基于多频点技术的蓄电池内阻在线检测及蓄电池内阻与蓄电池容量相关度研究方案

       1．引言

根据上级部门下达的研究项目《基于多频点技术的蓄电池内阻在线检测及蓄电池内阻与蓄电池容量相关度研究项目》科技项目小组与深圳市普禄科智能检测设备有限公司共同研制开发了“基于多频点技术的蓄电池内阻在线检测及蓄电池内阻与蓄电池容量相关度研究系统”。该系统在广州移动西华机楼一楼电池机房UPS电池上投入运行半年多以来，性能稳定可靠，达到了预期的效果。

该系统采用国际先进的交流放电法多频点在线监测蓄电池的内阻，结合电压、电流等数据，判定电池的容量，使维修及管理人员及时掌握蓄电池的真实状态。系统还具有连线电阻及充电机综合特性测试功能，有危险状况出现时，系统可提前预警，维护管理人员可根据预警信息及时处理，消除安全隐患。

本项目管理系统可以指导对蓄电池的维护方式进行创新，将以往的定期检测，逐渐转变为以蓄电池实际工作状态为基础的状态检测，确保供电系统的安全，因而具有十分重要的现实意义。

2．系统概论

      2．1 概述

众所周知，电力系统中有三大设备，即一次设备（如主变压器等）、二次设备（如保护、测量等）与直流设备。

直流设备的核心是蓄电池组，它与充电整流、直流网络构成直流系统。

蓄电池组是一个独立于变电后交流电源的直流电源，是电力系统中最后一道防线。在正常状态下，它为断路器提供合闸电源；在故障状态下，当机房交流用电中断时，发挥其“独立电源”的作用，为继电保护及自动装置、断路器跳闸与合闸、拖动机械设备的整流设备、通信提供电源。可见，直流电源是机房通信安全运行的可靠保证，发挥着不可替代的作用。直流电源本身的安全可靠是保证系统正常运行的重要条件。其中，蓄电池组作为后备电源，无疑是生产中的最后动力保障。因而，被人把蓄电池组比喻为变电站的心脏。

阀控铅酸蓄电池采用阴极吸收技术，电池密闭封装，运行中无需进行传统的电解液控制维护，在业界得到广泛应用。然而，电池密封在使用方便的同时，也使得检测和维护更加困难，“免维护”又导致用户放松了对电池的日常维护管理，在实际应用中暴露了越来越多的问题，而不合理的工作条件又导致电池的使用寿命缩短。更为严重的是由于缺乏有效的监测维护手段，不能及时、准确地掌握电池状态，无法消除电池问题带来的隐患。经统计因电池问题造成的事故或停机的损失，往往远比电池本身价值要高得多。2011年3月11日在日本东北地区发生的大地震并由此引起的海啸，而导致的福岛第一核电站1～4#反应堆因冷却系统瘫痪，最终相继发生爆炸而产生核泄露的灾难性事件，再次为人们敲响了警钟。

实践证明，VRLA电池端电压与放电能力无相关性，VRLA电池和电池组在运行过程中，随着使用时间的增加，必然会有个别或部分电池因内阻变大，呈退行性老化现象。实践证明，整组电池的容量是以状况最差的那一块电池的容量值为准，而不是以平均值或额定值（初始值）为准，当电池的实际容量下降到其本身额定容量的90% 以下时，电池便进入衰退期；当电池容量下降到原来的80%以下时，电池便进入急剧的衰退状况。衰退期很短，这时电池组已存在极大的事故隐患。

过去的维护和管理人员，往往只重视备用电源的设备部分的维护和管理，而忽视电池组的重大作用。殊不知，断电的危险很大程度上就潜伏在电池组。整组电池充电的特性是，若电池组中有一节或几节内阻变大的老化电池，其容量必然变小。充电器给电池组充电时，老化电池因容量小，将很快充满，并导致电池电压急剧升高，充电器会误以为整组电池已充满而停止充电，造成其余状态良好的电池不可能充满，长期未充满的电池会因硫酸盐化而使容量降低及寿命缩短。电池放电时，容量不足电池的电压短时间就会急剧降低，整组电池提前达到截止电压。因而电池组将以老化电池的容量为标准进行充放电，经多次浮充--放电--均充--放电--浮充的恶性循环，容量就会不断整体下降，电池后备时间缩短。因此，如不及时检测，找出老化电池给予调整，电池组的容量将变小，电池寿命缩短，继而影响整个供电系统的高效安全运行。

