关于变电站蓄电池组运维及更换周期的探讨

胡 非，詹习生，涂 建，黄贞辉

(湖北师范大学 电气工程与自动化学院，湖北 黄石 435002)

直流电源系统是电力系统的重要组成部分，直流系统在变电站中为自动化控制、继电保护、信号、事故照明及开关操作等提供直流用电，直流系统的可靠与否对变电站的安全运行起着至关重要的作用，是变电站安全运行的保证[1]。目前直流电源系统一般由充电装置和蓄电池组成，主要采用单母线分段方式接线，集中式分级辐射供电。其中蓄电池是直流电源系统的关键和核心，是直流电源安全供电的最后保障，一旦出现问题，将造成保护失效、断路器拒动，整个变电站处于无安全防护的瘫痪状态，后果不堪设想[2]。近年来，国家电网公司发生的几起因直流电源系统蓄电池组故障造成的变电站越级跳闸的重大事故直接证明了蓄电池组安全、可靠的运行的重要性，蓄电池组的运行维护管理工作不容小觑，为此，本文基于某地区现有变电站直流电源系统蓄电池组运维现状及更换周期，针对其中存在的一些问题，提出相应的解决对策，希望能够给同行业人员提供帮助。

从2000年开始，阀控式密封铅酸蓄电池(以下若非特别指明，蓄电池均指阀控式密封铅酸蓄电池)开始被大量应用，相关专业人员对蓄电池组的运行维护已经积累了丰富的经验，保证了直流系统蓄电池组的长期安全稳定地运行。但是近些年来，蓄电池组的安全稳定运行与蓄电池组更换周期把控之间的矛盾已经成为变电站蓄电池组管理面临的新问题。

1.1 蓄电池的特性决定了其无法应用其他备品备件的库存方式

一般当变电站中设备出现故障时，可以利用库存设备实现快速更换。但是蓄电池组中有个别蓄电池损坏却不能随意更换，需要同厂家、同型号、同批次的蓄电池，且内阻相同才能更换[3]，否则新旧蓄电池搭配在一起使用，将会加快整组蓄电池的损坏速度。因此，当蓄电池组中某只蓄电池损坏，不能用其他蓄电池简单替换，只能拆除处理；
而当一组蓄电池组中损坏的蓄电池达到一定数量，使该蓄电池组电压不能满足直流系统的要求时，必须整组进行更换。另外，由于蓄电池存在自放电现象，任何蓄电池在不充电的情况下，放置一段时间后其容量会自然下降，若时间足够长，蓄电池将因容量消失殆尽而损坏，蓄电池自放电时间曲线如图1所示。除非配套直流充电装置对蓄电池进行长期的充电保养，但这样会占用大量的场地并增加人力物力的消耗。

图1 蓄电池自放电时间曲线

1.2 蓄电池的寿命期限呈现新的变化，变电站蓄电池组的更换更加频繁

据观察统计，某供电公司所辖变电站2007年以后投入的蓄电池组使用寿命呈现明显下降趋势，与之前的蓄电池组平均寿命相比有较大差距。某供电公司近年来部分变电站蓄电池使用年限如表1所示。根据统计数据，这不是某一个厂家、某一个品牌或某一种型号的蓄电池的特有现象，而是普遍性的。

表1 某供电公司近年来部分变电站蓄电池使用年限统计表

经分析，造成这种现象有以下几种因素：

1)2007年以来，国际大宗商品连续涨价，蓄电池主要生产材料铅、铜等价格也达到高位，造成蓄电池厂家生产成本不断上升。同时，由于通货膨胀等因素，人工工资不断攀升，人工成本也在增加。而随着国网招标体制的改革，集中招标过程中的厂家竞争愈发激烈。不排除部分蓄电池生产厂家为了保证利润，降低生产质量；

