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电力系统用蓄电池的维护要求及故障处理
发布人:天津昌大科技发展有限公司    发布时间:2016年02月17日     浏览次数:665


在变电站和发电厂中,直流操作电源是其必备的重要设备之一,而蓄电池又是直流操作电源的核心部件。在变电站交流停电时,蓄电池组若不能可靠地供电,一旦发生事故,继电保护、自动装置及高压断路器就会因无直流操作电源而拒动,导致故障无法及时切除,甚至造成电网瘫痪等重大事故。
随着电力系统对安全运行的要求越来越高和电力技术的不断发展,智能一体化电源装置在数字化变电站得到广泛应用。智能一体化电源装置是将直流电源、电力用交流不间断电源(UPS)和电力用逆变电源(INV)、通信用直流变换电源(DC/DC)等组合为一体,共享直流操作电源的蓄电池组,统一监控并采用DL/T680(IEC61850)通信规约的成套设备。为保障变电站的安全可靠、经济运行,一体化电源对直流操作电源的蓄电池的安全运行和维护提出更高的要求。
1电力系统常用蓄电池
目前阀控式密封铅酸蓄电池在电力系统中和通信行业中得到广泛使用,其优点如下:
①一般情况下,不需维护(无需补水、加酸);
②自放电小;
③内阻小、输出功率高;
④具有自动开启、关闭的安全阀(当蓄电池严重过充,产生过量的气体使蓄电池内部压力超过正常值时 ,气体将通过自动开启的安全阀排出,并在安全阀上装有滤酸装置,以防酸雾排出。当压力恢复到正常值后,安全阀自动关闭。
本文重点介绍阀控式密封铅酸蓄电池的结构、原理、运行维护要求和故障处理方法。
2 阀控式密封铅酸蓄电池的结构及原理
(1)阀控式密封铅酸蓄电池的结构如图1所示。
蓄电池构造图
 
图1阀控式密封铅酸蓄电池的结构
(2)阀控式密封铅酸蓄电池的分类
1)贫电液式纤维型阀控式密封蓄电池:这种蓄电池正、负极板间用超细玻璃纤维做隔板并吸附硫酸作电解液,由电解液少所以称为贫液式纤维型;
2)富电液式胶体型阀控式密封蓄电池,这种蓄电池将电解液调成胶状,填充在正、负极板之间并充满整个电池壳体,故称胶体式,显然,胶体电池成本较高,但使用寿命比贫液式纤维型长。
由于贫液式纤维型阀控式密封铅酸蓄电池的价格比胶体型阀控式密封蓄电池低,目前在变电站广泛使用。本文重点介绍贫液式纤维型阀控式密封铅酸蓄电池。
(3)阀控式密封铅酸蓄电池的化学反应式
充电
PbO2 + 2H2SO4+ Pb PbSO4 +2H2O + PbSO4
放电
式中:
PbO2-(过氧化铅),阳极活性质;
2H2SO4-(硫酸), 电解液;
Pb -(海绵状铅),阴极活物质;
PbSO4-(硫酸铅),阳极活性质;
2H2O -(水),电解液 ;
充电时变成硫酸铅的阴阳两极活物质把固定在其中的硫酸成分释放到电解液中,分别变成海绵状铅及过氧化铅,电解液中的硫酸浓度不断增大。
反之,放电时阳极板中的过氧化铅和阴极板上的海绵状铅与电解液中的硫酸发生反应变成硫酸铅,所以电解液中硫酸的浓度不断降低。
(4)阀控式密封铅酸蓄电池的工作原理
阀控式铅酸蓄电池能够实现电池的连续运行无需补充电解液,主要是实现了以下几个先进的设计概念和制造工艺:采用高纯电解铅材料和无锑合金板栅,大幅度提高氢气析出电位,使得在整个充电反应过程中的气体产生量减至最小;
在电池的正、负极板之间设计的气体传递通道使得正极生成的氧气可以很快扩散至负极被重新再化合成水,进一步避免了水分的损失。(阀控式铅酸蓄电池的负极容量处于相对过剩状态,以达到正极出现氧气先于负极出现氢气的目的)。
通过一个单向压力气阀对阀控式蓄电池进行密封,使电池内部保持一定正压力,避免极板暴露在空气中受到氧气腐蚀,保证气体复合反应循环进行,与此同时也抑制了电池内水份的挥发性消耗;当蓄电池严重过充,产生过量的气体使蓄电池内部压力超过正常值时 ,气体将通过自动开启的排气阀排出,并在排气阀上装有滤酸装置,以防酸雾排出。当压力恢复到正常值后,排气阀自动关闭。因此排气阀也被称为安全阀。