受当前诊断技术水平的制约，目前我国对蓄电池的维护管理方式还主要采用以产品寿命理论为基础的定期检修和定期更换模式。然而，影响电池寿命因素众多，即使同一厂家同一批次的蓄电池，实际寿命差别也相当大，甚至有新电池几个月就失效的案例。几十节串联的电池，只要一节过早损坏，如不及时发现，时间一长，整组电池即会失效。如果失效正好发生在两次定期检修之间，在停电或设备故障时，将会产生灾难性的后果。因此，目前的定期检修模式实际上是存在安全隐患的，也是电力系统迫切需要解决的问题。

2．2 蓄电池维护管理目前存在的问题

从实际运行情况看，这个“通信机房的心脏”并没有完全得到安全可靠的运行维护，仍然存在很大的安全隐患，主要表现在：

2．2．1 电网运行存在安全隐患

根据有关规程要求，对蓄电池在投入运行前验收时进行核对性容量试验，正常运行期间每1～2年进行核对性容量试验。而两次核容试验之间的这一两年内，由于有多种因素会影响蓄电池的状况，蓄电池的实际状况可能发生变化，而维护人员对这些变化一无所知。一旦发生停电或故障需要蓄电池发挥作用，蓄电池状态不良，就可能影响到电网的安全运行。

2．2．2 定期检修无法实现百分之百安全

目前的检测维护制度是建立在定期检测维护的理论基础上的，即“定期检测”的概念。“定期检测”是在没有很好的检测技术和手段的情况下，人们基于概率统计的原理提出的一种检测制度。这种制度虽然可以避免事故的发生，但是从理论上不能保证系统百分之百安全，这对具有高度可靠性要求的系统来说，其可靠性是无法满足人们要求的。

2．2．3 检修维护人员劳动强度大，工作效率低。

由于检测维护人员少，而要维护的站点数量多，每天需要派人、派车，开票、下站，大量时间要花在路上。检测得到的数据，进行数据处理也要花费大量的时间，造成检测维护人员劳动强度大，工作效率低。

2．2．4 蓄电池寿命无法达到设计要求

蓄电池往往在使用一年后就开始有劣化的情况出现，使用超过5年的蓄电池一般会有比较严重的劣化现象，达到额定容量的很少。主要原因有二，一是蓄电池生产厂家对蓄电池的使用寿命年限是在理想运行环境下做的预测，实际系统都是对整组电池进行充放电管理，电池间的差异会越来越大，造成电池失水、硫化；二是在蓄电池的实际运行过程中，没有得到有效的管理与维护，无法及时发现落后蓄电池，导致蓄电池劣化加剧，过早报废。

2．2．5 运行人员无法评价蓄电池的性能状态

由于缺乏良好的技术管理手段，运行维护人员无法充分了解并评价整个地区、各个站点蓄电池的运行情况以及性能状况，没有对蓄电池历史数据的整理与分析，对蓄电池的内阻、剩余容量等都无法及时清楚地了解。

2．2．6 无法掌握充电机特性参数

过去，对充电机特性参数没有真正意义上做过检测，更无法远程监测，假如要对充电机特性参数的检测必须到现场采用专门设备进行测试，耗时长，劳动强度大。

2．2．7 接头松动、锈蚀无法及时掌握，存在严重安全隐患

过去，接头松动、锈蚀甚至接近断线，完全无法掌握，一旦停电，直流系统将立即崩溃。另外，接头松动锈蚀极易造成火灾。这些安全隐患的存在，都将危及通信机房的安全。

2．2．8 蓄电池管理维护的理念需要改进

由于受到“免维护”的误导，运行人员认为“免维护”就是不维护。这样的维护理念，使得蓄电池的维护工作展开起来比较困难。

2．3 蓄电池在线监测管理系统的作用

    本项目在线监测管理系统的投入使用，可以产生以下作用：

2．3．1 提高供电系统的安全性和可靠性

本项目管理系统可以对各单节蓄电池的内阻、电压、充放电电流、温度等参数进行在线监测，维护管理人员可以随时在计算机上查询蓄电池的各项数据，全面掌握蓄电池的状况。可以检测蓄电池连线电阻，当接头松动、锈蚀、即将断线时，系统可以及时检测出来。可检测充电机特性参数，出现异常可及时发现。一旦有危险隐患出现，系统将以声光形式发出预警，提醒维护管理人员及时处理，避免事故的发生，极大地提高了供电系统的安全性和可靠性。

