馬 艷, 吳 航, 周 亞, 曹 海, 黃海宏

0 引 言

變電站直流電源系統(tǒng)主要由整流電源和蓄電池組組成。蓄電池組正常情況下長期處于浮充狀態(tài)。當發(fā)生交流停電時,整流電源停止工作,蓄電池組放電,實現(xiàn)直流設(shè)備的不間斷供電。為了及時得到每節(jié)蓄電池的工作情況,并且減少維護的工作量,蓄電池檢測裝置已成為110 kV以上等級的變電站直流系統(tǒng)狀態(tài)檢測中的重要組成部分[1]。

多年來變電站蓄電池檢測一直以單體蓄電池端電壓檢測為基本要求,輔以核對性放電的容量檢測和內(nèi)阻測試方法[2-6]。其中內(nèi)阻測試方法又分為交流法[7]和直流法[8]。

蓄電池巡檢裝置的基本功能是實時檢測蓄電池組中每節(jié)蓄電池的端電壓。端電壓檢測能直接對蓄電池的過充、欠充和過放進行預(yù)警,在放電狀態(tài)下能在一定程度上反映各節(jié)電池的狀態(tài)。但在浮充電狀態(tài)下,性能很差或連接不良的蓄電池端電壓的變化并不明顯,而等到蓄電池放電時才發(fā)現(xiàn)異常,有可能會產(chǎn)生嚴重后果。最準確的蓄電池容量和狀態(tài)的檢測辦法是核對性放電,以500 Ah的蓄電池為例,標準的測試方式是以0.1 C放電電流50 A進行恒定電流放電,通過記錄端電壓下降到截止電壓前持續(xù)放電的時間來計算該蓄電池的容量,若放電時間達到或超過10 h,則該電池容量為100%。若在放電過程中某節(jié)電池端電壓下降速率遠大于其他電池,則可初步判斷該電池為落后電池。但這種方法需要額外的設(shè)備投資,且耗時太長,受制于人力等因素,變電站蓄電池組核對性放電的周期一般都在半年以上。有別于長時間核對性放電來檢測電池容量,通過內(nèi)阻測試在較短時間內(nèi)來識別落后電池是目前得到共識的蓄電池檢測方法。

目前應(yīng)用于變電站直流電源系統(tǒng)的蓄電池主要是閥控式密封鉛酸蓄電池,分為12 V、6 V和2 V系列,受單體鉛酸電池體積和重量的限制,12 V電池的容量一般在100 Ah以下,200 Ah以上的鉛酸電池基本都是2 V的。在較為重要的變電站,電池容量要求較高,基本都采用2 V電池。故本次針對2 V電池組成的蓄電池組,設(shè)計了一套具有電壓和內(nèi)阻檢測功能,采用無線通訊方式的分布式蓄電池檢測裝置。

1 分布式蓄電池監(jiān)測裝置

為檢測單節(jié)蓄電池電壓,要在蓄電池兩極引出采樣線。集中式蓄電池測試儀工作方式如圖1所示。

圖1 集中式蓄電池測試儀工作方式

集中式蓄電池測試儀價格低廉,但缺點明顯:現(xiàn)場連接線偏多。500 kV以下等級變電站的直流電源通常采用220 V系統(tǒng),若采用2 V蓄電池組成蓄電池組,通常為104～108節(jié),則電壓采樣線為105～109根,造成現(xiàn)場走線較混亂。由于采樣線是通過端子接入蓄電池測試儀,而考慮到體積和成本,相鄰接線點距離很近;蓄電池為帶電體,其采樣線連接具有一定危險性,尤其長距離連接蓄電池采樣線,且當采樣線數(shù)量較多時,不易分辨其順序,造成現(xiàn)場安裝和故障排除時操作任務(wù)較重,且發(fā)生事故的機率也高。

鑒于以上原因,分布式蓄電池檢測系統(tǒng)已開始得到應(yīng)用。分布式蓄電池檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示[9]。