3 蓄电池的容量
是指电池储存电量的数量,以符号C表示。常用的单位为安培小时,简称安时(Ah),如蓄电池容量为200 Ah,若以10小时率电流放电(电力系统采用的放电率),其容量表示为C10=200 Ah。
电池的容量可以分为额定容量(标称容量)、实际容量。
(1)额定容量:
是规定电池在在25℃环境温度下,以10小时率电流放电(其放电电流用I10表示,显然:C10=200 Ah的蓄电池的I10=20A),应该放出最低限度的电量(Ah)。
(2)实际容量:
是指电池在一定条件下所能输出的电量。它等于放电电流与放电时间的乘积,单位为Ah。C=If×t
式中:C—蓄电池的实际容量,Ah;
If—放电电流,A;
t—放电时间,h。
4 蓄电池的充电方式
1)蓄电池的初充电:新的蓄电池在交付使用前,为完全达到荷电状态所进行的第一次充电。
2)蓄电池的浮充电:在充电装置的直流输出端始终并接着蓄电池和负载,以恒压充电方式工作。正常运行时充电装置在承担经常性负荷的同时向蓄电池补充充电,以补偿蓄电池的自放电,使蓄电池组以满容量的状态处于备用。
额定电压2V的阀控式密封铅酸蓄电池出厂规定: 浮充电压为(2.23~2.28)V/只,一般选用2.25V。
对110kV变电站的直流电源系统蓄电池的配置为 108只额定电压2V阀控式密封铅酸蓄电池的浮充电压应为:2.25V×108=243V。(也可根据厂家的要求和规定,如汤浅电池厂家规定:在环境温度25℃时浮充电电压为2.23V/只),故整组蓄电池的浮充电压应为:2.23V×108=241V 。
对220kV变电站的直流电源系统蓄电池的配置为103只额定电压2V阀控式密封铅酸蓄电池的浮充电压应为:2.25V×103=231.75V,一般选用232V。
3)蓄电池的均衡充电:
①均衡充电的定义:长期浮充电运行的蓄电池会产生电压不均匀现象,使其恢复到规定的范围内而进行的充电称之为均衡充电。
②均衡充电的目的:一是对电池容量的一种补充,二是作为对电池活性物质的激活,三是对单体电池电压压差的修正;
③均衡充电电压的计算:
额定电压2V的阀控式密封铅酸蓄电池出厂规定:均充电压 (2.30~2.35)V/每只,一般选用 2.35V。故对108只额定电压2V阀控式密封铅酸蓄电池的均充电压应为:2.35V×108=253.8V,一般选用254V。
对103只额定电压2V阀控式密封铅酸蓄电池的均充电压应为:2.35V×103=242V。
4) 补充充电:
根据DL/T724—2000《电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程》规定:
①备用的蓄电池的补充充电:蓄电池在存放中,由于自放电使蓄电池容量逐渐减少,甚至于损坏,应每3个月进行一次补充充电:
②运行中的蓄电池的补充充电:为了弥补运行中因浮充电流调整流器不当造成欠充,补偿不阀控蓄电池自放电、爬电、漏电所造成蓄电池容量的亏损,根据需要设定时间(一般为3个月)充电装置自动或手动进行一次恒流限压充电 恒压充电 浮充电的过程,使蓄电池组随时具有满容量,确保安全可靠运行。
5蓄电池运行中的电压偏差值、开路电压最大最小电压差值及放电终止电压
请注意不要使蓄电池的极柱的电压低于此值。低于此值时电池就造成电池过放电,电池将受到损害。
6阀控式铅酸蓄电池的运行要求
(1)蓄电池充电前的检查。
①外观检查:有无破损漏液情况、安全
阀是否完好。
②电压检查:测量每只蓄电池的电压,
额定电压2V的单只电池电压应在2.13~
2.16V。
③极性检查:电池的极性标致是否与电
池极性一致。
④批号检查:要求整组蓄电池应是同一
批号。
(2)蓄电池配置。应考虑可靠性和环境条件,并根据直流电源系统的接线方式和断路器的操作机构,选择一组或两组以上蓄电池。
① 110kV及以下电压等级变电站的直流操作电源系统采用双母线(控制母线和合闸母线),只有一组蓄电池,断路器为电磁式操作机构时,应采用108只额定电压2V的蓄电池,其均充电压为254V,浮充电压为243V,因继电保护装置额定电压为220V。为此,高频开关电源模块应分为充电模块和控制模块,配置自动、手动调压装置。
