基于多頻點技術(shù)的蓄電池內(nèi)阻在線檢測及蓄電池內(nèi)阻與蓄電池容量相關(guān)度研究項目

技術(shù)總結(jié)報告

“基于多頻點技術(shù)的蓄電池內(nèi)阻在線檢測及

蓄電池內(nèi)阻與蓄電池容量相關(guān)度研究項目”項目小組

2012年12月

目錄

1．引言.... 1

2．系統(tǒng)概論.... 1

2．1 概述.... 1

2．2 蓄電池維護(hù)管理目前存在的問題.... 4

2．3 蓄電池在線監(jiān)測管理系統(tǒng)的作用.... 6

2．3．1 提高供電系統(tǒng)的安全性和可靠性.... 6

2．3．2 延長蓄電池的使用壽命.... 6

2．3．3 節(jié)約成本.... 6

3．閥控鉛酸蓄電池（VRLA蓄電池）. 7

3．1 鉛酸蓄電池的電極性質(zhì).... 7

3．1．1鉛電極電勢.... 7

3．1．2氧化鉛電極電勢.... 8

3．1．3鉛酸蓄電池的電動勢.... 8

3．2 鉛酸蓄電池的電極極化.... 8

3．2．1濃差極化.... 8

3．2．2電化學(xué)極化.... 11

3．2．3內(nèi)阻極化.... 12

3．3 鉛酸蓄電池氣體的產(chǎn)生.... 12

3．3．1 負(fù)極氫氣的產(chǎn)生.... 12

3．3．2 正極氧氣的產(chǎn)生.... 13

3．3．3  氫氧氣產(chǎn)生與電池端電壓的關(guān)系.... 13

3．4 VRLA蓄電池陰極吸收機(jī)理.... 13

3．5  蓄電池溫度升高及對蓄電池的影響.... 14

3．5．1  充放電過程放熱或吸熱現(xiàn)象.... 14

3．5．2  過充放電時放出的熱量.... 15

3．5．3  溫度對鉛酸蓄電池極化作用的影響.... 15

3．5．4  溫度對鉛酸蓄電池容量的影響.... 15

3．5．5  溫度對鉛酸蓄電池內(nèi)阻的影響.... 17

3．5．6  溫度對鉛酸蓄電池充電效率的影響.... 18

3．6  VRLA蓄電池的浮充工作特性.... 18

3．7  VRLA蓄電池的充電特性.... 20

3．8  蓄電池內(nèi)阻變化特性.... 22

3．8．1  蓄電池的等效電路.... 22

3．8．2  影響蓄電池內(nèi)阻的因素.... 24

3．9  蓄電池內(nèi)阻和容量的關(guān)系.... 26

3．10、蓄電池常見的失效模式.... 27

3．10．1電池失水.... 28

3．10．2 極板硫酸化.... 29

3．10．3 極板腐蝕.... 29

3．10．4 熱失控.... 29

4．本項目在線監(jiān)測不同技術(shù)的比較.... 30

4．1 蓄電池模型.... 30

4．2 測量浮充電壓法.... 31

4．3 直流放電法.... 32

4．4 交流注入法.... 36

4．5 交流放電法.... 37

5 充電機(jī)特性參數(shù)測試及充電程序測試.... 42

5.1充電裝置穩(wěn)壓精度.... 43

5.2充電裝置紋波系數(shù).... 44

5.3充電裝置穩(wěn)流精度.... 44

6．項目主要內(nèi)容及技術(shù)路線. 45

7 本項目的創(chuàng)新點.... 57

8 系統(tǒng)特點、安全性.... 58

8．1 系統(tǒng)概述.... 58

8．2 系統(tǒng)設(shè)計原則.... 58

8．3 系統(tǒng)描述.... 59

8．4 系統(tǒng)特色.... 60

8．5 特點.... 62

8．6 安全性.... 63

9. 系統(tǒng)的主要功能和技術(shù)指標(biāo).... 65

9．1 主要功能.... 65

9．1．1 預(yù)警功能.... 65

9．1．2 管理決策功能.... 65

9．1．3 內(nèi)阻檢測功能.... 65

9．1．4 連線電阻檢測功能.... 65

9．1．5充電機(jī)特參數(shù)檢測功能.... 66

9．1．6巡檢功能.... 66

9．1．7 充放電過程全過程記錄功能（蓄電池組核容和交流停電）.... 66

9．1．8 報警及記錄功能.... 66

9．1．9 電池質(zhì)量分析及報表分析功能.... 67

9．2       主要技術(shù)指標(biāo).... 68

10．主要操作界面簡介.... 69

10．1 主界面.... 69

10．2 用戶權(quán)限管理.... 71

10．3 歷史數(shù)據(jù)查詢及分析.... 71

10．4 核容放電均充及停電放電/均充全過程記錄.... 72

10．4．1 功能：.... 72

10．4．2 指導(dǎo)意義.... 73

10．5 即時測量.... 79

10．6 自動報警及記錄.... 79

10．7 系統(tǒng)管理.... 80

10．8 報表.... 80

10．9 查詢統(tǒng)計.... 80

11． 總結(jié).... 82

12. 未來的展望.... 83

12．1 建立分析診斷數(shù)學(xué)模型.... 83

12．2 建立全面的綜合的蓄電池管理平臺.... 83

12．3 蓄電池過程在線維護(hù)建.... 84

12．3．1 電池的均衡.... 84

12．3．2 電池除硫.... 85

12．3．3 電池的在線活化.... 85

附件.... 87

附件1  蓄電池組運行情況月報表.... 87

附件2  蓄電池組核容試驗報告.... 87

附件3  系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)與現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)的比較.... 87

附件4  系統(tǒng)主站與變電站端的數(shù)據(jù)通信方案.... 87

附件5  *創(chuàng)新基金立項證書.... 87

附件6  產(chǎn)品檢測報告.... 87

1．引言

根據(jù)上級部門下達(dá)的研究項目《基于多頻點技術(shù)的蓄電池內(nèi)阻在線檢測及蓄電池內(nèi)阻與蓄電池容量相關(guān)度研究項目》科技項目小組與深圳市普祿科智能檢測設(shè)備有限公司共同研制開發(fā)了“基于多頻點技術(shù)的蓄電池內(nèi)阻在線檢測及蓄電池內(nèi)阻與蓄電池容量相關(guān)度研究系統(tǒng)”。該系統(tǒng)在廣州移動西華機(jī)樓一樓電池機(jī)房UPS電池上投入運行半年多以來，性能穩(wěn)定可靠，達(dá)到了預(yù)期的效果。

該系統(tǒng)采用*的交流放電法多頻點在線監(jiān)測蓄電池的內(nèi)阻，結(jié)合電壓、電流等數(shù)據(jù)，判定電池的容量，使維修及管理人員及時掌握蓄電池的真實狀態(tài)。系統(tǒng)還具有連線電阻及充電機(jī)綜合特性測試功能，有危險狀況出現(xiàn)時，系統(tǒng)可提前預(yù)警，維護(hù)管理人員可根據(jù)預(yù)警信息及時處理，消除安全隱患。

本項目管理系統(tǒng)可以指導(dǎo)對蓄電池的維護(hù)方式進(jìn)行創(chuàng)新，將以往的定期檢測，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐孕铍姵貙嶋H工作狀態(tài)為基礎(chǔ)的狀態(tài)檢測，確保供電系統(tǒng)的安全，因而具有十分重要的現(xiàn)實意義。

2．系統(tǒng)概論

2．1 概述

*，電力系統(tǒng)中有三大設(shè)備，即一次設(shè)備（如主變壓器等）、二次設(shè)備（如保護(hù)、測量等）與直流設(shè)備。

直流設(shè)備的核心是蓄電池組，它與充電整流、直流網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成直流系統(tǒng)。

蓄電池組是一個獨立于變電后交流電源的直流電源，是電力系統(tǒng)中zui后一道防線。在正常狀態(tài)下，它為斷路器提供合閘電源；在故障狀態(tài)下，當(dāng)機(jī)房交流用電中斷時，發(fā)揮其“獨立電源”的作用，為繼電保護(hù)及自動裝置、斷路器跳閘與合閘、拖動機(jī)械設(shè)備的整流設(shè)備、通信提供電源。可見，直流電源是機(jī)房通信安全運行的可靠保證，發(fā)揮著不可替代的作用。直流電源本身的安全可靠是保證系統(tǒng)正常運行的重要條件。其中，蓄電池組作為后備電源，無疑是生產(chǎn)中的zui后動力保障。因而，被人把蓄電池組比喻為變電站的心臟。

