变电站蓄电池维护策略的“非线性”关系研究秦滋香

变电站蓄电池维护策略的“非线性”关系研究秦滋香

秦滋香

（西双版纳供电局云南西双版纳666100）

摘要：蓄电池组在交流电源断电期间，为控制、合闸、信号、综合自动化提供动力电源，关系到变电站一、二次设备的安全稳定运行。关于这类蓄电池的维护策略类目繁多，但各类文献无外乎是提供多种方法来提高蓄电池的寿命，常常胡子眉毛一把抓，没有理清各因素之间的相关性和蓄电池的运行规律。本文以“非线性”关系原理为支撑，形象的展示各自变量与变量之间的关系，让人一眼看懂影响蓄电池寿命、电池容量甚至引发事故的各类因素，以及各类因素之间的相互作用。同时，通过“自动控制原理”逻辑图展示反馈回路，对变量进行调整。为运维人员提供了一个直观的逻辑关系图，对蓄电池维护提供重要的指导依据。

关键词：变电蓄电池维护非线性关系自动控制原理

一、前言

在电力系统中,直流系统是变电站不可或缺的重要设备，主要为控制、信号、继电保护、自动装置及事故照明等提供可靠的直流电源。而蓄电池组又是直流系统中最重要的组成部分，在交流系统断电期间，蓄电池作为泵“电”的心脏，承担起直流系统供电的重要任务。因此,保障蓄电池的可靠稳定运行对确保电力设备的安全运行具有十分重要的意义。近年来，变电站广泛使用的是阀控式密封铅酸蓄电池，由于其在使用过程中无须加蒸馏水，密封性好,因此也被称为“免维护”蓄电池。但正是由于“免维护”的称号，使得运维人员放松了对阀控铅酸蓄电池的日常维护和管理,导致蓄电池在实际使用中经常出现容量不足或者过早失效的现象。因此,正确使用和维护蓄电池对提高其使用寿命具有十分重要的意义。本文通过提出“非线性”关系及“自动控制”逻辑图，形象直观的找出影响蓄电池寿命和容量的因素，以及如何根据蓄电池的状态来调整“影响因素”，达到一个“输入-反馈”的目的，为运维人员提供一个运行维护的思维导图。

二、蓄电池工作原理

阀控密封式铅酸蓄电池的工作原理为双极硫酸化理论，化学反应可用如下方程式表示。

三、蓄电池的两大工作状态

蓄电池一旦出厂，根据其自身的化学特性，即在充电和放电两种状态之间进行循环，放电是一种自发状态，充电是一种激发状态。

（一）放电：放电可分为静置性放电和负荷性放电。静置性放电：只要蓄电池不接入

外部电源，就会保持放电状态，也就是说，蓄电池即便不带负荷或者静置时，也会发生缓慢的放电过程。因此，在蓄电池技术规范中规定：“蓄电池封置90天后，其荷电保持能力不低于85%”，因此，当蓄电池出厂后静置一段时间后，需对其进行充电操作，维护其正常容量。在变电站内，蓄电池在正常状态下与直流电源并联，不带负荷，但仍存在缓慢的自放电过程，为了维持其正常的额定容量，也需要采用充电机对其进行持续充电（这种过程称为浮充：即进行恒压充电），以补偿其“静置”时损失的电能，以保证变电站内交流失电时，蓄电池能为事故照明、保护测控装置、信号装置等提供电源。负荷性放电：蓄电池接上负荷后，作为电源向负荷输出电能。

（二）充电：变电站内的蓄电池充电可分为浮充和均充。均充：即进行恒流充电，为蓄电池充电初期，以一定的电流值对蓄电池进行充电，不断增加蓄电池的电压和电能；浮充：即进行恒压充电，为蓄电池的充电末期，保持电压不变，以很小的电流对蓄电池进行充电，主要是补偿蓄电池自放电损失的电能。

四、影响蓄电池两大工作状态的因素

因为缺乏正确的维护，以及蓄电池本身的单体差异，在蓄电池充电和放电过程中，可能会造成过充、过放、不完全充电、不完全放电等情况，这些都会影响蓄电池的寿命、容量，甚至导致事故。此外，温度也是影响蓄电池运行的一大因素。

（一）过充：1、电池充电时正极由硫酸铅(PbSO4)转化成二氧化铅（PbO2），负极则由硫酸铅（PbSO4）转变为铅（Pb）。在充电末期，会发生水的电解反应，正极开始产生氧气，正极产生的氧气透过隔膜传递到负极，与负极铅化合成氧化铅，氧化铅与硫酸化合生成水，如果充电电压过高，会有大量氧气产生，因氧气来不及化合使内压急剧增加，最后冲开安全阀释放出来，造成水的损失，严重影响电池寿命。2、蓄电池在长期过充电状态下,正极因析氧反应,水被消耗,H+增加（参照本文图2）,从而导致正极附近酸度增加,板栅腐蚀加速,板栅变薄,使电池容量降低；同时因水损耗加剧，将使蓄电池有干涸的危险,从而影响蓄电池寿命。3、长期浮充电:蓄电池在长期浮充电状态下,只充电不放电，势必会造成蓄电池的阳极极板钝化,使蓄电池内阻增大,容量大幅下降,从而造成蓄电池使用寿命缩短。