圖2 分布式蓄電池檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

該系統(tǒng)為每節(jié)蓄電池配置一個測試單元,測試單元與對應(yīng)蓄電池就近連接,測試單元采用內(nèi)置ADC的低功耗單片機作為控制芯片,以對應(yīng)的單節(jié)蓄電池作為測試單元的電源輸入,通過DC/DC變換電路將蓄電池電壓變換成單片機和其他電路的工作電壓,并通過內(nèi)置ADC實時檢測蓄電池端電壓。測試單元通過撥碼開關(guān)類似的站號設(shè)置電路對應(yīng)唯一的通訊站號,測試單元上電初始化時讀取通訊站號;監(jiān)測單元通過隔離的RS-485總線,帶站號逐一召喚每個測試單元,站號相符的測試單元逐一響應(yīng)召喚命令,由此監(jiān)測單元獲得每個蓄電池的端電壓數(shù)據(jù)。

與集中式蓄電池測試儀相比,分布式蓄電池檢測系統(tǒng)采用就近連接采樣線的方式,避免了大量帶電采樣線長距離連接的危險。但每節(jié)電池均配置測試單元的方式,若應(yīng)用于2 V蓄電池組,其經(jīng)濟性會阻礙其推廣應(yīng)用。同時目前直流電源系統(tǒng)中的整流電源均由高頻開關(guān)電源模塊并聯(lián)組成,若電源模塊的電磁兼容水平不高,其內(nèi)部開關(guān)器件功率MOSFET或IGBT高速開關(guān)時產(chǎn)生的電磁脈沖會對RS-485總線產(chǎn)生干擾,造成數(shù)據(jù)傳輸誤報率高。

綜合以上因素,本文針對2 V電池設(shè)計的蓄電池檢測系統(tǒng),采用分布式方式,系統(tǒng)由若干測試單元和1個監(jiān)控單元組成。測試單元工作原理如圖3所示。

圖3 測試單元工作原理

考慮到2 V蓄電池組串聯(lián)的蓄電池節(jié)數(shù)不確定,測試單元以3節(jié)或4節(jié)2 V電池串聯(lián)作為電源輸入(輸入端口為B+和B-,其中B-同時為整個電路的基準地。),通過電壓變換電路得到測試單元內(nèi)部工作電壓,并且通過單片機內(nèi)置多路ADC和調(diào)理電路可同時檢測所有串聯(lián)電池的單體電壓。同時進行進一步優(yōu)化,以無線通訊取代RS4-85通訊方式,通過通訊站號設(shè)置電路可為每個測試單元賦予不同站號。以220 V直流電源系統(tǒng)為例,采用2 V電池時,其蓄電池組電池節(jié)數(shù)通常在104～108之間,則一組蓄電池需配置27個本文設(shè)計的測試單元。

將單片機的串口與無線串口透傳模塊相連,監(jiān)控單元采用廣播模式,實現(xiàn)與監(jiān)測單元的帶站號分時通訊,傳輸距離達到250 m,滿足現(xiàn)場通訊要求,同時工作頻率達到2 400 MHz,遠高于變流裝置的開關(guān)頻率,克服了RS-485通訊方式易受變流裝置高頻干擾的問題。無線串口透傳模塊如圖4所示。

圖4 無線串口透傳模塊

考慮到各單體電池是工作在串聯(lián)狀態(tài),存在測量共地問題。2 V單體鉛酸電池的端電壓在恒壓均充時最高約為2.35 V,在單片機內(nèi)置ADC的測量電壓范圍(3.3 V)內(nèi),但兩節(jié)2 V鉛酸電池串聯(lián)后已超出3.3 V,故測試單元對串聯(lián)的各節(jié)電池電壓進行分壓后再進入單片機內(nèi)置ADC進行測量。測試單元分壓檢測工作原理如圖5所示。考慮到分壓電阻會造成被測電池的放電和影響測量精度,故采用的均是幾十k級的高精度電阻。其中UB1～UB4分別為串聯(lián)的4節(jié)電池的端電壓,U1～U4分別為電池1端電壓、電池1和電池2串聯(lián)的端電壓、電池1～電池3串聯(lián)的端電壓、電池1～電池4串聯(lián)的端電壓,系數(shù)1～3根據(jù)分壓電阻R1～R6的阻值來確定。