閥控鉛酸蓄電池采用陰極吸收技術(shù)，電池密閉封裝，運行中無需進(jìn)行傳統(tǒng)的電解液控制維護(hù)，在業(yè)界得到廣泛應(yīng)用。然而，電池密封在使用方便的同時，也使得檢測和維護(hù)更加困難，“免維護(hù)”又導(dǎo)致用戶放松了對電池的日常維護(hù)管理，在實際應(yīng)用中暴露了越來越多的問題，而不合理的工作條件又導(dǎo)致電池的使用壽命縮短。更為嚴(yán)重的是由于缺乏有效的監(jiān)測維護(hù)手段，不能及時、準(zhǔn)確地掌握電池狀態(tài)，無法消除電池問題帶來的隱患。經(jīng)統(tǒng)計因電池問題造成的事故或停機(jī)的損失，往往遠(yuǎn)比電池本身價值要高得多。2011年3月11日在日本東北地區(qū)發(fā)生的大地震并由此引起的海嘯，而導(dǎo)致的福島*核電站1～4#反應(yīng)堆因冷卻系統(tǒng)癱瘓，zui終相繼發(fā)生爆炸而產(chǎn)生核泄露的災(zāi)難性事件，再次為人們敲響了警鐘。

實踐證明，VRLA電池端電壓與放電能力無相關(guān)性，VRLA電池和電池組在運行過程中，隨著使用時間的增加，必然會有個別或部分電池因內(nèi)阻變大，呈退行性老化現(xiàn)象。實踐證明，整組電池的容量是以狀況zui差的那一塊電池的容量值為準(zhǔn)，而不是以平均值或額定值（初始值）為準(zhǔn)，當(dāng)電池的實際容量下降到其本身額定容量的90% 以下時，電池便進(jìn)入衰退期；當(dāng)電池容量下降到原來的80%以下時，電池便進(jìn)入急劇的衰退狀況。衰退期很短，這時電池組已存在極大的事故隱患。

過去的維護(hù)和管理人員，往往只重視備用電源的設(shè)備部分的維護(hù)和管理，而忽視電池組的重大作用。殊不知，斷電的危險很大程度上就潛伏在電池組。整組電池充電的特性是，若電池組中有一節(jié)或幾節(jié)內(nèi)阻變大的老化電池，其容量必然變小。充電器給電池組充電時，老化電池因容量小，將很快充滿，并導(dǎo)致電池電壓急劇升高，充電器會誤以為整組電池已充滿而停止充電，造成其余狀態(tài)良好的電池不可能充滿，長期未充滿的電池會因硫酸鹽化而使容量降低及壽命縮短。電池放電時，容量不足電池的電壓短時間就會急劇降低，整組電池提前達(dá)到截止電壓。因而電池組將以老化電池的容量為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行充放電，經(jīng)多次浮充--放電--均充--放電--浮充的惡性循環(huán)，容量就會不斷整體下降，電池后備時間縮短。因此，如不及時檢測，找出老化電池給予調(diào)整，電池組的容量將變小，電池壽命縮短，繼而影響整個供電系統(tǒng)的安全運行。

受當(dāng)前診斷技術(shù)水平的制約，目前我國對蓄電池的維護(hù)管理方式還主要采用以產(chǎn)品壽命理論為基礎(chǔ)的定期檢修和定期更換模式。然而，影響電池壽命因素眾多，即使同一廠家同一批次的蓄電池，實際壽命差別也相當(dāng)大，甚至有新電池幾個月就失效的案例。幾十節(jié)串聯(lián)的電池，只要一節(jié)過早損壞，如不及時發(fā)現(xiàn)，時間一長，整組電池即會失效。如果失效正好發(fā)生在兩次定期檢修之間，在停電或設(shè)備故障時，將會產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。因此，目前的定期檢修模式實際上是存在安全隱患的，也是電力系統(tǒng)迫切需要解決的問題。

2．2 蓄電池維護(hù)管理目前存在的問題

從實際運行情況看，這個“通信機(jī)房的心臟”并沒有*得到安全可靠的運行維護(hù)，仍然存在很大的安全隱患，主要表現(xiàn)在：

2．2．1 電網(wǎng)運行存在安全隱患

根據(jù)有關(guān)規(guī)程要求，對蓄電池在投入運行前驗收時進(jìn)行核對性容量試驗，正常運行期間每1～2年進(jìn)行核對性容量試驗。而兩次核容試驗之間的這一兩年內(nèi)，由于有多種因素會影響蓄電池的狀況，蓄電池的實際狀況可能發(fā)生變化，而維護(hù)人員對這些變化一無所知。一旦發(fā)生停電或故障需要蓄電池發(fā)揮作用，蓄電池狀態(tài)不良，就可能影響到電網(wǎng)的安全運行。

2．2．2 定期檢修無法實現(xiàn)安全

目前的檢測維護(hù)制度是建立在定期檢測維護(hù)的理論基礎(chǔ)上的，即“定期檢測”的概念。“定期檢測”是在沒有很好的檢測技術(shù)和手段的情況下，人們基于概率統(tǒng)計的原理提出的一種檢測制度。這種制度雖然可以避免事故的發(fā)生，但是從理論上不能保證系統(tǒng)安全，這對具有高度可靠性要求的系統(tǒng)來說，其可靠性是無法滿足人們要求的。

2．2．3 檢修維護(hù)人員勞動強(qiáng)度大，工作效率低。

由于檢測維護(hù)人員少，而要維護(hù)的站點數(shù)量多，每天需要派人、派車，開票、下站，大量時間要花在路上。檢測得到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理也要花費大量的時間，造成檢測維護(hù)人員勞動強(qiáng)度大，工作效率低。

2．2．4 蓄電池壽命無法達(dá)到設(shè)計要求

蓄電池往往在使用一年后就開始有劣化的情況出現(xiàn)，使用超過5年的蓄電池一般會有比較嚴(yán)重的劣化現(xiàn)象，達(dá)到額定容量的很少。主要原因有二，一是蓄電池生產(chǎn)廠家對蓄電池的使用壽命年限是在理想運行環(huán)境下做的預(yù)測，實際系統(tǒng)都是對整組電池進(jìn)行充放電管理，電池間的差異會越來越大，造成電池失水、硫化；二是在蓄電池的實際運行過程中，沒有得到有效的管理與維護(hù)，無法及時發(fā)現(xiàn)落后蓄電池，導(dǎo)致蓄電池劣化加劇，過早報廢。

2．2．5 運行人員無法評價蓄電池的性能狀態(tài)

由于缺乏良好的技術(shù)管理手段，運行維護(hù)人員無法充分了解并評價整個地區(qū)、各個站點蓄電池的運行情況以及性能狀況，沒有對蓄電池歷史數(shù)據(jù)的整理與分析，對蓄電池的內(nèi)阻、剩余容量等都無法及時清楚地了解。

2．2．6 無法掌握充電機(jī)特性參數(shù)

過去，對充電機(jī)特性參數(shù)沒有真正意義上做過檢測，更無法遠(yuǎn)程監(jiān)測，假如要對充電機(jī)特性參數(shù)的檢測必須到現(xiàn)場采用專門設(shè)備進(jìn)行測試，耗時長，勞動強(qiáng)度大。

2．2．7 接頭松動、銹蝕無法及時掌握，存在嚴(yán)重安全隱患

過去，接頭松動、銹蝕甚至接近斷線，*無法掌握，一旦停電，直流系統(tǒng)將立即崩潰。另外，接頭松動銹蝕極易造成火災(zāi)。這些安全隱患的存在，都將危及通信機(jī)房的安全。

2．2．8 蓄電池管理維護(hù)的理念需要改進(jìn)

由于受到“免維護(hù)”的誤導(dǎo)，運行人員認(rèn)為“免維護(hù)”就是不維護(hù)。這樣的維護(hù)理念，使得蓄電池的維護(hù)工作展開起來比較困難。

2．3 蓄電池在線監(jiān)測管理系統(tǒng)的作用

    本項目在線監(jiān)測管理系統(tǒng)的投入使用，可以產(chǎn)生以下作用：

2．3．1 提高供電系統(tǒng)的安全性和可靠性

本項目管理系統(tǒng)可以對各單節(jié)蓄電池的內(nèi)阻、電壓、充放電電流、溫度等參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測，維護(hù)管理人員可以隨時在計算機(jī)上查詢蓄電池的各項數(shù)據(jù)，全面掌握蓄電池的狀況?？梢詸z測蓄電池連線電阻，當(dāng)接頭松動、銹蝕、即將斷線時，系統(tǒng)可以及時檢測出來。可檢測充電機(jī)特性參數(shù)，出現(xiàn)異?？杉皶r發(fā)現(xiàn)。一旦有危險隱患出現(xiàn)，系統(tǒng)將以聲光形式發(fā)出預(yù)警，提醒維護(hù)管理人員及時處理，避免事故的發(fā)生，極大地提高了供電系統(tǒng)的安全性和可靠性。

2．3．2 延長蓄電池的使用壽命

項目管理系統(tǒng)可以及時發(fā)現(xiàn)個別劣化的蓄電池，提醒維護(hù)人員及時處理，從而減小了因個別蓄電池劣化而造成整組蓄電池?fù)p壞的可能，相應(yīng)延長了蓄電池的使用壽命。

