供电的作用，一旦开路或失效，就会带来不可挽回的损失。