圖5 測試單元分壓檢測工作原理

2 蓄電池內(nèi)阻在線檢測原理分析

鉛酸蓄電池簡化等效電路模型如圖6所示。其中Ub為鉛酸電池的內(nèi)在電動勢,Rm為金屬電阻,其會隨著金屬的硫化、蠕變和腐蝕等因素而產(chǎn)生緩慢的變化,但在一個較短的時間內(nèi)可認為是常量。Re為電化學(xué)電阻,隨著容量的狀態(tài)發(fā)生變化,但其測量又受到并聯(lián)著的電容C的容抗變化的影響。

圖6 鉛酸蓄電池簡化等效電路模型

故若采用交流法對蓄電池內(nèi)阻進行測量(在蓄電池兩極注入低頻交流電流信號IAC,檢測在蓄電池兩極產(chǎn)生的低頻交流電壓值UAC),則蓄電池內(nèi)阻Rb=UAC/IAC,但由于蓄電池等效電路中的C閥值比較大,導(dǎo)致容抗很小,交流法檢測到的實際上是由Rm和C串聯(lián)的阻抗,而隨容量變化明顯的電化學(xué)電阻Re反而被忽略了。

相對而言,直流放電法檢測蓄電池內(nèi)阻目前在電力系統(tǒng)得到廣泛認可。為避開C的影響,由鉛酸蓄電池產(chǎn)生一個瞬時的放電電流。瞬間電流放電測試示意圖如圖7所示[10]。

圖7 瞬間電流放電測試示意圖

測量電池電流I和電池電壓U1。切除負載后再測得電池電壓回升值U2,則不難推得:Rm和Re串聯(lián)的蓄電池內(nèi)阻Rb=(U2-U1)/I。

考慮到蓄電池組作為直流電源的后備電源,為保證負載的不間斷供電,測試時不允許與整流電源脫離,而對單體蓄電池進行放電時其電流會包含整流電源的充電電流。為克服在線測試時整流電源充電電流的影響,采用二次放電法實現(xiàn)蓄電池內(nèi)阻在線檢測。

在線式二次放電測內(nèi)阻原理框圖如圖8所示。Rb為待測的各單節(jié)電池的直流內(nèi)阻,IE為整流電源輸出電流。設(shè)兩次放電時負載流過的電流分別為I1和I2,測得的對應(yīng)不同負載電流的負載電壓分別為U1和U2。為被測蓄電池均配置放電電阻R1和R2來產(chǎn)生瞬時放電電流,分別由放電開關(guān)S1和S2來控制。

圖8 在線式二次放電測內(nèi)阻原理框圖

在測試單元中,采用功率管MOSFET作為開關(guān)S1和S2。以3節(jié)或4節(jié)2 V電池串聯(lián)后的電壓作為電源輸入,通過三極管組成的驅(qū)動電路變換后作為2個功率管MOSFET的驅(qū)動電壓,以多個低阻值的康銅絲串聯(lián)構(gòu)成放電電路,產(chǎn)生二次放電所需要的電流。測試單元二次放電測內(nèi)阻控制原理圖如圖9所示。

圖9 測試單元二次放電測內(nèi)阻控制原理圖

通過測量電路中的R45和R75上的電壓可得到電池放電電流IB1和IB2,同時根據(jù)圖5的電池電壓測量電路再得到各節(jié)電池放電前后的端電壓數(shù)值。