2．3．3 節(jié)約成本

維護(hù)管理人員在各自權(quán)限范圍內(nèi)進(jìn)入在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以及時掌握各各機(jī)房（站）蓄電池的狀態(tài)，大大減少了現(xiàn)場檢測工作量、人工費用和車輛費用。

3．閥控鉛酸蓄電池（VRLA蓄電池）

3．1 鉛酸蓄電池的電極性質(zhì)

VRLA電池采用粉末多孔電極，即正負(fù)極板采用粉末狀多孔活性物質(zhì)與其他組份配制后和基板（板柵）構(gòu)成。板柵是活性物質(zhì)的載體，同時傳導(dǎo)電流，負(fù)極板或正極板與硫酸溶液接觸后，便構(gòu)成了鉛電極或二氧化鉛電極。

VRLA電池負(fù)極活性物質(zhì)為絨狀鉛，與硫酸溶液構(gòu)成難溶鹽電極；正極活性物質(zhì)為PbO₂，與硫酸溶液構(gòu)成氧化—還原電極。

鉛酸蓄電池電極平衡電勢可用Nernst方程計算。

3．1．1鉛電極電勢

鉛電極可用PbSO₄/Pb電對表示，其平衡電極反應(yīng)為：

Pb+HSO₄^-=PbSO₄+H⁺+2e

鉛電極平衡電勢為：

E（-）= -0.356－0.02955lg（[SO₄^2-]）

其中[SO₄^2-]為電解液中SO₄^2-離子的濃度，公式表明，鉛電極的電勢隨著SO₄^2-離子濃度的增加向負(fù)值方向增加。

3．1．2 氧化鉛電極電勢

氧化鉛電極可用Pb⁴⁺/Pb²⁺電對表示，其平衡電極反應(yīng)為：

PbO₂+3H⁺+HSO₄^-+2e=PbSO₄+2H₂O

氧化鉛電極平衡電勢為：

E（+）=1.685+0.02955lg（[H⁺]⁴*[SO₄^2-]）

其中[H⁺] 、[SO₄^2-]分別為電解液中H⁺離子、SO₄^2-離子的濃度，公式表明，氧化鉛電極的電勢隨著H⁺離子、SO₄^2-離子濃度的增加向正值方向增加。

3．1．3鉛酸蓄電池的電動勢

E_池= E（+）－E（-）

  =2.041+0.02955lg（[H⁺]⁴·[SO₄^2-]²）

    公式表明,在一定溫度下,鉛酸蓄電池的電動勢僅與電解質(zhì)溶液濃度有關(guān)。

3．2 鉛酸蓄電池的電極極化

    當(dāng)鉛酸蓄電池進(jìn)行放電，或進(jìn)行充電，由于電流流過兩電極，使兩電極電勢離開平衡電極電勢而變化，則電極或電池便發(fā)生的極化。鉛酸蓄電池的極化，分為濃差極化、電化學(xué)極化和歐姆極化。

3．2．1濃差極化

（1）濃差極化電勢

    鉛酸蓄電池中有電流流過之后，正負(fù)極表面附近的電解液濃度都要發(fā)生變化。這個變化除由于電極反應(yīng)外，還有電遷移和擴(kuò)散的影響。

    在充電時，正極反應(yīng)的生成物中，有H⁺離子、SO₄^2-離子，負(fù)極的反應(yīng)生成物中有SO₄^2-離子。因此，電極表面附近的電解液濃度都要增大。而在放電時，兩電極反應(yīng)中都要H2SO4分子參加，正極消耗H⁺離子、SO₄^2-離子，而負(fù)極消耗SO₄^2-離子，則電極表面附近電解液濃度要減小。

正極濃差極化超電勢：

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

負(fù)極濃差極化超電勢：

η_C（－）=-0.02955lg（[SO₄^2-]c/ （[SO₄^2-]r））

式中：

[H⁺]c、[SO₄^2-]c、充放電過程中電極表面附近H⁺離子、SO₄^2-離子摩爾體積濃度；

[H⁺]r、[SO₄^2-]r、大體積溶液中H⁺離子、SO₄^2-離子摩爾體積濃度。

（2）電極反應(yīng)及電遷移對濃差極化的影響

    在充電時，由于[H⁺]c＞[H⁺]r，[SO₄^2-]c＞[SO₄^2-]r，所以正極濃差超電勢η_C（+）是正值，而負(fù)極濃差超電勢η_C（－）是負(fù)值。在放電時，由于[H⁺]c＜[H⁺]r，[SO₄^2-]c＜[SO₄^2-]r，所以正極濃差超電勢η_C（+）是負(fù)值，而負(fù)極濃差超電勢η_C（－）是正值。由于正極電勢受[H⁺]c⁴、[SO₄^2-]兩項因此限制，而負(fù)極僅受[SO₄^2-]一項因此限制，所以正極極化超電勢比負(fù)極極化超電勢大。

電遷移對濃差極化也有很大的影響，以電池充電為例，自正極遷移到負(fù)極表面的H⁺離子數(shù)目，遠(yuǎn)多于從負(fù)極表面遷移到正極周圍的SO₄^2-離子數(shù)目，伴隨差充電過程正極還要耗水析氧，所以正極濃差極化的作用，大于負(fù)極濃差極化的作用。

因此，在充電及放電過程中，由以上兩項產(chǎn)生的濃差極化電勢η_C（+）＞η_C（－）。

（3）擴(kuò)散對濃差極化的影響

電極反應(yīng)及電遷移作用產(chǎn)生了濃差極化，而擴(kuò)散是要消除濃度的差別，即減緩電極表面附近的濃度極化。若擴(kuò)散作用大，這種減緩作用就大，濃差極化便不嚴(yán)重，電極濃度超電勢就小。擴(kuò)散速度受大體溶液濃度與電極表面附近濃度差、擴(kuò)散面積、擴(kuò)散距離所控制。濃度差越大、擴(kuò)散面積越大、擴(kuò)散距離越小，越容易擴(kuò)散。

電池放電開始，由于濃差極化的結(jié)果，電極電勢很快離開平衡電勢。此過程擴(kuò)散速度僅由電極外面和附近電解液濃度差決定。放電初期，時間很短，電極外面電解液濃度變化很小，因而擴(kuò)散速度隨電極表面附近電解液濃度迅速下降而增加，但總小于電極反應(yīng)與電遷移的綜合速度，所以濃差極化作用大，兩極電極電位迅速離開平衡電極電位，說明電極電位移動迅速。

在放電中期，隨著放電的進(jìn)行，電極表面附近的濃度降低越來越慢，到某一程度時，擴(kuò)散速度等于電極反應(yīng)及電遷移的綜合速度，則放電消耗了多少H2SO4分子，從電極外面就有多少H2SO4分子擴(kuò)散進(jìn)來，因而電極附近電解液濃度維持不變，電極電位也維持在穩(wěn)定階段。在此階段，電極電位仍存在變化的趨勢，其原因是放電時間增長，大體電解液濃度減小了，使擴(kuò)散速度減小。同時PbSO4和Pb的數(shù)量都變小了，所以擴(kuò)散面積也變小了，都使擴(kuò)散速度減小。還有隨著放電的進(jìn)行，擴(kuò)散距離要增加，致使擴(kuò)散速度又有減小的傾向。為了維持?jǐn)U散速度不變，電極表面附近電解液濃度要減小，使電極電勢有減小的趨勢。

到了放電后期，電極表面附近電解液濃度降到了zui小值，大體電解液濃度也降到了zui低值。此時擴(kuò)散面積已很小，而且擴(kuò)散距離相應(yīng)增加，此時擴(kuò)散速度便很小了，使電極電勢又急劇變化。

    降低濃差極化的方法，主要是提高擴(kuò)散速度，以消除電極反應(yīng)所引起的大體溶液濃度與電極表面附近電解液濃度的差別。如增加電極的真實表面積，減小極板的厚度，以縮短擴(kuò)散距離等方法，以改善擴(kuò)散性能。

3．2．2電化學(xué)極化

鉛酸蓄電池在充電或放電過程中，由于電極過程某一步的遲緩，阻礙了電極過程的進(jìn)行，使之引起電極電勢的變化，稱為電化學(xué)極化。

電化學(xué)極化電勢和電流密度的關(guān)系：

|η|=a+b×lg（i）

    式中，i為真實電流密度，即電流密度與電極真實表面積的比值。

    鉛酸蓄電池在放電初期和中期真實表面積很大，故真實電流密度不大。當(dāng)放電終期時，電極真實表面積已很小，所以真實電流密度很大，由于電化學(xué)極化引起的超電勢遠(yuǎn)大于前期。