（二）过放：电池在放电时，正极由二氧化铅转变为硫酸铅，负极由海绵状铅变为硫酸铅（参照本文图1）。放电过程中电池电压逐渐下降，硫酸浓度不断降低。在放电末期，由于正负极生成的不良导电体硫酸铅逐渐积累，使电极欧姆电阻迅速增大,当出现过放电时，部分硫酸铅再充电时不能正常转化和恢复，下次放电时电池容量降低。多次过放电会造成电池容量迅速衰减，使用寿命显著缩短。

（三）环境温度:蓄电池在25℃的环境下，可具有较长的使用寿命。当温度升高时,蓄电池的极板腐蚀将加剧,同时将消耗更多的水,从而使蓄电池寿命缩短。阀控铅酸蓄电池的容量是随着温度的变化而变化的,25℃时蓄电池的容量为100%；高于25℃时,每升高10℃蓄电池的容量会减少一半;而低于25℃时,容量将会温度的降低而减少。

五、蓄电池运行中的“非线性”状态

从以上分析可得出，在蓄电池运行中，放电、充电、温度是影响蓄电池寿命和容量的三大因素，过放电、过充电、高温都会降低蓄电池的寿命和容量，低温也会减少蓄电池单次使用的容量。因此，如果把放电、充电、温度作为自变量，蓄电池容量、寿命作为因变量的话，两类变量之间可通过如下非线性函数来进行表达。

X1：正常温度；X2：正常充电电流；X3：正常充电电压；

Y1：蓄电池额定容量；Y2：蓄电池正常使用寿命

f(X1,X2,X3)=F(Y1,Y2)

a（a1～a9）：温度、电流、电压的影响系数

b（b1～b6）：寿命、容量偏离正常状态的倍率

非线性矩阵如下：

从表达式中可以看出，自变量和因变量之间不是一一对应关系，而是存在多个相关的关系，可以使一对多，也可以是多对一，一个自变量的变化可能导致两个变量的变化，多个自变量的变化会引起一个因变量的变化，通过置以系数不同的值，可以得出变量之间的相互关系，这也正符合蓄电池运行的实际。

六、采用“自动控制”原理指导蓄电池运维

（一）输入回路。在逻辑回路中，我们可以看出（a11，a12，a13）构成了蓄电池的一种运行状态，在固定的状态下，会对蓄电池的寿命、容量构成一组（b11，b12）的影响。比如，当温度X1为25℃时（电压X2、X3均为正常状态），（a11，a12，a13）=（1,0,0），蓄电池的寿命Y1，Y2为正常状态，（b11，b12）=（1,1）；当温度升为35℃时（a11，a12，a13）=（-1,0,0）（电压X2、X3均为正常状态），蓄电池寿命减半，（b11，b12）=（-1/2,1）,寿命为:1/2Y1，为正常寿命的一半。因此，可以通过多个试验，找出相应的函数关系f，有利于掌握不同输入状态下，不同条件对蓄电池寿命和容量的影响。

（二）反馈回路。反馈回路用于指导巡视维护。当通过在线监测仪器间接测出蓄电池的寿命Y1和容量Y2后，应该对蓄电池的充电电压、电流、运行温度进行调整，以保证蓄电池正常运行。如在蓄电池核对性放电过程中，如果发现蓄电池单体容量急剧下降，应对其予以更换；当发现蓄电池浮充电压、电流异常时，应对充电机参数予以调整；蓄电池不要长期处于浮充状态，应该每季度进行一次充放电循环，检查讯电池容量。

（三）变量调整。因输入X和输出Y为不同的计量单位，在后续的非线性网络构建中，还要考虑将两个变量进行标幺化。

七、小结

蓄电池作为变电站的“后备粮草”，在变电站交流失电期间可谓是电能输送的中枢，但因其不用加水，密封性好而被冠以“免维护”的标签，常常导致运行人员对蓄电池疏于维护，而只是简单的电压测量、数据核对，很难发现蓄电池运维中的异常，这给后期蓄电池接入负荷带来很大的隐患。在版纳地区，10kV开闭所、多个110kV及以下变电站蓄电池组与保护装置被安装在同一个小室，空间密闭、狭小，同时，蓄电池组在早期安装时并未安装在线监测装置，此外，对于开闭所，空调等降温设施不齐全，通风不畅，在夏季时期，室内温度可达35℃，这给蓄电池运行带来很大压力，这就要求运维人员在硬性设施配置不足，缺乏“智能监测装置”的情况下，掌握蓄电池运行的“非线性”关系和“自动控制原理”，把握运维中的重点，周期性地对蓄电池进行有效维护，才能保证直流系统的正常运行。

参考文献：

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