高可靠電力保障領(lǐng)域的最后一道防線

1、 引言

　　蓄電池作為直流電源系統(tǒng)的核心組成部分，起著儲(chǔ)備電能、應(yīng)付電網(wǎng)異常和特殊工作情況、維持系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵作用，是需要高可靠電力保障領(lǐng)域的最后一道防線。當(dāng)前，蓄電池在線監(jiān)測(cè)及狀態(tài)評(píng)估逐漸被人們所重視，在電力、通信等行業(yè)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，然而，蓄電池在線監(jiān)測(cè)及狀態(tài)評(píng)估所采用關(guān)鍵技術(shù)—內(nèi)阻測(cè)量技術(shù)，并不被人們所了解，還存在模糊的認(rèn)識(shí)。

　　2、 蓄電池狀態(tài)在線評(píng)估

　　目前對(duì)蓄電池(落后)狀態(tài)在線評(píng)估有浮充電壓監(jiān)測(cè)法和蓄電池內(nèi)阻監(jiān)測(cè)法。

　　浮充電壓監(jiān)測(cè)法過(guò)去曾廣泛采用，但是理論分析和大量實(shí)驗(yàn)證明，浮充電壓與蓄電池的(落后)狀態(tài)及預(yù)計(jì)使用壽命無(wú)關(guān)，因此現(xiàn)在已不在用于對(duì)蓄電池的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。

　　理論分析和大量實(shí)驗(yàn)證明，蓄電池(落后)狀態(tài)及預(yù)計(jì)使用壽命與其內(nèi)阻具有密切的關(guān)系，目前國(guó)內(nèi)外使用的蓄電池監(jiān)測(cè)設(shè)備及蓄電池狀態(tài)分析設(shè)備都是以蓄電池內(nèi)阻為主要指標(biāo)，結(jié)合蓄電池內(nèi)阻的變化速率及歷史數(shù)據(jù)，建立專家系統(tǒng)，對(duì)蓄電池(落后)狀態(tài)進(jìn)行在線評(píng)估，預(yù)計(jì)其使用壽命。

　　電站蓄電池往往采用大容量蓄電池，其內(nèi)阻極其微小，為幾十到數(shù)百微歐，甚至接頭的緊固的松緊程度都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果不影響，并且蓄電池在線工作是因?yàn)槌潆娧b置產(chǎn)生一定的紋波干擾，因而傳統(tǒng)的電阻測(cè)量技術(shù)難以達(dá)到要求，應(yīng)采用微電阻精密測(cè)量技術(shù)進(jìn)行蓄電池內(nèi)阻測(cè)量，以對(duì)蓄電池內(nèi)阻微歐級(jí)這樣微小的變化做出的反映。

　　3、蓄電池的內(nèi)阻模型

　　圖1(a)為蓄電池簡(jiǎn)化等效電路，圖中RC1和RC2分別為正負(fù)電極的極化電阻，C1和C2是正負(fù)電極的雙電層電容，RΩ是蓄電池的歐姆電阻。圖(a)還可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為(b)，圖中R和為蓄電池的極化電阻，C為兩電極雙電層電容等效值。蓄電池連接部分主要是歐姆電阻，而電極活性物質(zhì)部分既有歐姆電阻又有極化電阻。

　　(1)歐姆電阻：由極板、匯流排、極柱、電解液、隔膜等的電阻組成，它們服從歐姆定律。

　　(2)極化電阻：包括濃差極化電阻和電化學(xué)極化電阻，它們由擴(kuò)散極化電阻、電荷傳遞電阻組成，是由電極動(dòng)力學(xué)過(guò)程和物質(zhì)轉(zhuǎn)移引起，它們不服從歐姆定律。

　　濃差極化：電流通過(guò)蓄電池后，引起正負(fù)電極表面附近的電解液濃度變化，進(jìn)而產(chǎn)生濃極化電動(dòng)勢(shì)η+、η-，其大小與電流大小、溫度、電極反應(yīng)速率、電遷移、擴(kuò)散速度有關(guān)。