3．2．3內(nèi)阻極化

    電池內(nèi)阻分為兩種，即歐姆內(nèi)阻和非歐姆內(nèi)阻，前者用RΩ表示，它由極板、極柱、電解液、隔膜等的電阻組成。它們服從歐姆定律。后者用Rc表示，它由電荷傳遞電阻、擴(kuò)散極化電阻組成，這種電阻是由電極動力學(xué)過程和物質(zhì)轉(zhuǎn)移引起，它們不服從歐姆定律。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，又有非歐姆電阻（極化電阻）。

    當(dāng)電流流過電池時，要消耗一部分電壓來克服電池的內(nèi)阻，所產(chǎn)生的電位差為內(nèi)阻極化。其大小由電流強(qiáng)度與電池內(nèi)阻決定。

3．3 鉛酸蓄電池氣體的產(chǎn)生

    鉛酸蓄電池在充電及擱置期間，會有氫氧氣體的產(chǎn)生。

3．3．1 負(fù)極氫氣的產(chǎn)生

    鉛酸蓄電池在充電期間，負(fù)極除了充電反應(yīng)：

PbSO₄+2e→Pb+HSO₄^-

還有如下副反應(yīng)：

2H+2e→H2

在充電前期，負(fù)極極化電位很小，析氫速率很小，但在充電后期，負(fù)極的電極電位向負(fù)方向增加，提高了析氫速率。

3．3．2 正極氧氣的產(chǎn)生

    鉛酸蓄電池在充電期間，一些電流用于電極反應(yīng)：

PbSO₄+2H₂O-2e→PbO₂+3H⁺+HSO₄^-

另一些電流用于氧氣的產(chǎn)生。正極在充電的初期，正極電極電位低，氧氣產(chǎn)生較慢。而充電后期，正極電極電位升高，氧氣產(chǎn)生較快。

3．3．3  氫氧氣產(chǎn)生與電池端電壓的關(guān)系

    普通鉛酸蓄電池采用10小時率電流持續(xù)充電，當(dāng)電池端電壓達(dá)到2.3～2.35V/只之后,便在電池槽可見氫氧氣體的竄動所形成的電解液“沸騰”現(xiàn)象,電壓再升高時,冒氣更為激烈,通常定義2.3V/只為發(fā)氣點。若充電到后期，端電壓可提升到2.65V/只，流入電池的電流幾乎全部用于水解。

3．4 VRLA蓄電池陰極吸收機(jī)理

    VRLA蓄電池在接近*充電時，電池內(nèi)部有少量水被電解，少量的氧氣從正極上析出：

2H2O-4e→4H⁺+O2

氧氣自正極透過吸液隔膜擴(kuò)散至負(fù)極絨狀態(tài)鉛的表面，而與之化合，zui終復(fù)合為水。氧氣復(fù)合歷經(jīng)如下步驟：

1. 氧氣擴(kuò)散：從正極析出的氧，無阻擋地通過隔膜擴(kuò)散到負(fù)極活性物質(zhì)表面。
2. 氧氣分子轉(zhuǎn)移到負(fù)極周圍表面。
3. 氧氣分子放電而被陰極吸附。

Pb+O2+2H⁺+HSO4^-→PbSO4+2H2O

影響氧氣陰極吸收的因素：

（1）氧氣擴(kuò)散速率

由于VRLA蓄電池為貧液式結(jié)構(gòu)，即一定濃度的電解液全部被隔膜小孔所吸附，電池內(nèi)無游離的電解液，由于正極板上產(chǎn)生的氧氣可形成較高的氣壓，使之以足夠的速度擴(kuò)散到陰極，保證氧在鉛電極表面復(fù)合。實驗證實，氧的輸送速率與鉛電極有效表面積成正比，與隔膜厚度成反比，因此，增加鉛電極有效表面積，減小隔膜厚度，有利于提高氧擴(kuò)散速率。

（2）正極析氧速率

    在充電初期，正極析氧速率極小。隨著充電的進(jìn)行，當(dāng)正極充電到PbSO4數(shù)量占70%開始析氧。采用恒流限壓充電，以控制正極析氧的速率和負(fù)極氧還原的速率。

（3）鉛電極上氫所析出的速率

    當(dāng)鉛電極電位較低時，會有氫氣的析出，并使氧氣的分壓降低，在一定程度上抑制了陰極吸收動力過程。鉛電極析氫，還意味著水的分解，使電解液隨時間的延長而損耗，加速了失水過程，zui終引起電池失效。為了減小VRLA電池氫氣析出速率，應(yīng)控制充電電壓。

3．5  蓄電池溫度升高及對蓄電池的影響

3．5．1  充放電過程放熱或吸熱現(xiàn)象

    電池放電或充電過程中產(chǎn)生的放熱或吸熱的原因，其一是電池內(nèi)產(chǎn)生的焦?fàn)枱?；其二是電化學(xué)反應(yīng)的可逆放熱或吸熱。

    焦?fàn)枱嵋螂姵貎?nèi)存在內(nèi)阻，當(dāng)通電后而產(chǎn)生：Q1=I²Rt，顯然降低電池內(nèi)阻，有利于減小電池內(nèi)焦?fàn)枱帷?/p>

電化學(xué)反應(yīng)的可逆放熱或吸熱：Q2=-T×dE/dT

    式中dE/dT是電池的電動勢溫度系數(shù)，放電時為正值表示吸熱，充電時為負(fù)值表示放熱。

鉛酸蓄電池充電時放出的熱量為焦?fàn)枱酫1和反應(yīng)熱Q2的總和，所以電池溫度升高。

鉛酸蓄電池放電時，若Q1 ＞Q2，則電池溫度上升；若Q1 ＜Q2，則電池溫度降低。

3．5．2  過充放電時放出的熱量

    VRLA電池以一定的充電方法補(bǔ)足電池容量后，持續(xù)充電稱為過充電。在過充電過程中，蓄電池起到了水解槽的作用，從而產(chǎn)生了熱量。

3．5．3  溫度對鉛酸蓄電池極化作用的影響

    實驗表明，鉛酸蓄電池工作溫度降低到0℃以下，在充電初期負(fù)極板就會產(chǎn)生嚴(yán)重的濃差極化，使充電能力被限制。

3．5．4  溫度對鉛酸蓄電池容量的影響

（1）溫度對電極電勢的影響

溫度對電極電勢也有明顯的影響，在一定濃度下，PbO₂電極電勢隨溫度升高而降低，而Pb電極電勢隨溫度的升高向負(fù)的方向增加。

（2）溫度對負(fù)極活性物質(zhì)利用率的影響

    通常，電池在低溫度狀態(tài)下放電，負(fù)極活性物質(zhì)利用率極低，例如VRLA蓄電池在-10℃下放電時，負(fù)極容量僅能達(dá)到35%的額定容量。

    在低溫下放電，負(fù)極板上的海綿狀鉛極易變成小尺寸的晶粒，且小孔又易被凍結(jié)和堵塞，從而減小了活性物質(zhì)的利用率。若電池處于大電流、高濃度、低溫惡劣條件下放電，負(fù)極活性物質(zhì)中小孔會更嚴(yán)重地被堵塞，海綿狀態(tài)鉛變成致密PbSO4層，使電池終止放電。

    電池在放電過程，兩電極上活性物質(zhì)逐漸形成PbSO4，這種PbSO4隨著放電時間增加逐步向電極深處發(fā)展，造成活性物質(zhì)中的微孔變窄，同時電極區(qū)至反應(yīng)區(qū)距離增大，又使擴(kuò)散速度變小。這樣部分小孔被堵塞，被堵塞的小孔內(nèi)部電解液很快變稀，在低溫下這種小孔容易發(fā)生凍結(jié)。溫度越低，小孔堵塞現(xiàn)象加劇，導(dǎo)致活性物質(zhì)利用率降低。

（3）溫度對正極活性物質(zhì)利用率的影響

    VRLA蓄電池在-10℃下放電，正極板活性物質(zhì)利用率約為75%。正極板溫度系數(shù)為負(fù)值，使在低溫下具有較高的電極電位，因而在低溫下正極放電速率大于負(fù)極。

（4）高溫對電池容量的影響

    在環(huán)境溫度10～45℃范圍內(nèi)，鉛酸蓄電池容量隨溫度升高而增加。因為在較高溫度下，電解液粘度降低，從而減小了濃差極化的影響。同時電池電動勢也升高，在兩者綜合作用下，使電池放電量增加。

若在環(huán)境溫度45～50℃條件下放電，則電池容量明顯減小。因為正極活性物質(zhì)β-PbO2達(dá)到極限破壞溫度，結(jié)構(gòu)遭到破壞，變?yōu)榇罂椎目锥聪喾指畹牧Ｗ泳酆象w。這種物質(zhì)若放電轉(zhuǎn)變?yōu)镻bSO4，其顆粒間形成了電氣絕緣，容量反而減小。