②220kV变电站直流操作电源系统母线采用分段运行方式,并在两段直流母线之间配置联络断路器或隔离开关,正常运行时断路器和隔离开关处于断开位置。每段母线应分别用一组独立的蓄电池供电,蓄电池和其充电装置应接在同一段母线上。每台充电装置都配有独立的微机监控装置,每段直流输出母线都配有一套微机绝缘监察装置,以实时监测和显示每回动力、控制输出回路的输出电压、绝缘电阻、对地电压。每组蓄电池均装有蓄电池巡检仪(或蓄电池在线监测仪)并通过RS-485将每只蓄电池的电压、温度、压差等传入微机监控装置进行显示或控制(如压差超标报警等)。两套装置互为备用,每组均配置额定电压2V的蓄电池103只(或104只),其均充电压为242V,浮充电压为232V,在控母电压(220V±10%)的范围内,故可不用电压调整单元。因此,控制母线和合闸母线可合二为一,高频开关电源模块全部为充电模块。
7 影响蓄电池实际使用寿命的因素
7.1浮充电压的大小
(1)当浮充电压设置过低时,蓄电池由于长期处于欠充电状态,使极板上的活性物质无法参与化学反应,继而在活性物质与隔板膜之间形成高电阻层,加大了蓄电池内阻,造成蓄电池的容量下降。
(2)当浮充电压设置过高时,蓄电池由于长期处于过充电状态,使内部产生的气体量增加,同时因安全阀经常处于开阀状态,从而引发蓄电池严重失水,电解液浓度增大,蓄电池内部腐蚀加快、容量失效等。
7.2 过量放电
当蓄电池过量放电时,由于内部产生过量的硫酸铅,使极板物质体积增大,引起极板弯曲、膨胀,严重时还将导致蓄电池槽胀裂。一旦进入过放电状态,蓄电池端电压会加速跌落,极易造成供电中断,还会造成活性物质过渡消耗,导致活性物质孔隙和下次充电所预留的反应面积减少,造成蓄电池对后续充电及使用维护的困难,最终导致蓄电池无法充满电,容量大幅下降。
7.3环境温度过高
由于温度每升高10℃,蓄电池寿命缩短一半,
因此环境温度对蓄电池寿命的影响大,特别是在蓄电池靠近发热源、通风不好的环境下,还会因高温造成蓄电池鼓胀。
7.4长期处于浮充电状态不放电
长期不放电将会导致蓄电池内部活性物质沉淀,从而造成蓄电池容量的下降。
7.5 安全阀故障
安全阀关闭不严、损坏或开阀压过低,阀控密封式铅酸蓄电池工作在 “贫液”状态下,其电解液完全储存在电极和多孔性的隔板中。一旦蓄电池失水,其放电容量就要下降,造成蓄电池内部的水分损耗增加,使极板的腐蚀加剧,严重时会形成热失控。
7.6 纹波系数过大
由于纹波的成分较复杂,它的形态一般为频率高于工频的类似正弦波的谐波和宽度很窄的脉冲波,因此纹波的峰值电压将造成蓄电池充电电压过高,引起蓄电池过充电、热失控等,从而缩短其使用寿命。
7.7蓄电池端电压偏差值较大
由于蓄电池性能(内阻、化学性能)的离散性对蓄电池组使用寿命影响大,因此必须通过浮充电压和充放电曲线比对对新安装蓄电池组进行筛选配组。
7.8温度补偿
温度补偿的目的是为防止低温时回复充电时间的加长及高温时过充电造成蓄电池的劣化。特别是将蓄电池装入蓄电池箱内时,蓄电池箱内蓄电池的周围温度有可能超过35℃时,为防止蓄电池的过热腐蚀,因此必须进行温度调节或给充电装置增加保护功能。
受环境温度的影响,基准温度为25℃时,每下降1℃,单体2V阀控式密封蓄电池浮充电压值应提高3~5mV。
7.9电网条件(频繁停电)对蓄电池影响
在工业区和山区,电网的频繁停电常引起蓄电池容量不足,具体表现为总电压下降明显,个别单体电压下降过快,且各单体电压差异大。
(1)经常停电且蓄电池每次释放出的电量多,将直接造成蓄电池放电后再充电时间不足,再停电时使得整组蓄电池在没充满电的情况下又放电,从而降低蓄电池的有效容量。
(2)放电深度浅且停电频繁也会引起蓄电池失效。经常停电且每次放出的蓄电池电量较少(20%左右),即蓄电池经常处于浅放电状态,蓄电池的容量也会明显下降。其原因是蓄电池处于只在极板板栅和活性物质间结合处表面反应,使极板板栅和活性物质间形成了一个阻挡层(不动态硫酸铅层)阻挡了放电。