　　電化學(xué)極化：當(dāng)電流通過(guò)蓄電池時(shí)，由于電極過(guò)程某一步的遲緩，阻礙了電極過(guò)程的進(jìn)行，使電極電位離開平衡電極電位。其大小與電流大小、溫度、電極真實(shí)有效表面積等因素有關(guān)。

　　4、影響蓄電池內(nèi)阻的因素

　　影響蓄電池內(nèi)阻的因素主要有：

　　(1) 蓄電池的落后程度：隨著蓄電池使用時(shí)間的增加，由于電池失水、極板及連接條的腐蝕、極板的硫酸化、極板的變形及活性物質(zhì)的脫落等因素，造成蓄電池容量減小，蓄電池的內(nèi)阻逐漸變大。

　　(2) 蓄電池的荷電量：同一只蓄電池，放電程度不同，由于蓄電池電解液深度、電極表面反應(yīng)物質(zhì)的厚度、電極表面的孔隙率明顯不同，而使蓄電池的內(nèi)阻差異很大。放電程度越深，蓄電池的內(nèi)阻越大。

　　因而在對(duì)蓄電池落后狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估時(shí)，同一生產(chǎn)廠家同一型號(hào)的蓄電池應(yīng)建立統(tǒng)一的內(nèi)阻標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)將電池充滿電后再進(jìn)行內(nèi)阻測(cè)量，對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)蓄電池落后狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，如果未充滿電，由于無(wú)法區(qū)分是蓄電池落后狀態(tài)引起的內(nèi)阻增加，還是蓄電池荷電狀態(tài)引起的內(nèi)阻增加，而使評(píng)估失去意義。

　　(3) 溫度：隨著溫度的升高，反應(yīng)物質(zhì)的擴(kuò)散、電荷傳遞、電極動(dòng)力學(xué)過(guò)程和物質(zhì)轉(zhuǎn)移更容易進(jìn)行，因而蓄電池內(nèi)阻減小。

　　(4) 蓄電池的型號(hào)：不同生產(chǎn)廠家、不同種類、不同型號(hào)的蓄電池，由于電極、電解液、隔膜的材料配方不同、電池的結(jié)構(gòu)不同、裝配工藝不同而使蓄電池內(nèi)阻產(chǎn)生差異。

　　(5) 測(cè)量信號(hào)頻率：目前許多蓄電池內(nèi)阻測(cè)量實(shí)際上測(cè)的是蓄電池的阻抗，而蓄電池并非純電阻特性，還包含電容，因而其阻抗大小和測(cè)量信號(hào)頻率有關(guān)，使蓄電池內(nèi)阻測(cè)量結(jié)果不具有客觀性。

　　為使蓄電池內(nèi)阻測(cè)量結(jié)果具有客觀性，應(yīng)根據(jù)測(cè)量信號(hào)電流和電壓的相位關(guān)系，用解析的方法去除蓄電池電容對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，使測(cè)量結(jié)果和測(cè)量信號(hào)頻率無(wú)關(guān)，即在任何測(cè)量信號(hào)頻率下，內(nèi)阻測(cè)量結(jié)果具有唯一性。

　　(6) 測(cè)量時(shí)間和測(cè)量電流大?。涸诓捎幂^大測(cè)量電流的情況下，在施加測(cè)量信號(hào)和關(guān)閉測(cè)量信號(hào)的瞬間，由于極化和建立和穩(wěn)定是個(gè)變化的過(guò)程，不同的測(cè)量電流，不同的測(cè)量時(shí)間，極化是不同的，使蓄電池內(nèi)阻測(cè)量結(jié)果不具有客觀性。

　　為使蓄電池內(nèi)阻測(cè)量結(jié)果具有客觀性，應(yīng)盡量用較小的信號(hào)電流進(jìn)行內(nèi)阻測(cè)量，根據(jù)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量電流應(yīng)≤0.05C10,其中C10為10小時(shí)放電率下蓄電池的容量。使內(nèi)阻測(cè)量結(jié)果與測(cè)量時(shí)間及測(cè)量電流大小無(wú)關(guān)，內(nèi)阻測(cè)量結(jié)果具有唯一性。