3．5．5  溫度對鉛酸蓄電池內(nèi)阻的影響

    在0～30℃環(huán)境溫度下放電，電池內(nèi)阻隨溫度升高而逐漸降低。見圖1。

圖1：溫度對蓄電池內(nèi)阻的影響

當(dāng)環(huán)境溫度降到0℃以下，溫度每降低10℃，內(nèi)阻約增加15%左右，因為電解液粘度變大，增大了比電阻，而且加重了電極極化的影響。

3．5．6  溫度對鉛酸蓄電池充電效率的影響

    在低溫下充電，濃差極化加劇，引起充電效率降低。另一方面，上次放電的PbSO4，在低溫下溶解速率小，溶解度也很小。在這種PbSO4微細(xì)小孔中，很難使電解液維持飽和度，又使電池放電反應(yīng)阻力增加，進(jìn)一步降低了充電效率。

    若電池在10℃以上的環(huán)境溫度下充電，極化作用將明顯減小，PbSO4溶解速率和溶解度都可提高，加之在較高的溫度下氧擴(kuò)散的速率也增大，這些因素使電池充電效率提高。

3．6  VRLA蓄電池的浮充工作特性

    在直流系統(tǒng)中，蓄電池采用浮充工作方式，市電正常時，蓄電池與充電機(jī)并聯(lián)運行，蓄電池自放電引起的容量損失在浮充過程中得到補(bǔ)足。在市電中斷或其他特殊場合，由蓄電池單獨向負(fù)荷供電。

（1）浮充電流設(shè)定的依據(jù)

• 浮充電流足以補(bǔ)償蓄電池自放電損失的電量；
• 對于VRLA蓄電池，應(yīng)確保維持氧循環(huán)所需的電流；
• 當(dāng)蓄電池單獨放電，能依靠浮充，很快地補(bǔ)足容量，以備下一次放電。

電池中若浮充電流僅滿足自放電的需要，浮充電流約為42mA/100Ah，實際工作中還應(yīng)考慮氧循環(huán)的需要。

（2）浮充電流與浮充電壓的關(guān)系

VRLA蓄電池內(nèi)析出氣體的電流與電壓關(guān)系服從TAFEL公式，浮充電流隨電壓增大而增大。實際上，浮充電流密度隨正極電位的升高而急劇變大。由于VRLA蓄電池正極析出的氧氣擴(kuò)散到負(fù)極后進(jìn)行氧復(fù)合起到了去極化作用，因而負(fù)極析氫電位停留在近于開路的平衡條件電位，負(fù)極析氫的電流密度在浮充狀態(tài)極小，且不受負(fù)極電位與溫度變化的影響。

（3）浮充電流與溫度的關(guān)系

    在同一浮充電壓下，浮充電流隨溫度升高而增大。VRLA蓄電池的浮充電流對溫度變化極為敏感，溫度每變化10℃，浮充電流成倍變化。VRLA蓄電池溫度系數(shù)為3～4mV/℃，即若維持浮充電流不變，溫度每增加1℃，浮充電壓應(yīng)減小3～4mV。

（4）浮充電流與蓄電池新舊程度的關(guān)系

    VRLA電池浮充電流隨電池使用年限的增長而加大，其原因是多方面的，如正極板柵腐蝕嚴(yán)重，電池各組成部分有害雜質(zhì)增多，都導(dǎo)致電池循環(huán)壽命后期浮充電流變大。

3．7  VRLA蓄電池的充電特性

圖2：VRLA蓄電池的充電特性曲線

圖2是VRLA蓄電池的充電特性曲線。圖中示出充電過程的電流—時間曲線、電壓—時間曲線。在充電過程中，電池電流在充電前期（*階段）恒定不變，保持電流為0.1C10,而電池端電壓逐漸上升至2.3V/只, 之后充電電壓恒定不變,進(jìn)入第二階段。在第二階段，充電電流按指數(shù)規(guī)律衰減，zui后，電流衰減速率變慢，充電結(jié)束前幾個小時起，充電電流不再改變。

（1）在電池充入電量至70～80%之前：利用充電機(jī)的限流特性使充電電流不變，電池端電壓幾乎呈直線上升，用下式表明：

U=（φ₊-φ_-）+IY

上式中φ₊和φ_-是電池充電電流的正極或負(fù)極極化電勢，其中包含平衡電極電勢E₊或E_-， 還包含了電化學(xué)極化及濃差極化產(chǎn)生的過電位η₊或η_-。恒流充電過程E₊或E_-，隨電極表面活性物質(zhì)小孔內(nèi)電解液濃度增加而提升或變得更負(fù)。η₊或η_-隨電流密度增大所產(chǎn)生的電化學(xué)極化與歐姆極化的加劇，其值向正或負(fù)方向增加。又受濃差極化的作用有維持η₊被提升和η_-繼續(xù)變負(fù)的趨勢。直到充電機(jī)從穩(wěn)流工作方式轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)壓工作方式，電池端電壓才被限制到設(shè)定點。

（2）當(dāng)電池的端電壓上升到穩(wěn)壓點附近時，由于充電過程已到后期，此時正極板上PbSO4數(shù)量已不多，使交換電流密度隨反應(yīng)面積的變小而增大，所以電化學(xué)極化作用已經(jīng)變小，而電池內(nèi)阻也明顯變小。但是充電的真實表面積已經(jīng)變小了，故引起了電極真實電流密度的增大。繼而使電極表面附近電解液濃度增高，導(dǎo)致濃差極化影響嚴(yán)重，造成電池內(nèi)電流迅速衰減。

（3）當(dāng)充電至后期，電池充電電流已經(jīng)明顯變小，所以濃差極化作用隨之減小。而電化學(xué)極化作用影響又增加，所以電池電流繼續(xù)衰減，只是衰減速度變慢。

（4）充電終了，充入電池的電流大部分用于維持電池內(nèi)氧循環(huán)，僅有極小的電流用于維持活性物質(zhì)的恢復(fù)，因而電池電流穩(wěn)定不變。

在恒壓限流充電方法中，若提高電壓設(shè)定值，則充電過程電流變化速率變大，充電提前終了。

以不同的充電電壓對VRLA電池充電時，電壓低時（如2.2V/只），氣壓增長較緩慢，充電后期的氣壓也較平穩(wěn)。若采用高電壓充電（如2.4V/只）者氣壓明顯升高。由于氣壓主要來自氫氣，數(shù)量增多后導(dǎo)致氧循環(huán)失效，所以忌用高電壓長期充電。

3．8  蓄電池內(nèi)阻變化特性

蓄電池內(nèi)阻分為歐姆電阻和極化電阻，前者由極板、極柱、溶液、隔膜組成，后者由電化學(xué)極化電阻和濃差極化電阻組成。蓄電池在*充足電時內(nèi)阻zui小，內(nèi)阻隨著放出電量的增多而變大。因而可通過檢測電池內(nèi)阻了解電池的荷電量及電池的老化狀況。

3．8．1  蓄電池的等效電路

電池是一個極為復(fù)雜的系統(tǒng)，放電及充電反應(yīng)是復(fù)雜的化學(xué)及電化學(xué)過程，真正決定蓄電池容量的是電池的化學(xué)和電化學(xué)狀態(tài)。不同的研究者提出了不同的電池模型，其中得到實驗驗證并被大家普遍認(rèn)可的是如下電池模型，見圖3。

圖3：電池電路模型

圖6電池電路模型中，各符號的含義：

E：蓄電池電動勢；

R1：蓄電池歐姆電阻，包括極板、極柱、溶液、隔膜的電阻及接觸電阻；

R2：蓄電池極化電阻，包括電化學(xué)極化和濃差極化的電阻；

C2：電極雙電層電容。

蓄電池復(fù)阻抗計算公式：

式中：f為測試信號頻率。

從蓄電池復(fù)阻抗計算公式可以看出，蓄電池的阻抗和測量頻率有關(guān)，不同的蓄電池測試設(shè)備，測試頻率有很大的不同，因而測試結(jié)果會有很大的不同，見圖4。

圖4是項目組在蓄電池放電過程中測試的一組數(shù)據(jù)：

圖4：測試信號分別為5Hz、15Hz條件下阻抗（單位為微歐）與荷電量的關(guān)系

下圖是應(yīng)用基于模型的多頻點蓄電池測試技術(shù)，測量蓄電池歐姆電阻、極化電阻、雙電層電容，分析與量電的關(guān)系如下：

如圖：蓄電池在放電及充電過程中歐姆電阻、極化電阻、雙電層電容的變化

R1：蓄電池歐姆電阻，包括極板、極柱、溶液、隔膜的電阻及接觸電阻；

R2：蓄電池極化電阻，包括電化學(xué)極化和濃差極化的電阻；

C2：電極雙電層電容。

從圖中可以，綜合利用R1、R2、C2，比單獨用R1，測量蓄電池容量，要得多。

3．8．2  影響蓄電池內(nèi)阻的因素

（1）隔膜的內(nèi)阻

VRLA蓄電池的電解液已被具有高孔率、高吸附性、可壓縮的超細(xì)玻璃纖維隔膜全部存貯，又由于隔膜在電池內(nèi)部被緊密裝配，所以VRLA蓄電池內(nèi)阻比普通鉛酸蓄電池內(nèi)阻小。隔膜內(nèi)阻受下列因素影響：