將圖8進行簡化,在線式二次放電測內(nèi)阻簡化推理圖[11]如圖10所示。

圖10 在線式二次放電測內(nèi)阻簡化推理圖

圖10中E為整流電源與其他非測蓄電池的等效串聯(lián)電勢,R為其他非測蓄電池內(nèi)阻等效串聯(lián)電阻。

為提高測量精度,采用先小電流再大電流的二次放電方法[9]。閉合開關(guān)S1,第一次電流放電對應(yīng)的關(guān)系式為

Ub-U1= (I1-IE)Rb

(1)

緊接著再閉合開關(guān)S2進行第二次電流放電,設(shè)由于第一次電流放電導(dǎo)致蓄電池能量損失造成的電池電壓下降為ΔUb,則對應(yīng)的關(guān)系式為

Ub-ΔUb-U2= (I2-IE)Rb

(2)

綜合式(1)、式(2),可得式(3),即

ΔUb+U2-U1=Rb(I1-I2)

(3)

而由于是瞬間放電,將因能量損失造成蓄電池電勢Ub的下降ΔUb忽略,故

Rb=(U2-U1)/(I1-I2)

(4)

實際上蓄電池內(nèi)阻與電池的荷電狀態(tài)、環(huán)境溫度等因素都有關(guān)系,因此不能通過蓄電池直流內(nèi)阻測量來直接推導(dǎo)出蓄電池的容量和健康狀態(tài),蓄電池內(nèi)阻測量的作用更多地體現(xiàn)在相同外部條件下同一蓄電池組內(nèi)各節(jié)蓄電池的比較,為確定落后電池提供依據(jù)。若采用相同的直流內(nèi)阻測量方式,若某一節(jié)電池的內(nèi)阻遠大于其他電池的內(nèi)阻值,則可初步判斷該電池為落后電池。

3 實 驗

為驗證測試單元對單節(jié)電池的電壓采集和內(nèi)阻測試效果,搭建實驗平臺,對4節(jié)串聯(lián)的蓄電池進行二次放電,同時檢測4節(jié)蓄電池的端電壓變化情況,并記錄二次放電的電流數(shù)值,即可以按式(4)計算4節(jié)蓄電池的內(nèi)阻。二次瞬間放電單節(jié)電池電壓波形如圖11所示。放電采用先小電流后大電流的方法,由電壓波形可看出,當兩次瞬時放電結(jié)束后,蓄電池端電壓恢復(fù)值與放電前端電壓初始值基本沒有變化,即前面所述由于瞬時放電導(dǎo)致蓄電池能量損失造成的電池電壓值ΔUb可以忽略不計,故式(4)是合理的。

圖11 二次瞬間放電單節(jié)電池電壓波形

對4節(jié)2 V/500 Ah的鉛酸蓄電池串聯(lián)后進行二次放電測試,測得相應(yīng)數(shù)據(jù)。內(nèi)阻測試結(jié)果如表1所示。該內(nèi)阻數(shù)值與2 V/500 Ah的鉛酸蓄電池正常內(nèi)阻相符,說明本文采用的電壓檢測和內(nèi)阻測試方法有效。

表1 內(nèi)阻測試結(jié)果

4 結(jié) 語

本文在分析傳統(tǒng)集中式蓄電池檢測裝置和分布式蓄電池檢測裝置的優(yōu)缺點基礎(chǔ)上,設(shè)計了針對2 V鉛酸電池的新型分布式蓄電池檢測系統(tǒng),克服了傳統(tǒng)蓄電池檢測裝置連接線較多和電磁干擾問題。測試單元以3節(jié)或4節(jié)2 V鉛酸電池串聯(lián)作為輸入,獲取電源能量并對輸入的電池進行電壓和內(nèi)阻測試,并將測量信息上傳至監(jiān)測單元,可對蓄電池組實現(xiàn)完善的實時監(jiān)測。