变电站电池组开路检测系统

变电站电池组开路检测系统

周潮

（深圳供电局有限公司广东深圳518020）

摘要：本文主要是通过在线检测蓄电池的物理参数及电化学参数，包括电压、温度、欧姆电阻、极化电阻、极化电容，并通过这些参数建立蓄电池组开路数学模型，对变电站蓄电池是否存在开路潜在风险做出快速诊断分析。

关键词：蓄电池；开路；智能控制器

引言：

变电站直流电源系统给全站保护、控制、监控、通讯系统提供电源，变电站直流电源系统的运行状况直接影响着电网的安全稳定运行，蓄电池作为变电站直流电源系统的后备电源，为直流电源系统提供最后的安全防线，而蓄电池开路造成的事故时有发生，严重威胁变电站的安全运行。针对变电站蓄电池组出现的极其危险的开路问题，研制一套便携式设备，包括平板电脑、控制器、蓄电池测试终端，采用多频点蓄电池测试技术，在线检测蓄电池的物理参数及电化学参数，包括电压、温度、欧姆电阻、极化电阻、极化电容，并通过这些参数建立蓄电池组开路数学模型，对变电站蓄电池是否存在开路潜在风险做出快速诊断分析，从而杜绝变电站由于蓄电池突然开路而造成的恶性事故。

1、主要技术内容

1.1变电站电池组开路检测系统的拓扑结构

变电站电池组开路巡检系统的组成如图1所示，整个系统配一台平板电脑、一个智能控制器、一个电池传感器、9个电池测试终端。

1.2采用多频点蓄电池测试技术以及电力线载波通信技术的蓄电池测试终端

蓄电池测试终端是本系统的关键部件。电池测试终端采用多频点蓄电池测试技术，可检测蓄电池的物理参数及电化学参数，包括电压、温度、欧姆电阻、极化电阻、极化电容。

电池测试终端采用电力线载波通信技术与智能控制器进行通信。变电站电池组开路巡检系统配9个电池测试终端（6节电池配备一个电池测试终端）。

电池测试终端，利用电池本身，以及电池之间的连接线，与电池监测数据接收设备采用电力线载波通信方式进行数据交换，其中电池本身包括正极柱、负极柱、连接条、正极板、负极板、浸有电解液的隔膜或胶凝状电解液。图2中示意的是第3节电池的电池测试终端，与智能控制器采用电力线载波通信方式进行数据交换的示意图，图中箭头表示电力线载波信号的流向。其他节电池与电池监测数据接收设备进行数据交换时，与此类同。

1.3采用电力线载波通信技术以及WiFi通信技术的智能控制器

智能控制器是本系统的关键部件之一。对下，它与电池采用电力线载波方式通信，对电池进行控制，读取电池的检测信息，如电压、内阻、温度等；对上，它可与监控云服务器采用LAN、WiFi、GPRS、RS485等方式进行通信。变电站电池组开路巡检系统配一个智能控制器。

1.4蓄电池的物理参数及电化学参数，包括电压、温度、欧姆电阻、极化电阻、极化电容，与电池开路的试验以及数学模型的建立

电流在电池内部的传导包括欧姆路径及电化学路径。电池的电路模型被普大家普遍认可的是Thevenin电池模型，如图3所示。其中欧姆电阻R1反映了电流的欧姆路径，极化电阻R2反映了电流的电化学路径，极化电容Cp反映了并联的极板与它们之间的介电物质构成的双电层电容。

欧姆电阻R1：反映了电流的欧姆路径，包括了极柱（R_terminal）、汇流排（R_strap）、板栅（R_grid）、板栅与涂膏间（R_grid_to_paste）的电阻。

极化电阻R2：反映的电流的电化学路径，包括涂膏（R_paste）、电解质（R_electrolyte）、隔膜（R_seperator）的电阻。

极化电容C2：并联的极板与它们之间的介电物质构成了双电层电容。

电池欧姆电阻、极化电阻、极化电容的构成见图4。

从图4可以看到，由于较大的电容所产生的阻抗掩盖了极化电阻所发生的变化，而该路径恰好包含了储存能量的涂膏和电解质。

欧姆电阻主要体现蓄电池内部金属以及金属连接处的内阻状态，当蓄电池老化，或者内部金属连通部件受到腐蚀的时候，有效的导电截面积变小，导致欧姆内阻值变大，欧姆电阻存在问题时，电池在充电时会出现热失衡，温度急剧上升，有爆炸的危险，并且放电时会导致总线电压在没有警告的情况下瞬间下降或完全中断，造成电池内部开路故障。

极化电阻和极化电阻反映了电池的电化学问题。

经过大量的试验，建立蓄电池的物理参数及电化学参数，包括电压、温度、欧姆电阻、极化电阻、极化电容，与电池开路的模型。

1.5基于平板电脑及安卓系统的蓄电池组开路检测分析程序的编制

平板电脑为手持设备，采用WiFi方式与控制器进行通信，可以接收控制器存贮的检测数据，进行分析。

2、主要技术指标

电压测试精度：0.5%；

温度测试精度：±1℃；

欧姆电阻测试精度：5%；

极化电阻、极化电容测试精度：20%；

电池开路分析准确认：90%；

工作环境：0~50℃，≤90%RH；

3、实际应用

变电站电池组开路检测系统在深圳供电局110kV文锦站#1蓄电池组上实际应用，效果良好。

现场安装调试后，可以在平板电脑或者手机上远成清楚的看到蓄电池组的运行状态和对蓄电池的状况分析。

电池组开路检测系统可以准确测出电池的电压、欧姆电阻、极化电阻、极化电容、温度，并且可以用直方图和数据表格的形式展示出来，并用趋势图的形式反映出电池在一定时间范围内的变化趋势，通过电池电压均差分析，电池内阻分析以及变化趋势分析来判断电池是否存在潜在开路的风险。

4、总结

变电站直流电源系统的重要性日显突出，其中蓄电池开路造成的事故时有发生，严重威胁变电站的安全运行，通过蓄电池开路检测系统，可以快速有效的判断出蓄电池组开路的潜在风险，并且及时对有开路风险的蓄电池进行处理，杜绝蓄电池开路事故的发生。本系统可以应用于变电站、通信、基站、光伏电站等各类蓄电池组开路的检测诊断工作。

作者简介：

周潮（1987-）男，深圳供电局有限公司工程师、变电检修技师、直流电源技师。从事变电站交直流电源和新能源研究、应用。