• 飽和度：當(dāng)隔膜飽和度為80%～時，蓄電池內(nèi)阻zui小，且變化平穩(wěn)。當(dāng)飽和度為60%～80%時，內(nèi)阻明顯增大，當(dāng)飽和度為60%以下時，隔膜內(nèi)阻進(jìn)一步增大。隔膜的飽和度與電池放電深度、電解液泄漏的程度、閥門開啟次數(shù)等因素有關(guān)。放電深度大、泄漏現(xiàn)象嚴(yán)重、電池閥門的開啟次數(shù)多等，均可加速電池失水，進(jìn)而降低隔膜的飽和度，而使電池內(nèi)阻增加。
• 隔膜形狀及尺寸
• 隔膜的厚度：裝配時所承受的壓力可改變隔膜的孔隙率與隔膜的厚度，壓力增大時，隔膜厚度減小，隔膜總的表面積增大，則蓄電池內(nèi)阻減小。歷經(jīng)多次充放電循環(huán)的電池，一旦正極板板柵發(fā)生龜裂，或者負(fù)極板柵發(fā)生膨脹，都可能使隔膜受壓不均勻，直接影響隔膜內(nèi)阻的變化。
• 裝配工藝：蓄電池裝配時，極耳的潔凈度、極耳與匯流排的熔接、單格之間的連接都影響電池歐姆電阻。
• 工作電流：在放電過程中，在正極PbO2或負(fù)極Pb與硫酸溶液接觸的表面上形成PbSO4層，由于PbSO4的導(dǎo)電性差，使活性物質(zhì)歐姆電阻增大，又由于PbSO4層使極板上活性物質(zhì)孔率變小，降低了電解液中H⁺離子、SO₄^2-離子向極板內(nèi)部活性物質(zhì)的擴(kuò)散速度，從面增大了濃差極化。同時PbSO4層又減小了活性物質(zhì)與硫酸反應(yīng)的面積，而又使電化學(xué)極化作用增大。由于濃差極化與電化學(xué)極化作用結(jié)果形成了極化電阻。還應(yīng)指出，電解液密度隨放電深度的增加而減小，進(jìn)一步增大了歐姆電阻。

       當(dāng)蓄電池放電電流增大時，兩電極上PbSO4層迅速增厚，使組成電池內(nèi)阻的歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻都變大，所以蓄電池內(nèi)阻隨著工作電流增大而變大。

3．9  蓄電池內(nèi)阻和容量的關(guān)系

    在日常工作中，總希望了解充電保存后蓄電池容量，或在線運行電池的荷電狀態(tài)。可通過測量電池內(nèi)阻達(dá)到這個要求。圖7是實測的蓄電池阻抗與荷電量的關(guān)系。

圖7：測試信號分別為5Hz、15Hz測試阻抗（單位為微歐）與荷電量的關(guān)系

圖7表明，荷電量大的蓄電池，內(nèi)阻較小。

圖8是采用本研制項目系統(tǒng)監(jiān)測到的廣州移動西華機(jī)樓其中一節(jié)蓄電池的數(shù)據(jù)。

圖8：蓄電池內(nèi)阻變化與容量的關(guān)系

從圖8可以看出，蓄電池浮充狀態(tài)下，蓄電池端電壓*正常，而蓄電池內(nèi)阻出現(xiàn)了明顯的變化；其蓄電池容量隨各自的內(nèi)阻變化而發(fā)上了改變，所以，蓄電池內(nèi)阻與蓄電池容量有直接的相關(guān)性，而且相關(guān)性很大。其關(guān)系如下：

測量電池的內(nèi)阻：  ;  標(biāo)準(zhǔn)電池的內(nèi)阻：   內(nèi)阻比值： ＝

測量電池的電壓：  ;  標(biāo)準(zhǔn)電池的電壓：   電壓比值： ＝

蓄電池內(nèi)阻與容量關(guān)系算法：

  當(dāng)電池狀態(tài)顯示為異常時，容量C＝0;

  當(dāng) <1.2  ,          容量C＝100;

  當(dāng) <2.0：           容量C＝100－（ －1.2）/0.8*20.0;

  當(dāng)2.0 <5.0 ：    容量C＝80－（ －2.0）/3.0*50.0;

  當(dāng)5.0 <10.0 ：   容量C＝30－（ －5.0）/10.0*30.0;

  當(dāng)10.0 ：            容量C＝0;

蓄電池狀態(tài)判斷：

當(dāng) <1.15  , 則電池顯示為；

當(dāng)1.15 <1.5,   則電池顯示為良好；

當(dāng)1.5 <2.0 ,  則電池顯示為中等；

當(dāng)2.0 ,   則電池顯示為更換；

當(dāng)  < 0.9 或 > 1.2*  , 則電池顯示為異常；

系統(tǒng)檢測出蓄電池內(nèi)阻異常變化，并發(fā)出報警信息，維護(hù)人員及時進(jìn)行處理，更換該節(jié)電池，消除事故隱患，保證變電站的安全。

3．10、蓄電池常見的失效模式

目前，大中型電源中廣泛使用密封閥控鉛酸蓄電池（VRLA蓄電池）。VRLA 電池和電池組在運行過程中，隨著使用時間的增加必然會有個別或部分電池因內(nèi)阻變大，呈退行性老化現(xiàn)象，整組電池的容量是以狀況zui差的那一塊電池的容量值為準(zhǔn)，而不是以平均值或額定值（ 初始值） 為準(zhǔn)。閥控式鉛酸（VRLA）蓄電池由于采用貧液式設(shè)計，直流電源（模塊）的特性指標(biāo)對其的影響要比對濕式電池的影響大得多，許多蓄電池不是用壞的，而是充壞的。當(dāng)電池的實際容量下降到其額定容量的90%以下時，電池便進(jìn)入衰退期；當(dāng)電池容量下降到額定容量的80%以下時，電池便進(jìn)入急劇衰退期。衰退期很短，這時電池組已存在極大的安全隱患。

對于VRLA電池，通常的失效原因有：電池失水、極板硫酸化、極板腐蝕、熱失控等，以下是幾種失效原因分析。

3．10．1電池失水

鉛酸蓄電池失水會導(dǎo)致電解液比重增高及電池正極柵板的腐蝕，使電池的活性物質(zhì)減少，從而使電池的容量降低而失效。

閥控式鉛酸蓄電池充電后期，正極釋放的氧氣與負(fù)極接觸，發(fā)生反應(yīng)，重新生成水，即

O₂+2Pb=2PbO

PbO+H₂SO₄=H₂O+PbSO₄

使負(fù)極由于氧氣的作用處于欠充電狀態(tài)，因而不產(chǎn)生氫氣。這種正極的氧氣被負(fù)極鉛吸收，再進(jìn)一步化合成水的過程，即所謂陰極吸收。

在上述陰極吸收過程中，由于產(chǎn)生的水在密封情況下不能溢出，因此閥控式密封鉛酸蓄電池可免除補(bǔ)加水維護(hù)，這也是閥控式密封鉛酸蓄電池稱為免維護(hù)電池的由來。但在充電過程中，當(dāng)充電電壓超過2．35V時就有可能使氣體逸出。因為此時電池體內(nèi)短時間產(chǎn)生了大量氣體來不及被陰極吸收，壓力超過某個值時，便開始通過單向排氣閥排氣，排出的氣體雖然經(jīng)過濾酸墊濾掉了酸霧，但必竟使電池?fù)p失了氣體，也等于損失了水。所以閥控式密封鉛酸蓄電池對充電機(jī)的要求是非常嚴(yán)格的，充電機(jī)的穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度、紋波電壓系數(shù)等特性指標(biāo)要嚴(yán)格滿足要求。

3．10．2 極板硫酸化

電池負(fù)極柵板的主要活性物質(zhì)是海綿狀鉛，電池充電時正負(fù)極柵板發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：

負(fù)極上發(fā)生還原反應(yīng)：PbSO₄+2e=Pb+SO₄^-

正極上發(fā)生氧化反應(yīng)：PbSO₄+2H₂O=PbO₂+4H⁺+SO₄^-+2e

放電過程發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是這一反應(yīng)的逆反應(yīng)，當(dāng)閥控式密封鉛酸蓄電池的荷電不足時，在電池的正負(fù)極柵板上就有PbSO₄存在，PbSO₄長期存在會因晶粒長大而失去活性，不能再參與化學(xué)反應(yīng)，這一現(xiàn)象稱為活性物質(zhì)的硫酸化，為防止硫酸化的形成，電池必須經(jīng)常保持在充足電的狀態(tài)，并有蓄電池不能過度放電。

