基于多頻點技術(shù)的蓄電池內(nèi)阻在線檢測及蓄電池內(nèi)阻與蓄電池容量相關(guān)度研究方案

       1．引言

根據(jù)上級部門下達的研究項目《基于多頻點技術(shù)的蓄電池內(nèi)阻在線檢測及蓄電池內(nèi)阻與蓄電池容量相關(guān)度研究項目》科技項目小組與深圳市普祿科智能檢測設(shè)備有限公司共同研制開發(fā)了“基于多頻點技術(shù)的蓄電池內(nèi)阻在線檢測及蓄電池內(nèi)阻與蓄電池容量相關(guān)度研究系統(tǒng)”。該系統(tǒng)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(wěn)定可靠，達到了預(yù)期的效果。

該系統(tǒng)采用國際先進的交流放電法多頻點在線監(jiān)測蓄電池的內(nèi)阻，結(jié)合電壓、電流等數(shù)據(jù)，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(tài)。系統(tǒng)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(xiàn)時，系統(tǒng)可提前預(yù)警，維護管理人員可根據(jù)預(yù)警信息及時處理，消除安全隱患。

本項目管理系統(tǒng)可以指導(dǎo)對蓄電池的維護方式進行創(chuàng)新，將以往的定期檢測，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐孕铍姵貙嶋H工作狀態(tài)為基礎(chǔ)的狀態(tài)檢測，確保供電系統(tǒng)的安全，因而具有十分重要的現(xiàn)實意義。

2．系統(tǒng)概論

      2．1 概述

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

直流設(shè)備的核心是蓄電池組，它與充電整流、直流網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成直流系統(tǒng)。

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(tǒng)中最后一道防線。在正常狀態(tài)下，它為斷路器提供合閘電源；在故障狀態(tài)下，當(dāng)機房交流用電中斷時，發(fā)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(shè)備的整流設(shè)備、通信提供電源?？梢?，直流電源是機房通信安全運行的可靠保證，發(fā)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(tǒng)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(chǎn)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(shù)，電池密閉封裝，運行中無需進行傳統(tǒng)的電解液控制維護，在業(yè)界得到廣泛應(yīng)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(dǎo)致用戶放松了對電池的日常維護管理，在實際應(yīng)用中暴露了越來越多的問題，而不合理的工作條件又導(dǎo)致電池的使用壽命縮短。更為嚴(yán)重的是由于缺乏有效的監(jiān)測維護手段，不能及時、準(zhǔn)確地掌握電池狀態(tài)，無法消除電池問題帶來的隱患。經(jīng)統(tǒng)計因電池問題造成的事故或停機的損失，往往遠(yuǎn)比電池本身價值要高得多。2011年3月11日在日本東北地區(qū)發(fā)生的大地震并由此引起的海嘯，而導(dǎo)致的福島第一核電站1～4#反應(yīng)堆因冷卻系統(tǒng)癱瘓，最終相繼發(fā)生爆炸而產(chǎn)生核泄露的災(zāi)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(guān)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(nèi)阻變大，呈退行性老化現(xiàn)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(zhǔn)，而不是以平均值或額定值（初始值）為準(zhǔn)，當(dāng)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(dāng)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(shè)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(jié)或幾節(jié)內(nèi)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(dǎo)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(tài)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(biāo)準(zhǔn)進行充放電，經(jīng)多次浮充--放電--均充--放電--浮充的惡性循環(huán)，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(diào)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(tǒng)的高效安全運行。

受當(dāng)前診斷技術(shù)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(chǎn)品壽命理論為基礎(chǔ)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(dāng)大，甚至有新電池幾個月就失效的案例。幾十節(jié)串聯(lián)的電池，只要一節(jié)過早損壞，如不及時發(fā)現(xiàn)，時間一長，整組電池即會失效。如果失效正好發(fā)生在兩次定期檢修之間，在停電或設(shè)備故障時，將會產(chǎn)生災(zāi)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(tǒng)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(xiàn)在：

