監測系統/蓄電池剩餘/蓄電池內阻
1 引言
排程自動化系統由遠動主站、分站和通訊通道三部分組成。主站安裝在排程自動化機房,分站安裝在各變電站,通道將主站與分站有機地聯絡成一體。要想保證自動化系統穩定、可靠、連續執行,除自動化裝置本身質量要過關外,還需要保證交流220v電源的連續供給,也就是說要給自動化系統配備不間斷電源。
當交流電源消失後,如系統事故或市電故障時,不間斷電源將全部由蓄電池組提供。因此,蓄電池效能、質量的好壞直接影響到排程自動化系統主站是否能安全可靠執行,其效能好壞的監測與判斷已成為電力系統穩定、安全、可靠執行的關鍵。
蓄電池作為一種便捷、安全的電源,為獲得較高的電壓,通常是把多節蓄電池串聯起來工作。在執行一段時間後,由於單體蓄電池的特性差異,電池組中的個別電池效能或將變差、失效,造成整個蓄電池組的效能下降,進而導致整個系統安全、可靠性的降低。
蓄電池作為一種化學反應裝置,其電化學過程比較複雜,內部化學反應影響因素較多,出現問題時也不易及時發現。因此,要準確估計蓄電池組剩餘電荷量和蓄電池故障診斷、健康排序都是相當複雜的過程[1]。
2 蓄電池剩餘電量常用監測方法
目前監測蓄電池剩餘電量的方案最有代表性的有如下幾種[2]:
2.1 密度法
通常蓄電池的使用效能與所選用的電解液密度有直接關係。在一定範圍內,電解液密度增大,蓄電池容量亦隨之增加,通過測量電解液的密度值,即可間接估計出其剩餘電量。但隨著蓄電池的使用,板柵和隔板的腐蝕會逐漸加劇,電解液的密度值也會與剛出廠時有較大的差異,縮短了蓄電池的壽命,從而導致用密度值推算剩餘電量不再準確。
同時由於目前的電源系統中大多採用的是閥控式鉛酸蓄電池,這一方法也難以應用。
2.2 開路電壓法
對鉛酸蓄電池而言,在其效能完全穩定的時候,其開路電壓與剩餘容量間存在很明顯的線性關係,而且這種線性關係受環境溫度以及蓄電池老化因素影響很小。因此,通過測量蓄電池的開路電壓,就可以推算出蓄電池的剩餘電量。開路電壓的顯著缺點是需要電池長時靜置,以達到電壓穩定,電池狀態從工作恢復到穩定,需要幾個小時甚至十幾個小時,所以不大適合實時**測量要求。
2.3 電阻放電法
通過對蓄電池施加一負載,計算單位時間內的蓄電池端電壓變化率,根據變化率的大小推算剩餘電量,變化量大意味著剩餘電量小,否則反之。但是此種試驗方法阻值躍變大,負載電流不能精細調節,因而誤差也較大;並且為了實現**測量,縮短測量時間,需要對蓄電池大電流放電,而大電流放電對蓄電池將會產生嚴重損傷,嚴重影響電池的使用壽命。
2.4 電導測量法
電導測量是向蓄電池兩端加乙個已知頻率和振幅的交流電壓訊號,測量出與電壓同相位的交流電流值,其交流電流分量與交流電壓的比值即為電池的電導。電導是頻率的函式,不同的測試頻率下有不同的電導值,在低頻率下,蓄電池電導與蓄電池容量相關性很好,一般測量頻率在20~30hz之間,對大容量蓄電池,頻率要低於10hz。蓄電池的容量越小,蓄電池電阻越大,電導值越小。
電導測量需通過放電來記錄電池的電導隨其容量變化的曲線,根據蓄電池廠家提供出廠蓄電池的電導與放電的資料,以及蓄電池使用者定時檢測執行中電池的電導值,對照電導與容量的曲線查出電池實際容量。電導法能準確查出完全失效的蓄電池,根據大量的實驗分析及研究結果證明,蓄電池的容量只有降低到50％時,電導會有所變化,降低到40％以後,會有明顯變化,所以,根據蓄電池電導值可以在一定程度上確定蓄電池的效能。但是存在如下問題:
但對於蓄電池的好壞程度,還不能提供準確的資料依據,不足以準確地測算出蓄電池的實際效能指標,尤其是容量指標。不能判斷容量50％以上的蓄蓄電池的好壞。不能到達國標的要求。
根據國家有關電源維護規程以及蓄電池維護效果要求,蓄電池組荷電容量達不到80％便應整組淘汰。
2.5 溫度測量法
除去電化學反應的吸熱和放熱外,由於蓄電池內阻的存在,使得蓄電池在充放電過程中,當有電流經過時,蓄電池內部會產生熱量,這部分熱量會使蓄電池的溫度發生變化。在同樣電流的條件下,蓄電池內阻不同,蓄電池內部產生的熱量不同,蓄電池的溫度就不同。蓄電池溫度測量是在蓄電池負極柱根部安置溫度感測器,通過測量**蓄電池的溫度,找出溫度異常的蓄電池。
這實際上是將蓄電池的阻值通過溫度間接地反映出來,避免了因接觸電阻而造成的誤差。研究表明:無論是恆流放電,或限壓恆流充電,或浮充狀態,荷電量最小的蓄電池溫度為最高。
該方法因其測試簡便和測試結果的直觀性受到一定的重視。
2.6 內阻法
研究表明,電池的內阻與荷電程度之間有較高的關聯性,通過測量電池內阻可較準確地**其剩餘電量。蓄電池完全充電(充滿)和完全放電(放完)時,其內阻相差2~4倍。隨著電池充電過程的進行,內阻逐步減小;隨著放電過程的進行,內阻逐步增大。