2．3．2 延长蓄电池的使用寿命

项目管理系统可以及时发现个别劣化的蓄电池，提醒维护人员及时处理，从而减小了因个别蓄电池劣化而造成整组蓄电池损坏的可能，相应延长了蓄电池的使用寿命。

2．3．3 节约成本

维护管理人员在各自权限范围内进入在线监测系统，可以及时掌握各各机房（站）蓄电池的状态，大大减少了现场检测工作量、人工费用和车辆费用。

3．阀控铅酸蓄电池(VRLA蓄电池)

3．1 铅酸蓄电池的电极性质

VRLA电池采用粉末多孔电极，即正负极板采用粉末状多孔活性物质与其他组份配制后和基板（板栅）构成。板栅是活性物质的载体，同时传导电流，负极板或正极板与硫酸溶液接触后，便构成了铅电极或二氧化铅电极。

VRLA电池负极活性物质为绒状铅，与硫酸溶液构成难溶盐电极；正极活性物质为PbO₂，与硫酸溶液构成氧化—还原电极。

铅酸蓄电池电极平衡电势可用Nernst方程计算。

3．1．1铅电极电势

铅电极可用PbSO₄/Pb电对表示，其平衡电极反应为：

Pb+HSO₄^-=PbSO₄+H⁺+2e

铅电极平衡电势为：

E（-）= -0.356－0.02955lg([SO₄^2-])

其中[SO₄^2-]为电解液中SO₄^2-离子的浓度，公式表明，铅电极的电势随着SO₄^2-离子浓度的增加向负值方向增加。

3．1．2 氧化铅电极电势

氧化铅电极可用Pb⁴⁺/Pb²⁺电对表示，其平衡电极反应为：

PbO₂+3H⁺+HSO₄^-+2e=PbSO₄+2H₂O

氧化铅电极平衡电势为：

E（+）=1.685+0.02955lg([H⁺]⁴*[SO₄^2-])

其中[H⁺] 、[SO₄^2-]分别为电解液中H⁺离子、SO₄^2-离子的浓度，公式表明，氧化铅电极的电势随着H⁺离子、SO₄^2-离子浓度的增加向正值方向增加。

3．1．3铅酸蓄电池的电动势

E_池= E（+）－E（-）

  =2.041+0.02955lg([H⁺]⁴·[SO₄^2-]²)

    公式表明,在一定温度下,铅酸蓄电池的电动势仅与电解质溶液浓度有关。

3．2 铅酸蓄电池的电极极化

    当铅酸蓄电池进行放电，或进行充电，由于电流流过两电极，使两电极电势离开平衡电极电势而变化，则电极或电池便发生的极化。铅酸蓄电池的极化，分为浓差极化、电化学极化和欧姆极化。

3．2．1浓差极化

（1）浓差极化电势

    铅酸蓄电池中有电流流过之后，正负极表面附近的电解液浓度都要发生变化。这个变化除由于电极反应外，还有电迁移和扩散的影响。

    在充电时，正极反应的生成物中，有H⁺离子、SO₄^2-离子，负极的反应生成物中有SO₄^2-离子。因此，电极表面附近的电解液浓度都要增大。而在放电时，两电极反应中都要H2SO4分子参加，正极消耗H⁺离子、SO₄^2-离子，而负极消耗SO₄^2-离子，则电极表面附近电解液浓度要减小。

正极浓差极化超电势：

η_C（+）=0.02955lg（([H⁺]c⁴·[SO₄^2-]c)/ ([H⁺]r⁴·[SO₄^2-]r)）

负极浓差极化超电势：

η_C（－）=-0.02955lg（[SO₄