山西臨汾熱電有限公司 陳西勤 王建勛 陳紀(jì)鋒

某熱電公司自2010年投產(chǎn)至今，全廠共裝有六組蓄電池，每臺(tái)機(jī)組裝設(shè)兩組蓄電池，設(shè)計(jì)初期使用閥控式密封鉛酸蓄電池，兩組直流母線均為控制負(fù)荷和動(dòng)力負(fù)荷混用，蓄電池組與充電器并列運(yùn)行，正常情況下充電器給直流負(fù)荷供電，并給蓄電池浮充電，事故情況下則由蓄電池供電。直流系統(tǒng)的供電方式采用輻射形；網(wǎng)控保護(hù)間兩組蓄電池，每組蓄電池104個(gè)，直流母線電壓235V。

每臺(tái)機(jī)組設(shè)有兩段220V 直流母線；每組直流母線配置一組蓄電池、一組充電器、一組微機(jī)監(jiān)控器、一套微機(jī)絕緣監(jiān)查裝置、一臺(tái)蓄電池巡檢儀。兩組220V 直流母線中間設(shè)有聯(lián)絡(luò)刀閘，可以并列運(yùn)行。每組蓄電池由104只電瓶組成。公司投產(chǎn)運(yùn)行10多年，蓄電池組運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，均出現(xiàn)多個(gè)蓄電池極板腐蝕，個(gè)別蓄電池容量不能滿足要求的問題，需要更換蓄電池組。

1 蓄電池組在直流系統(tǒng)中的作用

蓄電池采用充電、放電方式運(yùn)行，一般其直流負(fù)荷很小或沖擊負(fù)荷很小。采用這種方式運(yùn)行時(shí)，首先需要蓄電池組具有充足電荷，充電設(shè)備停止運(yùn)行時(shí)，蓄電池組處于放電運(yùn)行狀態(tài)。蓄電池電壓隨時(shí)間的推移而降低，當(dāng)電壓降到規(guī)定值（一般在單電池電壓1.8V）啟動(dòng)充電設(shè)備，向蓄電池充電，以補(bǔ)充蓄電池能量，同時(shí)供給經(jīng)常性的直流負(fù)荷，直到蓄電池充足容量，停止充電設(shè)備，開始下一循環(huán)運(yùn)行[1]。

發(fā)電廠所用蓄電池組一般采用浮充電方式運(yùn)行的直流系統(tǒng)，采用浮充電方式是將蓄電池與充電器通過直流母線長(zhǎng)期并列運(yùn)行，由蓄電池?fù)?dān)負(fù)沖擊負(fù)荷，充電設(shè)備擔(dān)負(fù)自放電、穩(wěn)定負(fù)荷和沖擊負(fù)荷后蓄電池的電能補(bǔ)充，蓄電池長(zhǎng)期處于充電狀態(tài)。實(shí)踐證明，采用浮充方式可提高蓄電池的使用壽命[2]。同時(shí)，直流負(fù)荷的供電可靠性會(huì)增強(qiáng)。特別是在大的沖擊負(fù)荷或發(fā)電企業(yè)設(shè)備事故情況下，蓄電池可以提供穩(wěn)定可靠的保安電源。

采用浮充電方式運(yùn)行的蓄電池，要定期進(jìn)行核對(duì)性放電試驗(yàn)，其目的是促使蓄電池內(nèi)有效物質(zhì)起化學(xué)反應(yīng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)蓄電池是否有維護(hù)不當(dāng)?shù)膯栴}，從而選擇合理的充放電周期。對(duì)于新裝蓄電池要按制造廠家的規(guī)定執(zhí)行。定期核對(duì)性放電次數(shù)應(yīng)根據(jù)具體觀察的現(xiàn)象來定，一般以一年一次為宜。

2 蓄電池組使用中存在問題

蓄電池組作為直流系統(tǒng)的心臟，在直流系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用。通過加強(qiáng)對(duì)蓄電池的管理，改善其使用狀況，延長(zhǎng)蓄電池壽命尤為重要。本公司蓄電池在長(zhǎng)期運(yùn)行中存在問題主要有以下幾點(diǎn)。