2)受国家环保政策的限制，蓄电池生产的形式发生了变化，由外化成改为内化成；
另外，有些原来可以添加的物质，现在已经被严格禁止，这些都影响了蓄电池的寿命。

蓄电池寿命的缩短，使变电站蓄电池组的更换频率迅速增加，直流检修维护人员的工作强度也随之增加。

1.3 蓄电池的更换与采购周期存在冲突

以某供电公司某具体事例说明：

2015年4月2日，220kVG变电站#2蓄电池组核对性放电过程中，发现蓄电池组放电至70%额定容量时，#43蓄电池端电压已下降至1.78V，低于下限电压，蓄电池组容量不合格，随即停止放电，并上报缺陷。对蓄电池组充电后，蓄电池组恢复至浮充电运行状态，#43蓄电池端电压为2.18V.5月16日，运维人员发现#43蓄电池在浮充电状态下端电压仅为2.07V.为了不影响其他蓄电池的运行，检修人员拆除了该蓄电池。8月10日，发现该蓄电池组中#17蓄电池端电压偏低，为1.97V.将该蓄电池拆除处理后其他蓄电池投入浮充运行，并对蓄电池组进行普测，发现之前测量时端电压尚在正常范围内的#37蓄电池，端电压已下降至2.08V，故将其拆除。经过几轮处理后，该组蓄电池组中蓄电池总数由104只下降至101只，蓄电池在浮充电运行状态下总电压仅为227V.如果充电装置交流故障断电和蓄电池组容量不足的情况同时出现，由蓄电池组供给全站直流负荷，总电压在初始状态就可能下降至210V以下，将对直流系统及变电站设备的正常运行造成极大威胁。可以看到，短短几个月时间内，该蓄电池组的运行出现了不断恶化的趋势。申报紧急缺陷后，没有库存的蓄电池组可供更换，而按照正规流程，预计至少一年后才具备更换条件。公司生技部门最终通过其他渠道和方式紧急调拨了一组蓄电池，于2015年12月对该组蓄电池进行了更换。

类似的情况近几年也时有发生，如220kVD变电站#2蓄电池组、220kVI变电站#2蓄电池组、110kVF变电站蓄电池组等。

在相关直流系统管理的规程规定里，一般规定当蓄电池组连续三次充放电循环达不到其标称容量的80%，可以认为该组蓄电池寿命已终止。根据实际经验，现场某些蓄电池组在容量低于80%以后，容量衰退的速度很快，而这个变化程度和时间往往很难把握。而缺陷的上报、审批、招标、采购、生产、运输、安装等流程，至少需要一年时间，这与蓄电池组急需更换的情况形成了冲突。前文已经提到，蓄电池组是难以库存的。在这个时间段里，如果蓄电池组损坏程度发展得很快，就会直接危及到直流系统乃至整个变电站和电网的安全。

从以上三个方面因素可以看出，变电站蓄电池组的更换牵扯到蓄电池厂家、采购流程等多个方面的问题，许多是在直流检修维护工作中难以改变和解决的，因此，有必要探讨如何从其他方面来解决这些困难和矛盾。

2.1 从管理层面加强变电站蓄电池组运维的管控

1)加强直流检修维护专业人员与运维部相关人员的合作，协同将各变电站蓄电池组每年的核对性充放电情况进行汇总和分析，对使用年限达6年以上或已经出现个别故障蓄电池的蓄电池组进行重点监测，对可能接近寿命周期的蓄电池组提前做出预案。

2)直流检修维护专业人员建立蓄电池组寿命周期变化趋势的数据库，绘制不同厂家、不同型号、不同容量、不同标称电压等级蓄电池的寿命变化曲线，研究不同蓄电池寿命周期的经验值。这项工作虽然有一定的滞后性，但收集的数据能为日后的检修维护工作提供参考。

3)加强与公司技术部门分管专责的联系，及时反馈直流系统蓄电池运行中发现问题，且应建立一个由公司技术部门分管专责、一线直流检修专业人员和检修、运维部门技术专责参与的，旨在总结当年各站蓄电池组的运行情况及发现问题的讨论分析会，为公司直流系统蓄电池组下一年度更换计划提供正确合理的依据。同时，确保需要更换的蓄电池组能及时更换。

2.2 从现场层面加强变电站蓄电池组运维管控

1)变电运维值班人员应加强对各站蓄电池组的运行监测，根据运规要求定期对直流系统充电装置运行情况、输出电压、蓄电池组总电压、单只蓄电池端电压等进行巡查和记录。记录的数据必须真实可靠，如果不能巡查到位，提供的虚假数据将对今后蓄电池组的运行分析数据库产生不良影响。

2)一线运维人员必须熟悉直流系统各设备的相关知识，对直流充电装置、蓄电池组运行中出现的各种现象以及关键运行数据能及时作出正确分析判断，避免误判造成直流系统蓄电池组长期不正常运行，影响蓄电池组的正常寿命。

3)持续提高直流设备检修人员的技术水平，坚持变电站直流设备缺陷处理的及时性，保证蓄电池组处于良好的运行状态，避免设备因素或检修质量原因造成蓄电池组寿命的缩短。

2.3 从技术层面对变电站蓄电池组的实际寿命进行综合预测

目前，核对性放电是检查蓄电池组实际容量和发现蓄电池组深层次问题的一个主要手段，但是仅用这一个技术手段很难对蓄电池组进行全面的评估，还需通过其他多种手段对蓄电池组进行综合检测和分析，力争做到变电站蓄电池组使用寿命的提前预测、提前计划、及时更换，避免蓄电池组发生紧急故障危及电网运行时，还在等待新蓄电池组到货的尴尬局面。为了缓解上面出现的尴尬局面，可以考虑采用以下几点措施：