3．10．3 極板腐蝕

由于電池失水，造成電解液比重增高，過強(qiáng)的電解液酸性加劇極板腐蝕，防止極板腐蝕必須注意防止電池失水現(xiàn)象發(fā)生。

3．10．4 熱失控

熱失控是指蓄電池在恒壓充電時，充電電流和電池溫度發(fā)生一種累積性的增強(qiáng)作用，并逐步損壞蓄電池。造成熱失控的根本原因是浮充電壓過高。

一般情況下，浮充電壓定為2.23～2.28V/單體（25℃）比較合適。如果不按此浮充范圍工作，而是采用2.35V／單體（25℃），則連續(xù)充電4個月就可能出現(xiàn)熱失控；或者采用2.30V/單體（25℃），連續(xù)充電6～8個月就可能出現(xiàn)熱失控；如果是采用2．28V／單體（25℃），則連續(xù) 12～18個月就會出現(xiàn)嚴(yán)重的容量下降，進(jìn)而導(dǎo)致熱失控。熱失控的直接后果是蓄電池的外殼鼓包、漏氣，電池容量下降，zui后失效。

4．本項目在線監(jiān)測不同技術(shù)的比較

4．1 蓄電池模型

電池是一個極為復(fù)雜的系統(tǒng)，放電及充電反應(yīng)是復(fù)雜的化學(xué)及電化學(xué)過程，真正決定蓄電池容量的是電池的化學(xué)和電化學(xué)狀態(tài)。電池的等效電路如圖9所示。

圖9：電池電路模型

圖6電池電路模型中，各符號的含義：

E：蓄電池電動勢；

R1：蓄電池歐姆電阻，包括極板、極柱、溶液、隔膜的電阻及接觸電阻；

R2：蓄電池極化電阻，包括電化學(xué)極化和濃差極化的電阻；

C2：電極雙電層電容。

蓄電池復(fù)阻抗計算公式：

式中：f為測試信號頻率。

目前，市場上對蓄電池檢測的方法主要有測量浮充電壓法、直流放電法和交流注入法。測量浮充電壓法是市場上早期的產(chǎn)品，對判斷蓄電池的容量沒有太大的作用。而對蓄電池內(nèi)阻的測試方法主要是直流放電法與交流注入法。

4．2 測量浮充電壓法

浮充電壓的設(shè)置對電池的壽命具有相當(dāng)重要的影響。在理論上要求浮充電壓產(chǎn)生的電流量足以補(bǔ)償電池的自放電。浮充電壓過高會引起電池正極腐蝕和失水，使電池容量下降，而浮充電壓過低，也會使電池充電不足，引起電池落后，嚴(yán)重時會出現(xiàn)電極硫酸鹽化。浮充電壓的選擇可以根據(jù)廠家說明書的要求而設(shè)定。

雖然測量浮充電壓并及時做出調(diào)整是蓄電池日常維護(hù)的一項重要工作，但是，國內(nèi)外大量的實踐證明，浮充電壓和蓄電池的容量不具有相關(guān)性。也就是說，光靠測量浮充電壓并不能發(fā)現(xiàn)落后的單體電池。上圖8的曲線也得出這一結(jié)論；

4．3 直流放電法

根據(jù)電池的等效電路模型，用一個恒定電流對電池通電，則電池兩端電壓隨時間t的變化而變化：

ΔV=IR2[1-exp（-1/R2C2）]+ IR1

式中：前項為極化電阻上電壓的變化，該項在充電初始因?qū)﹄p電層充電，所以較遲產(chǎn)生壓降。后項為歐姆電阻上的壓降，充電初始已經(jīng)產(chǎn)生。當(dāng)時間t小于時間常數(shù)τ時（τ=R2C2），極化電阻上的電壓變化相對較小，如果精度要求不高時可以忽略，所記錄下的電池端電壓的變化可以認(rèn)為時歐姆內(nèi)阻上的壓降，電池內(nèi)阻計算公式可簡化為：

R=ΔV/I

直流放電法是在電池組兩端接入放電負(fù)載，在不同電流（I₁、I₂）變化瞬間測量蓄電池端電壓變化（U₁一U₂）來計算內(nèi)阻值，見圖11所示。常采用如下公式計算：

R=（U₁-U₂）/（I₂-I₁）

圖11：蓄電池直流放電法電壓電流曲線

圖12：實測到的蓄電池直流放電法電壓電流曲線

由于內(nèi)阻值很小，在一定電流下的電壓變化幅值相對較小，并且由于放大器零漂的影響，準(zhǔn)確測量微弱的直流信號極為困難，給準(zhǔn)確測量帶來困難。由于放電過程電壓的變化，需要選擇穩(wěn)定區(qū)域計算電壓變化幅值。實際測量中，直流方法所得數(shù)據(jù)的重復(fù)性較差，準(zhǔn)確度很難達(dá)到10％以上。為了提高測量準(zhǔn)確性，往往采用很大的放電電流（40～150A），過大的放電電流對蓄電池產(chǎn)生損害，由于應(yīng)力作用造成極板變形、龜裂及活性物質(zhì)脫落，嚴(yán)重降低電池奉命。還可能對直流系統(tǒng)和繼電保護(hù)設(shè)備產(chǎn)生干擾，造成安全隱患。

直流放電法的特點：

1. 在蓄電池工作主回路中需串入接觸器，內(nèi)阻測量時需要斷開蓄電池工作主回路，直接影響直流系統(tǒng)的安全。

直流放電法測試蓄電池內(nèi)阻時，由于大電流放電引起電池電壓變化，充電機(jī)輸出電壓電流會因此而變化。監(jiān)測設(shè)備由于無法采用濾波技術(shù)及現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)對測量信號進(jìn)行處理，無法消除直流充電模塊的充電電流紋波對測量的影響，因而需要在蓄電池工作主回路上串入接觸器，由蓄電池監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行控制，在蓄電池內(nèi)阻測量時斷開主回路，測量后再復(fù)原，見圖2。由于在蓄電池工作主回路中加了控制器件（如二極管、接觸器），在二極管、接觸器故障時或監(jiān)測設(shè)備故障時，如果出現(xiàn)停電，蓄電池組可能因斷路而造成直流系統(tǒng)崩潰，從而產(chǎn)生重大安全事故。

圖13：直流放電法蓄電池內(nèi)阻測量時蓄電池工作主回路控制

1. 大電流放電，對蓄電池產(chǎn)生損害，降低蓄電池壽命。

由于運算放大器零漂的影響，對微伏級直流信號的準(zhǔn)確測量極為困難，因而需要很大的測量電流，以獲得較大的電壓信號幅值。大電流反復(fù)沖擊，造成蓄電池柵板變形，活性物質(zhì)脫落，對蓄電池產(chǎn)生損害，降低蓄電池壽命。

（3）對繼電保護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，產(chǎn)生安全事故。

大電流瞬間沖擊，將產(chǎn)生很大的電磁干擾，造成繼電保護(hù)系統(tǒng)誤動作，產(chǎn)生安全事故。

（4）測量精度低，影響蓄電池監(jiān)測效果。

    目前對蓄電池監(jiān)測分析和容量預(yù)估，主要是基于內(nèi)阻測量和分析。在大電流放電瞬間，由于?。┬铍姵赜捎陔p電層電容及濃差極化、電化學(xué)極化等因素的影響，蓄電池電壓是不穩(wěn)定的，處于不斷變化之中，因而大電流放電瞬間Δt內(nèi)，測量的V1和V2也是變化的，造成測量誤差；ⅱ）由于運算放大器零漂的影響，對微伏級直流信號的準(zhǔn)確測量極為困難；ⅲ）無法采用濾波技術(shù)及現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)對測量信號進(jìn)行處理，因而內(nèi)阻測量精度較低，重復(fù)性差，影響蓄電池監(jiān)測效果。

4．4 交流注入法

交流注入法的原理是，利用電池等效于一個有源電阻的特點,給電池施加一個固定頻率的電流（目前一般使用1kHz頻率，50mA），對其電壓進(jìn)行采樣濾波等一系列處理從而測量其阻值。

圖14：蓄電池內(nèi)阻交流注入測量原理圖

當(dāng)使用受控電流時，△I=ImaxSinωt，產(chǎn)生的電壓響應(yīng)為

 即阻抗是與頻率有關(guān)的復(fù)阻抗，其相角為φ，而其模|Z|=Vmax/Imax。

從理論上講，向電池饋入一個交流電流信號，測量由此信號產(chǎn)生的電壓變化即可測得電池的內(nèi)阻。即

        R=V_av/_av               （6）

式中：V_av為檢測到交流信號的平均值；

I_av為饋入的交流信號的平均值。

交流注入法的優(yōu)缺點：

• 交流注入法不受極化電阻影響，可以測量幾乎所有的電池，包括小容量電池。
• 交流注入法應(yīng)用于蓄電池在線監(jiān)測時，由于注入電流較小，易受充電機(jī)有交流紋波閃變的干擾，誤差較大。