單個(gè)電池頻繁出現(xiàn)電壓低現(xiàn)象，實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)該電瓶電壓與其他電池偏差超過0.2V，多次大充大放之后，該電池電壓未有較大改觀。更換單個(gè)電瓶后，投運(yùn)一段時(shí)間，通過內(nèi)阻測(cè)量發(fā)現(xiàn)更換后蓄電池內(nèi)阻存在一定的差異；個(gè)別蓄電池存在滲液爬液、殼體變形、失水等現(xiàn)象。失水是蓄電池失效的最常見故障，主要導(dǎo)致蓄電池嚴(yán)重硫化和容量下降。蓄電池電解液外溢，主要原因有安全閥動(dòng)作頻繁或蓄電池運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，密封件老化，容易出現(xiàn)漏液現(xiàn)象[3]；蓄電池組長(zhǎng)期運(yùn)行，極板腐蝕嚴(yán)重，嚴(yán)重時(shí)個(gè)別蓄電池極板出現(xiàn)斷裂，因此要對(duì)蓄電池組進(jìn)行定期更換。

3 蓄電池選型方法

密封膠體電池主要優(yōu)點(diǎn)：環(huán)保性能高，極板腐蝕小，漏酸概率小，失水少，循環(huán)壽命長(zhǎng)。采用高分子聚合硅膠體電解液取代硫酸，污染小、易處理，膠體電解質(zhì)為凝膠狀態(tài)，內(nèi)部無游離液體存在，在相同體積下電解質(zhì)容量大，熱容量大，散熱能力強(qiáng)。極板使用特殊的鈣鉛錫合金板柵，更耐腐蝕，同時(shí)電解質(zhì)濃度低，可以有效防止極板被腐蝕，充電接受能力更強(qiáng)。采用超高強(qiáng)度隔板能避免短路的情況發(fā)生，且濃度均勻，不存在電解液分層現(xiàn)象，具有很好的物理及化學(xué)保護(hù)作用，是普通鉛酸電池使用壽命的兩倍。

密封膠體電池在長(zhǎng)時(shí)間放電、循環(huán)放電、深度放電及大電流放電時(shí)有較好的承受表現(xiàn)。膠體蓄電池具有很強(qiáng)的浮充壽命和放電性能。膠體充滿在隔板與極板之間，降低了電池內(nèi)阻，充電接受能力能得到有效改善，自放電小，免維護(hù)性好，便于長(zhǎng)時(shí)間保存。這使得蓄電池有較強(qiáng)的自恢復(fù)能力，反彈容量大，恢復(fù)時(shí)間短，而且在低溫啟動(dòng)能力、荷電保持能力、電解液保持能力、循環(huán)耐久能力、耐震動(dòng)性能、耐溫變性能等方面有顯著提高。

密封膠體電池耐低溫和高溫性能強(qiáng)?？稍?50℃～+50℃的環(huán)境正常使用，尤其是北方高溫、高寒地區(qū)，冬天溫度低，夏天溫度高，適用于溫差變換大的區(qū)域。抗震性能好，能在各種惡劣的環(huán)境下安全使用[4]。使用快捷方便，由于單體電池的內(nèi)阻、容量、浮充電壓一致性好，因此無須均衡充電，也無須經(jīng)常維護(hù)。

蓄電池作為直流系統(tǒng)主要電源，既要經(jīng)濟(jì)環(huán)保，又要安全可靠，因此選型很重要。蓄電池型號(hào)選擇主要依據(jù)以下條件：蓄電池的使用壽命、頻次；蓄電池的放電電流；蓄電池的放電時(shí)間；為避免過放電和超大電流放電時(shí)對(duì)蓄電池造成傷害，蓄電池放電時(shí)，放電電流一般控制在0.1c10A 以下，容量盡量選擇大一些的。通過可靠性、經(jīng)濟(jì)性比對(duì)分析，1號(hào)、2號(hào)機(jī)組分別選擇了GFMJ-1200、網(wǎng)控蓄電池和GFMJ-300系列閥控式密封膠體鉛酸蓄電池。