对于不同变电站,上述两种情况可能同时存在。
8 常见故障
(1)蓄电池常见故障如图2所示。
图2 蓄电池常见故障
(2)蓄电池失水故障。 蓄电池失水原因如图3所示。
 
图3 蓄电池失水原因
① 充电产生的气体不满足气体复合效
率大于95%的要求。其原因是充电后期或浮充电期间电解水将产生部分气体,其量虽小,但累计起来就十分可观。
②浮充电压选得不恰当。通常由于浮充电压偏高或温度升高没有及时降低浮充电,将造成浮充电流增大,电解水速度增快。
③蓄电池密封不好或单向阀太松。蓄电池壳体本身具有透气性,蓄电池槽盖及极柱和盖之间没有完全密封,如安全阀频繁开启,就会逸出气体,带走部分电解液。
蓄电池失水的危害:阀控密封式铅酸蓄电池是在“贫液”状态下工作的,其电解液完全储存在电极和多孔性的隔板中。一旦蓄电池失水,其放电容量就要下降,严重时会导致蓄电池失效,无法正常工作。
(3)蓄电池漏液故障。 蓄电池漏液原因如图4所示。

 
图4 蓄电池漏液的原因
漏液的危害:电解液损失→密封破坏→ 反应效率降低→容量不足。更危险的是酸液会腐蚀机柜、机架,若形成导电回路则将导致火灾等事故。
(4) 蓄电池热失控故障。 蓄电池热失控原因如图5所示。

 
图5 蓄电池热失控的原因
蓄电池热失控的危害:若阀控铅酸蓄电池工作环境温度过高,或充电设备电压失控,将导致蓄电池充电量增加过快,蓄电池内部温度随之增加,蓄电池散热不佳,从而产生过热,蓄电池内阻下降,从而使充电电流进一步升高,内阻进一步降低,如此反复,直至蓄电池壳体严重变形、胀裂。
9 日常维护的一般要求
(1)维护检修时,做好绝缘防范措施。
(2)应使用湿布清扫蓄电池。如用干布或掸子进行清扫,产生的静电有引火爆炸的危险。
(3)清洁时严禁使用香蕉水、汽油、挥发油等有机溶剂或洗涤剂,否则有可能使蓄电池壳破裂,导致电解液漏出。
(4)禁止拆下安全阀,否则会造成蓄电池性能、寿命劣化。
10 直流专业人员巡视周期及内容
(1) 直流专业人员每2~3个月应对所
属各站直流设备巡视一次。对旧设备、运行不稳定设备和运行年限达6年以上的蓄电池,应根据实际情况,缩短巡视周期。
(2) 到站后询问值班员,详细了解直流电源系统运行情况及存在的问题。
(3) 查看变电站蓄电池运行及充放电记录,了解蓄电池充电是否正常、有无“落后”电池,及直流负荷变化情况和绝缘情况等。
(4)测量单只蓄电池电压、蓄电池浮充总电压并做好记录,根据测量的数据对站内记录的数据进行比对,检查运行人员巡视检查是否到位。
(5) 对变电站使用表计进行比对,检查表计是否准确。
(6)巡检时,不仅需要查看面板显示浮充电压,并与数字表实测结果对比。浮充电压务必设置准确, 偏高、偏低都有危害。
(7)检查蓄电池的接线螺栓是否松动,有无发热、腐蚀现象。松动的螺栓必须及时拧紧,腐蚀污染的接头应及时清洁处理。每6个月应对全部蓄电池接线螺栓进行一次检查并紧固。
(8) 检测温度感应探头的准确度。
(9)检查蓄电池壳体有无渗漏和变形,
蓄电池安全阀、极柱周围是否有酸液逸出。
(10)为确保蓄电池绝缘良好,应保持其良好的清洁状态。
11异常故障的处理
(1)蓄电池出现漏液时,应停止使用,否则会损坏设备,引发火灾。
(2)蓄电池外观出现异常变形(膨胀)时,应停止使用,否则会引起蓄电池破损、漏液,引发火灾。
(3)蓄电池发热时,应停止使用,否则会引起蓄电池损坏。
(4)蓄电池壳盖裂开时,应停止使用,否则会引起爆炸,引发火灾。
12 紧急处理
(1)如果电解液撒到地面上,应先用重碳酸钠中和,再用大量水冲洗,否则有可能腐蚀地面、零件及设备。
(2)蓄电池起火时,应采用粉末(ABC)灭火器。若用水灭火,有引起火灾扩大的危险。
(3)地震等自然灾害发生后,应按规定的扭矩值重新拧紧所有的螺栓螺母,否则有可能产生电火花,造成极柱烧损;检查有无电池壳破裂、漏液及其它异常情况,如有异常而继续使用,有导致漏液、火灾的危险。