2．2．1 電網(wǎng)運行存在安全隱患

根據(jù)有關(guān)規(guī)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(nèi)，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(fā)生變化，而維護人員對這些變化一無所知。一旦發(fā)生停電或故障需要蓄電池發(fā)揮作用，蓄電池狀態(tài)不良，就可能影響到電網(wǎng)的安全運行。

2．2．2 定期檢修無法實現(xiàn)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(chǔ)上的，即“定期檢測”的概念?！岸ㄆ跈z測”是在沒有很好的檢測技術(shù)和手段的情況下，人們基于概率統(tǒng)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(fā)生，但是從理論上不能保證系統(tǒng)百分之百安全，這對具有高度可靠性要求的系統(tǒng)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(shù)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(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)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(shè)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(xiàn)，使用超過5年的蓄電池一般會有比較嚴(yán)重的劣化現(xiàn)象，達到額定容量的很少。主要原因有二，一是蓄電池生產(chǎn)廠家對蓄電池的使用壽命年限是在理想運行環(huán)境下做的預(yù)測，實際系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)落后蓄電池，導(dǎo)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(tài)

由于缺乏良好的技術(shù)管理手段，運行維護人員無法充分了解并評價整個地區(qū)、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(shù)據(jù)的整理與分析，對蓄電池的內(nèi)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(shù)

過去，對充電機特性參數(shù)沒有真正意義上做過檢測，更無法遠(yuǎn)程監(jiān)測，假如要對充電機特性參數(shù)的檢測必須到現(xiàn)場采用專門設(shè)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(yán)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(tǒng)將立即崩潰。另外，接頭松動銹蝕極易造成火災(zāi)。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(dǎo)，運行人員認(rèn)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(jiān)測管理系統(tǒng)的作用

    本項目在線監(jiān)測管理系統(tǒng)的投入使用，可以產(chǎn)生以下作用：

2．3．1 提高供電系統(tǒng)的安全性和可靠性

本項目管理系統(tǒng)可以對各單節(jié)蓄電池的內(nèi)阻、電壓、充放電電流、溫度等參數(shù)進行在線監(jiān)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(shù)據(jù)，全面掌握蓄電池的狀況?？梢詸z測蓄電池連線電阻，當(dāng)接頭松動、銹蝕、即將斷線時，系統(tǒng)可以及時檢測出來?？蓹z測充電機特性參數(shù)，出現(xiàn)異?？杉皶r發(fā)現(xiàn)。一旦有危險隱患出現(xiàn)，系統(tǒng)將以聲光形式發(fā)出預(yù)警，提醒維護管理人員及時處理，避免事故的發(fā)生，極大地提高了供電系統(tǒng)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(tǒng)可以及時發(fā)現(xiàn)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?fù)p壞的可能，相應(yīng)延長了蓄電池的使用壽命。

2．3．3 節(jié)約成本

維護管理人員在各自權(quán)限范圍內(nèi)進入在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以及時掌握各各機房（站）蓄電池的狀態(tài)，大大減少了現(xiàn)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(zhì)

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

VRLA電池負(fù)極活性物質(zhì)為絨狀鉛，與硫酸溶液構(gòu)成難溶鹽電極；正極活性物質(zhì)為PbO₂，與硫酸溶液構(gòu)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(yīng)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(fù)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(yīng)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(zhì)溶液濃度有關(guān)。

3．2 鉛酸蓄電池的電極極化

    當(dāng)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(fā)生的極化。鉛酸蓄電池的極化，分為濃差極化、電化學(xué)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(fù)極表面附近的電解液濃度都要發(fā)生變化。這個變化除由于電極反應(yīng)外，還有電遷移和擴散的影響。

    在充電時，正極反應(yīng)的生成物中，有H⁺離子、SO₄^2-離子，負(fù)極的反應(yīng)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(yīng)中都要H2SO4分子參加，正極消耗H⁺離子、SO₄^2-離子，而負(fù)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(fù)極濃差極化超電勢：

η_C（－）=-0.02955lg（[SO₄