1) 对变电站蓄电池组核对性放电的方案进行改进

若经过3次全核对性放充电，蓄电池组容量均达不到额定容量的80%以上，可认为此组阀控蓄电池使用年限已到，应安排更换[4]。对于220kV变电站，其配置的蓄电池组为两组，可以在其中一组退出的状态下，进行另一组蓄电池组的全容量核对性放电，对实际容量可以较好地把握。但是在110kV变电站，一般只配置一组蓄电池，无法退出，仅能在线放电，为了保存部分容量应付突发事件，按规定仅能放出标称容量的50%，这与前文提到的规定条款产生了冲突。

因此，需要找到当蓄电池组实际容量处于80%时，其在放出50%容量后的电压下限参考值。但这个参数蓄电池厂家难以提供，其只能提供新蓄电池的参数和放电曲线。所以，必须在实际工作中不断摸索，对各变电站运行中出现类似情况的旧蓄电池，在合适时机对其放电数据进行多次记录和分析，找出规律并验证，确定符合实际的参考点。使110kV变电站蓄电池组核对性放电受条件限制，仅能放出50%容量的情况下，基本判断出其实际容量，为蓄电池组使用寿命的判断和及时更换提供依据。

2) 改变蓄电池巡检装置的告警值设定模式

随着技术水平的不断发展，蓄电池巡检装置被大量应用，它能对蓄电池组中每只蓄电池的端电压进行在线监测，当某只蓄电池端电压超出规定范围时发出告警。但是设备厂家考虑到蓄电池组核对性充放电时蓄电池端电压变化区间较大，一般把告警值默认设置为：上限1.80V，下限2.50V，以避免在蓄电池组核对性充放电时频发告警，但因浮充电状态下的蓄电池端电压正常区间在2.25±0.05V之间，超出这个范围即为单体蓄电池欠压或过压，因此这样的设置方法不能对日常进行浮充电的蓄电池端电压异常进行及时告警，延误了处理时间。

变电站蓄电池组日常绝大部分时间都是运行在浮充电状态，所以应将蓄电池巡检装置的告警值浮充电状态时设置为：上限2.20V，下限2.30V.充放电状态时，由现场人员将设置改为：上限1.80V，下限2.50V；
充放电完成转浮充电状态后，恢复设置为：上限2.20V，下限2.30V.这样的告警值设定模式可以更加及时地发现蓄电池的隐患，缩短处理时间。

3) 在变电站蓄电池日常维护工作中增加蓄电池内阻的定期测试

影响蓄电池内阻值的因素很多，如蓄电池内部极间隔板的材料、电解液的比重、温度、极板的硫酸盐化等[5]。当蓄电池内部发生任何变化时，都能在内阻值的变化上得到反映。所以蓄电池内阻也是反映蓄电池状态的一个重要参数。

浮充电运行的蓄电池组，由于仅需满足补充蓄电池组的自放电，所以浮充电流极小，内阻异常的蓄电池很难在其端电压上得到反映，必须采用蓄电池内阻测试仪进行定期检测，发现蓄电池组内各单只蓄电池内阻的异常变化，如将单只蓄电池内阻与其他蓄电池平均内阻进行比较，观察偏离程度，把握蓄电池的健康状况。配合其他数据和参数，大幅提高蓄电池使用寿命的预测准确率。蓄电池内阻分布如图2所示。

图2 蓄电池内阻分布

4)尝试应用变电站直流系统蓄电池在线监测设备进行蓄电池组状态监测

前述方案在现今直流设备检修人员工作强度日益增大的背景下，已经难以满足更大幅度、更大面积增强蓄电池组巡视、测量的要求，利用如今愈发普及的在线监测系统可以实现蓄电池组的在线充放电试验、数据记录、曲线绘制、内阻测量，保存历史数据以供横向及纵向的对比、参考，并根据设定的门槛值进行实时告警，在提升直流系统运检水平的基础上，也能同时减少直流设备检修人员的劳动强度，提高工作效率。

蓄电池在电路系统中充当电源，是一切无源电路器件工作的源动力。随着电力行业的发展，蓄电池的品种和数量越来越多，其运行中出现的故障也越来越多[6]。以变电站直流电源系统的蓄电池组重要性、配置及运行现状为背景，针对某地区所辖变电站直流电源系统蓄电池组管理中面临的新局面，分析了各方面因素，并从运维管理、现场、技术等层面提出了对策，为解决变电站直流电源系统蓄电池组运行的现存问题和直流系统运维管控模式的发展趋势提供了新思路。