4 GFMJ 系列閥控式密封膠體鉛酸蓄電池結(jié)構(gòu)與原理

4.1 組成

GFMJ 膠體蓄電池由正極板、負(fù)極板、隔板、極柱、安全閥、殼體、專用膠體電解質(zhì)及附件等組成。

4.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

電解質(zhì)：采用德國氣相二氧化硅制作，電解液為膠體狀態(tài)，充滿在正負(fù)極之間及整個(gè)電池中，保證極板各部反應(yīng)均勻，其熱容量大、散熱性好，能避免一般蓄電池容易產(chǎn)生的熱失控現(xiàn)象。電解質(zhì)在成品電池中呈凝膠狀態(tài)，不流動(dòng)，在運(yùn)行中不會(huì)出現(xiàn)漏液和分層現(xiàn)象；極板：正極板骨架由組織晶粒細(xì)小致密多元合金壓鑄成型，耐腐蝕性能好，壽命長(zhǎng)，正極板板體采用管式極板，能有效防止活性物質(zhì)的脫落。負(fù)極板為涂膏式極板，板柵為放射狀結(jié)構(gòu)，活物質(zhì)的利用率和大電流放電能力強(qiáng)，充電接受能力強(qiáng)。

電池槽：使用ABS 材料，耐腐蝕、高強(qiáng)度，采用蓋封盒形式，可以有效防止泄漏；隔板：使用膠體電池專用微孔PVC-SiO2隔板，其孔率大、電阻低。具有較大的電解質(zhì)儲(chǔ)存空間；端子密封：具有較大的電流承載能力與耐腐蝕性的內(nèi)嵌銅芯鉛基極柱，采用雙重密封結(jié)構(gòu)，極柱密封性可靠，能有效避免泄漏；開閉閥壓力恒定，可靠性強(qiáng)，避免蓄電池外殼膨脹、破裂和出現(xiàn)電解液干涸現(xiàn)象。

4.3 工作原理

4.3.1 GFMJ 膠體蓄電池充放電過程中的化學(xué)反應(yīng)

充電時(shí)：硫酸鉛通過氧化還原反應(yīng)分別恢復(fù)二氧化鉛和海綿狀鉛，電解液中的硫酸濃度增大?；瘜W(xué)反應(yīng)如下：2PbSO4+2H2O →Pb+PbO2+2H++2HSO4-；放電時(shí)：正極板的二氧化鉛和負(fù)極板的海綿狀鉛與電解液中的硫酸反應(yīng)，生成硫酸鉛，電解液中的硫酸濃度降低。化學(xué)反應(yīng)如下：Pb+PbO2+2H++2HSO4-→2PbSO4+2H2O。

4.3.2 充電末期電極反應(yīng)

電池在充電后期電壓上升至一定值或過充電情況下，正極板上的水分解后會(huì)放出氧氣，負(fù)極柵采用高純度的鉛鈣合金板柵，提高負(fù)極析氫過電位，抑制氧氣的析出：H2O →2H++?O2+2e-。電池內(nèi)的硅凝膠為三維多孔結(jié)構(gòu)，存在許多細(xì)小裂縫（氣體通道），在充電期間正極析出氧氣通過上述裂縫到達(dá)負(fù)極，與海綿狀鉛發(fā)生化合反應(yīng)：2Pb+O2→2PbO，PbO 是堿性氧化物，與電解液中的硫酸反應(yīng)生成硫酸鉛：PbO+H2SO4→PbSO4+H2O；硫酸鉛經(jīng)充電轉(zhuǎn)化成海綿狀鉛：PbSO4+2H++2e-→Pb+H2SO4；負(fù)極板上的總反應(yīng)：O2+4H++4e-→2H2O。膠體電池在充電時(shí)，正極板上失去的水，由負(fù)極板上生成的水來補(bǔ)充。實(shí)現(xiàn)了電池在使用過程中免加水，免維護(hù)。

5 更換蓄電池方案分析、實(shí)施及日常維護(hù)及注意事項(xiàng)

5.1 更換蓄電池方案分析、實(shí)施

1號(hào)直流系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 1號(hào)機(jī)直流系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

六組蓄電池組運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，更換是必須選擇，先從1號(hào)機(jī)組入手，每臺(tái)機(jī)組裝設(shè)兩組蓄電池，兩段220V 直流母線、每組直流母線帶一組蓄電池、一組充電器、一組微機(jī)監(jiān)控器、一套微機(jī)絕緣監(jiān)察裝置、一套蓄電池巡檢儀；兩組220V 直流母線中間設(shè)有聯(lián)絡(luò)刀閘，可以并列運(yùn)行。安裝方案確立為，將1號(hào)機(jī)組兩段直流母線并列運(yùn)行，1號(hào)蓄電池組與充電器停運(yùn)、停電后實(shí)施更換工作。