另外,在蓄電池老化過程中,其內阻逐漸增大,其剩餘電量隨之下降,因此,監測蓄電池內阻能提前**故障電池。蓄電池內阻與剩餘電量的關係曲線如圖1所示。
內阻法的優點在於對**使用的蓄電池來說,此方法對系統影響最小,並可在電池的整個使用期內精確測量。
3 智慧型蓄電池監測系統的工作原理及應用
由於監測物件為河池供電局排程自動化主站蓄電池是閥控式鉛酸蓄電池[3],它的運用在很大程度上已經減少了像開口式鉛酸蓄電池那樣繁瑣複雜的維護工作,但也因此使得日常對開口式鉛酸蓄電池的執行監測維護方法已不再適用於閥控式鉛酸蓄電池,這就對蓄電池的監測提出了新的要求。所以該局採用了杭州高特電子裝置****生產的ge－2000系列智慧型蓄電池組監測系統。該系統採用微機控制,自動化程度高,現場操作靈活簡便,可**監測每節電池的電壓、電池組組端電壓、充放電電流和溫度,動態放電測試電池內阻及負載能力,靜態放電測試電池容量,綜合測量判定電池效能及其變化趨勢,對失效電池予以顯示和報警,並對電池進行有效的活化維護,大大的提高了蓄電池的效能、延長了使用壽命。
3.1 智慧型系統測量原理
該監測系統採用先進的數學模型,對蓄電池浮充電壓、放電曲線和內阻值等多項測量結果進行綜合計算分析,即可對蓄電池的效能作出判斷。
針對電力系統的使用要求,直流系統中的蓄電池必須能夠提供足夠大的瞬時電流和長時間的小電流放電,即要求有較小的內阻和較大的容量。本系統採用以下多項檢測方法:
(1) 實時**監測每節蓄電池電壓、電池組充放電電流、溫度。
(2) 動態放電,大電流(>100a)衝擊負載,可在短時間內得到電池瞬間的放電曲線,測得內阻:
(3) 靜態放電,小電流恆流,測得電池容量:
(4) 運用先進的數學模型對以上諸引數進行綜合計算分析,即可對蓄電池效能的好壞直觀的顯示出來。
3.2 電路原理圖
系統由三個模組構成:
(1) 採集模組:
採集模組是將通過電壓採集模組、電流變送器、溫度感測器等得到單節蓄電池電壓、電池組充放電電流、溫度等快速的檢測出來,並將這些模擬量送入a/d轉換,轉換得到的數碼訊號再送到cpu處理,最後將處理得的資料通過rs485匯流排傳輸至監測主機上,供計算機分析、計算。
(2) 放電模組:
放電模組分為動態放電模組和靜態放電模組。選擇動態放電時,大功率負載能承受瞬間高達100a(或》100a)的衝擊電流,以實現對電池內阻的檢測;靜態放電時,通過恆流控制技術,負載能承受長時間恆流(5a)放電,實現對電池容量的核對性測試和對電池效能的活化。
當接收到監測主機的放電命令時,放電模組(動態/靜態)接通,電池通過負載放電,同時採集模組將迅速的採集相應的變化量,並通過計算得出每節電池的特性曲線。
放電模組還設有計時器,在放電超時時,系統會自動切斷放電迴路;還設有過流、超溫等的異常保護,大大的提高了放電模組的可靠性、安全性。
(3) 監測主機
監測主機是該智慧型系統的核心部分,採用了高效能的16位微控制器和大容量的4m flash,不僅保證了在大量資料時的高速計算,也保證了對資料的掉電儲存。
當接收到採集模組送過來的數碼訊號後,cpu將對這些訊號進一步的分析處理,最後將得到的資料在顯示面板上顯示出來。
電池電壓、電流的採集示意圖如圖3、圖4所示。
河池供電局使用的蓄電池為12v/100ah,共四組,每組32只。該局對蓄電池效能的維護,規定動態放電每月進行一次,靜態放電3月進行一次。因此,本文抽取了其中一組蓄電池日常維護中的動態放電和靜態放電的資料進行分析。
(1) 動態放電時
先斷開ups蓄電池輸出開關,將準備測試的電池組退出系統,然後連線好動態放電模組,開啟該放電模組交流開關,合上蓄電池放電開關,最後在監控主機上選擇「動態放電測試」進入放電狀態,2秒後放電結束。
動態放電結束時,顯示面板顯示出的蓄電池組組端電壓為437.9v,放電電流》100a,所得到的內阻值如表1所示。
注為內阻值單位;2.由於有些內阻值小於裝置的顯示範圍所以用**.*表示。
(2) 靜態放電時
先斷開ups蓄電池輸出開關,將準備測試的電池組退出系統,然後連線好靜態放電模組,開啟該放電模組交流開關,合上蓄電池放電開關,最後在監控主機上選擇「靜態放電測試」並設定放電電流、放電時間、放電容量上限等後進入放電狀態。
放電結束後,顯示得到蓄電池組組端電壓為380.5v,放電時間為3h,放電電流11.1a,總放電容量33.3ah,單個電池的端電壓如表2所示。
4 結束語
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