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变电站蓄电池失效分析及对策措施  

2016-04-15 10:32:06|  分类: 变频技术 |  标签: |举报 |字号 订阅

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  蓄电池是变电站直流系统中核心部件,为二次系统的正常运行提供保障。然而,由于蓄电池的使用状况、维护管理、生产设计等原因,蓄电池过早失效的情况常有发生,给变电站安全运行带来的风险。在浮充模式下阀控式密封铅酸蓄电池失效原因主要有:正极板栅腐蚀、正极活性物质软化、不可逆硫酸盐化、负极汇流排腐蚀、电解液干涸、热失控和电池漏液。并针对影响阀控式密封铅酸蓄电池寿命的因素提出了改进蓄电池设计和科学运维的应对措施,从而有助于延长蓄电池使用寿命,提高蓄电池可靠性,保障变电站的安全运行。

  直流电源系统是变电站的重要组成部分,是继电控制保护装置、自动化装置、高压断路器分合闸机构、通信、计量、事故照明等二次系统的供电电源。直流电源系统主要由蓄电池组和整流装置两部分组成,正常情况下,直流电源由站用交流电经整流装置提供,当发生交流失电的突发情况时,站用直流系统转由蓄电池组供电。此时,蓄电池便成为唯一的直流电源,保障继电保护、自动装置、高压断路器等设备能够正常运行。因此,蓄电池被认为是变电站直流系统中最为核心部件,是变电站系统的安全、稳定的运行的重要保障。

  2013 年某电网公司下属变电站在雷击引起交流电路故障的情况下,由于蓄电池组失效,导致部分断路器开关不能正常跳闸,最终导致变电站全站失压的严重事故。事后原因分析发现,该变电站蓄电池组中部分电池负极汇流排腐蚀严重,当面临负载冲击时,蓄电池组电压输出电压大幅下降,无法达到开关最低动作电压的要求,导致部分开关无法及时跳开,故障未能及时隔离,最终引起变电站全站失压。相似的事故在其他地区变电站中亦有发生。

  因此,分析蓄电池失效的原因,并且针对不同的失效原因进行相应的电池参数设计改进以及电池的运行维护方案制定,对提高蓄电池的使用寿命,降低蓄电池组的运行风险,对于变电站运行的可靠性及电网的安全具有非常重要的意义。

  1、变电站蓄电池失效原因分析

  阀控式密闭铅酸蓄电池(valveregulatedleadacidbattery,VRLA)具有安全性好、技术成熟、价格便宜、维护工作量小等优势,被广泛地应用变电站系统。变电站用VRLA电池通常采用浮充使用,即常规情况下电池处于小电流浮充状态,当发生断电等紧急情况时,电池立刻由浮充状态切换为放电状态,为变电站的二次系统提供电源。在浮充工作模式下,VRLA电池失效模式主要有正极板栅腐蚀、正极活性物质软化、不可逆硫酸盐化、负极汇流排腐蚀、电解液干涸、热失控以等几种。

  1.1正极板栅腐蚀

  正极板栅腐蚀是VRLA电池的一种最为常见失效模式。

  1.2正极活性物质软化

  正极活性物质软化是指电池在充放电过程中,由于正极活性物质结构被损坏,从而导致活性物质与板栅之间结合力减小,最终导致活性物质脱落。

  1.3不可逆硫酸盐化

  从不可逆硫酸铅晶体扫描电镜图中可以看到,失效后负极板生成大块不可溶的硫酸铅晶体。不可逆硫酸盐化使得电池活性物质减小,并且容易在负极板表层富集,形成致密层,阻碍电解液进入,导致极板内部活性物质无法参与反应,增大电池极化,造成电池容量损失,最终导致电池提前失效。

  1.4负极汇流排腐蚀

  负极汇流排腐蚀是VRLA电池特有的设计结构引起的一种失效模式。

  1.5电解液干涸

  VRLA 电池是一种贫液式电池,内部的电解液全部吸附在电池的AGM隔膜中,没有游离的电解液。因此,VRLA蓄电池对水损耗十分敏感,电池失水会引起AGM隔膜饱和度降低,引起电池内阻增大。当电池水损耗使得AGM隔膜饱和度小于80%时,电池隔膜电阻会显著增大,导致电池容量减小,寿命终止。

  1.6热失控

  热失控是指蓄电池在恒压充电时,电流和温度发生一种积累性的相互促进的作用,并逐步损坏蓄电池的现象。由于VRLA电池采用密封贫液紧装配式设计,电池散热性较差,大量热量积累在蓄电池内部,引起电池温度迅速升高。温度升高又使电池内阻下降,导致浮充电流增大。增大的浮充电流使蓄电池内部温度进一步升高,升高的温度又使浮充电流增大,不断反复形成恶性循环。当浮充电流增加到足够大时,VRLA电池便发生热失控,电池槽体发生膨胀变形,最终导致电池失效。

 1.7电池漏液

  蓄电池密封不严或者电池壳体破裂都会引起电池漏液。一般蓄电池漏液主要由于蓄电池壳盖之间密封不严或者极柱腐蚀爬酸造成的。另外,虽然蓄电池外壳采用强度较好的ABS和PP两种聚合物高分子材料,但在运输、堆放、安装的过程中由于碰撞跌落等原因而导致蓄电池壳体损坏破裂,也会导致电池漏液。蓄电池漏液容易导致极柱及连接排腐蚀,增加接触内阻,引起极柱连接处温度升高,严重时甚至可能引发蓄电池壳体燃烧。除此之外,蓄电池漏液必然引起蓄电池失水,导致电池容量下降,寿命损失。

  2、提高变电站用蓄电池组可靠性应对策略

  通过对VRLA电池失效的原因分析,可以发现影响VRLA电池使用寿命主要有两方面的因素:电池性能和运行维护策略。在实践基础上,本文针对性地提出以下几点应对策略以提高变电站用蓄电池组的可靠性。

  2.1蓄电池优化设计

  2.1.1改进正极板栅合金

  铅钙合金(Pb-Ca-Sn-Al)是目前最为常见的电池正极板栅合金类型,相比于铅锑合金其具有较好的浮充寿命。而在此基础上南都公司研发一种具有更高耐腐性能的改进型铅钙合金,大大提升了蓄电池的浮充寿命。可见,优化正极板栅设计,选用耐腐蚀性能较好的板栅合金有利于提高电池的使用寿命。

  2.1.2调整电解液密度

  在不影响蓄电池容量性能的情况下,可以通过调整蓄电池电解液密度来提高电池浮充寿命。

  2.1.3控制电解液饱和度

  过高或者过低的电解液饱和度都不利于蓄电池浮充寿命。因此,需要精确控制电解液的添加量,使得蓄电池能够处于在最佳的工作状态。

  2.2蓄电池科学运维

  1定期对蓄电池进行核对性放电试验

  2加强蓄电池的日常维护

  3合理控制蓄电池工作环境温度

  4正确设置蓄电池的浮充电压

  5发展蓄电池在线监测技术

  3、结语

  VRLA 电池是一个复杂的化学/电化学过程体系,在变电站使用过程中很难准确判断电池的健康状态,给变电站安全运行带来隐患。通过研究VRLA电池失效的各种原因,并针对性地提出有效的应对措施。通过蓄电池的优化设计和科学合理维护方法,延长蓄电池使用寿命,提高蓄电池可靠性,使得蓄电池在事故情况下充分发挥其效能,保障变电站乃至整个电网的安全运行。

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