1號(hào)機(jī)組直流系統(tǒng)并列操作，核對(duì)聯(lián)絡(luò)刀閘上下口極性一致，1號(hào)機(jī)組兩段直流母線電壓接近，兩段母線沒有發(fā)生不同極接地情況，合上聯(lián)絡(luò)刀閘QF13、QF23將兩段直流母線進(jìn)行并列。兩段直流母線電壓正常后，因兩組充電器不宜長(zhǎng)期并列運(yùn)行，斷開1號(hào)蓄電池組上母線刀閘，斷開1號(hào)充電器上母線刀閘。辦理1號(hào)蓄電池更換工作票，合理安排人員和準(zhǔn)備工器具，進(jìn)行原鉛酸蓄電池拆除和新的GFMJ 膠體蓄電池安裝更換工作。1號(hào)蓄電池組更換正常后，對(duì)蓄電池組進(jìn)行大充大放試驗(yàn)正常后，恢復(fù)直流系統(tǒng)正常運(yùn)行方式。經(jīng)過上述操作兩段直流母線并列后，停用2號(hào)充電器和2號(hào)蓄電池組，進(jìn)行2號(hào)蓄電池組更換工作。

5.2 日常維護(hù)

每月對(duì)單個(gè)蓄電池電壓、溫度進(jìn)行測(cè)量，并形成日常維護(hù)臺(tái)賬。同一蓄電池組中，各單體蓄電池的電壓值偏差不超過0.2V，電壓出現(xiàn)偏差時(shí)，持續(xù)關(guān)注該電池運(yùn)行情況，浮充電運(yùn)行6個(gè)月后，電壓偏差值會(huì)自動(dòng)趨于一致，若6個(gè)月后偏差仍超過0.2V 以上，聯(lián)系供應(yīng)商進(jìn)行更換調(diào)整。電池表面溫差不超過5℃，超過及時(shí)聯(lián)系供應(yīng)商進(jìn)行檢查或更換；檢查電池外殼、蓋子有無漏液、鼓脹及損傷情況，外觀異常時(shí)先確認(rèn)其原因，若影響正常使用則及時(shí)進(jìn)行更換。

定期清理蓄電池外部灰塵污漬，確保外觀清潔；檢查安裝架、連接電纜、正負(fù)端子等有無生銹情況，若有銹跡時(shí)，及時(shí)除銹、更換連接電纜等；檢查蓄電池電瓶各接頭螺絲及焊接處支持絕緣子良好，電瓶外殼無破裂。各連接部位，有無過熱和松動(dòng)現(xiàn)象，若有及時(shí)進(jìn)行緊固處理；每年利用大、小修對(duì)蓄電池組進(jìn)行核對(duì)性容量試驗(yàn)，確保10h 放電率正常；新型膠體蓄電池體積小、極板腐蝕小，運(yùn)行維護(hù)更方便。

5.3 蓄電池常見故障

蓄電池組在使用初期放電時(shí)，某單節(jié)電池電壓和蓄電池組總電壓下降過快。原因：電池端子連接螺栓松動(dòng)；端子或連接電纜表面臟污。處理方法：擰緊螺栓；清除污垢，重新安裝。蓄電池組總電壓的測(cè)量值比計(jì)算值低約4V。原因：蓄電池組中有一節(jié)單體電池極性接反。處理方法：檢查蓄電池極性，將錯(cuò)誤電池及時(shí)進(jìn)行更正。

2022年1月、5月、7月分別對(duì)1號(hào)機(jī)、2號(hào)機(jī)、網(wǎng)控2組蓄電池組由原來的閥控式密封鉛酸蓄電池更換為GFMJ 系列閥控式密封膠體鉛酸蓄電池組，更換以后跟蹤監(jiān)視直流系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，無論在高溫夏季、還是寒冷冬季各蓄電池電壓、容量、溫度等各項(xiàng)指標(biāo)均正常。針對(duì)大容量機(jī)組、超高壓輸電線路不斷升級(jí)，對(duì)自動(dòng)化要求更高，對(duì)直流電源質(zhì)量、可靠性要求越高，蓄電池作為直流系統(tǒng)的重要設(shè)備，對(duì)其要求更高，如果運(yùn)行維護(hù)不當(dāng)，會(huì)造成故障與事故，將會(huì)對(duì)發(fā)電廠與電力系統(tǒng)帶來不可預(yù)估后果。