4．5 交流放電法

交流放電法綜合了直流放電法和交流注入法的優(yōu)點。其原理是CPU通過D/A控制智能負(fù)載，使蓄電池向智能負(fù)載放電，產(chǎn)生一個3Hz～35Hz低頻的3～（有效值）正弦波交流激勵電流信號（特征激勵信號），由于蓄電池阻抗的存在，每節(jié)蓄電池上也產(chǎn)生相應(yīng)的特征電壓信號，由于蓄電池內(nèi)阻極小，一般為微歐級，相應(yīng)地，特征激勵電流信號產(chǎn)生的特征電壓信號非常小，也為微伏級。因此需要采用高精度、低零漂的多級放大器進(jìn)行放大。

蓄電池內(nèi)阻交流放電法測量原理圖、信號波形圖見圖15、圖16。

圖16：交流放電法特征激勵電流及特征電壓波形圖

低頻交流激勵電流信號和蓄電池上感應(yīng)電壓信號經(jīng)放大、濾波后，送入同步高速A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。由于蓄電池組在線工作時還存在較大的工作電流，而工作電流存在各種頻率的諧波成分，相應(yīng)在蓄電池上也感含有應(yīng)出各種頻率的諧波成分的電壓信號。這些干擾信號的幅值較大，往往大于測量信號，測量電路需要采用多級帶通濾波器對測量信號進(jìn)行處理。由于理想的帶通濾波器是不存在的，因此，實際采樣的電流和電壓的數(shù)字信號除有效成分外，還夾雜著大量的各種頻率的非有效成分，需要用數(shù)字信號分析處理方法對實際采樣的電流和電壓的數(shù)字信號進(jìn)行分析處理，提取出有用信號。

設(shè)電流信號和電壓信號經(jīng)高速同步采樣后得到u（t）、i（t）。DSP分別對電流信號和電壓信號在復(fù)平面內(nèi)進(jìn)行付利葉變換：

式中an電流（電壓）信號n次諧波的實部；

     bn電流（電壓）信號n次諧波的虛部；

通過付利葉變換，分別計算出某個頻率下的電壓信號i1和該頻率下的電流信號u1，注意，經(jīng)付利葉變換得到的信號都為復(fù)平面上的復(fù)信號。根據(jù)歐姆定律，z=u/i，計算出該頻率下的復(fù)阻抗z1，其實部和虛部分別是X1、Y1。

由于UPS、常規(guī)整流設(shè)備、高頻開關(guān)電源輸出信號除直流以外，主要是50Hz以上工頻和高頻信號，因此課題組將測試頻率選擇在3～35Hz范圍內(nèi)。

經(jīng)過帶通濾波器濾波及數(shù)字信號處理，UPS、常規(guī)整流設(shè)備、高頻開關(guān)電源的紋波干擾信號*可以被濾除，因而采用多頻點交流放電法測試技術(shù)抗*力非常高，經(jīng)實驗，幾安培至幾十安培的紋波干擾信號對內(nèi)阻測試結(jié)果都不會產(chǎn)生影響。在本項目中，對在線工作的蓄電池組，在浮充、均充、放電條件下均可進(jìn)行內(nèi)阻測試。

類似地，通過CPU控制蓄電池在線監(jiān)測設(shè)備，改變測試信號的頻率，在其他頻率下進(jìn)行測試，可以得到不同頻率下的復(fù)阻抗X₂、Y₂；X₃、Y₃；…；X_n、Y_n。根據(jù)蓄電池的等效電路模型：

圖17：電池電路模型

蓄電池復(fù)阻抗計算公式：

式中：f為測試信號頻率。

通過解聯(lián)立方程組，可以分別計算出蓄電池的歐姆電阻R1、極化電阻R2、雙電層電容C2。

交流放電法的特點：

1. 安全可靠。

蓄電池工作主回路不接入任何設(shè)備，并且測量回路設(shè)計有10kΩ限流電阻和保險管，并且測量回路為高阻設(shè)計，電流為μ*。因此蓄電池工作回路和測量回路安全獨立，互不影響，可以在蓄電池工作時更換蓄電池監(jiān)測設(shè)備。

1. 放電電流小，對蓄電池?zé)o損害。

交流放電法測量蓄電池阻放電電流為3～（有效值），不對蓄電池產(chǎn)生沖擊，不會造成柵板變形及活性物質(zhì)脫落，對蓄電池壽命無影響。

1. 不會對變電站繼電保護(hù)設(shè)備產(chǎn)生干擾。

放電電流小，且放電電流為純正弦波，產(chǎn)生電磁干擾小，不會對繼電保護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，。

1. 抗干擾性強(qiáng)，適應(yīng)于對工作中的蓄電池進(jìn)行實時在線監(jiān)測。

交流放電法可以采用強(qiáng)編程帶通波器進(jìn)行濾波，并運用當(dāng)代的數(shù)字信號處理技術(shù)（如FFT信號分析技術(shù)、小波信號變換技術(shù)、數(shù)字鎖相技術(shù)）對信號進(jìn)行處理，有效地消除了直流充電模塊紋波對測量的影響，具有很好的抗干擾性能，適應(yīng)于對工作中的蓄電池進(jìn)行實時在線監(jiān)測。

1. 蓄電池內(nèi)阻測試精度高，為蓄電池分析和預(yù)測打下了良好的基礎(chǔ)。

交流放電法可以采用高精度儀表運算放大器對極其微弱的低頻交流信號進(jìn)行放大，采用強(qiáng)編程帶通波器進(jìn)行濾波，運用當(dāng)代的數(shù)字信號處理技術(shù)（如FFT信號分析技術(shù)、小波信號變換技術(shù)、數(shù)字鎖相技術(shù)）對信號進(jìn)行處理，確保蓄電池內(nèi)阻測試精度。高精度的內(nèi)阻測量，為蓄電池分析和預(yù)測打下了良好的基礎(chǔ)。

5 充電機(jī)特性參數(shù)測試及充電程序測試

    在通信機(jī)房（站）直流系統(tǒng)中，對蓄電池影響zui大的是充電機(jī)，充電機(jī)的特性如穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度、紋波系數(shù)等技術(shù)指標(biāo)對蓄電池的壽命影響極大。對電站VRLA電池來講，由于采用貧液式設(shè)計，電池失效的主要形式為失水、硫化、極板腐蝕，其中失水是限制蓄電池壽命的關(guān)鍵，實際上，對于電站VRLA電池，對充電機(jī)的特性更加敏感，許多電池是充壞的，而不是用壞的。充電機(jī)在使用過程中，由于電氣元件參數(shù)的漂移，或由于充電機(jī)工作參數(shù)人為設(shè)置錯誤，都可能對蓄電池產(chǎn)生不利的影響。因此，只對蓄電池進(jìn)行監(jiān)測，而不對充電機(jī)特性及充電程序進(jìn)行監(jiān)測，是不全面的。

正因為如此，在電力系統(tǒng)中，南方電網(wǎng)和*都加大了對充電機(jī)特性的管理力度，廣東電網(wǎng)09年以后相繼出臺了一系列直流系統(tǒng)定檢、年檢、驗收的技術(shù)規(guī)范，要求各單位嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。但是由于各*直流維護(hù)管理人員少，工作量大，實際執(zhí)行起來有相當(dāng)大的難度。

項目組對此展開了技術(shù)攻關(guān)，已經(jīng)實現(xiàn)了對充電機(jī)特性及充電程序的監(jiān)測功能，只要通信機(jī)房（站）蓄電池核容放電或停電放電，本項目監(jiān)測系統(tǒng)就可以監(jiān)測到完整的放電充電過程，并可以計算出充電機(jī)的穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度、紋波系數(shù)，并判斷充電程序是否異常。

圖18：充電機(jī)充電程序監(jiān)測及穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度、紋波系數(shù)監(jiān)測

5.1充電裝置穩(wěn)壓精度

    充電裝置穩(wěn)壓精度對直流電源系統(tǒng)，特別是對蓄電池安全性、可靠性和壽命有極為重要的影響。標(biāo)準(zhǔn)要求其穩(wěn)壓精度δu≤±0.5%。計算公式：

式中：δu：穩(wěn)壓精度；      U_M：輸出電壓波動極限值；     Uz：輸出電壓整定值；

5.2充電裝置紋波系數(shù)

充電裝置紋波系數(shù)對直流電源系統(tǒng)，特別是對蓄電池安全性、可靠性和壽命有極為重要的影響。標(biāo)準(zhǔn)要求其紋波系數(shù)δpp≤±0.5%。計算公式：

式中：δpp：紋波電壓峰值系數(shù)；  Upp：紋波電壓峰—峰值；  Udc：直流電壓平均值；

5.3充電裝置穩(wěn)流精度

充電裝置穩(wěn)流精度對直流電源系統(tǒng)，特別是對蓄電池安全性、可靠性和壽命有極為重要的影響。標(biāo)準(zhǔn)要求其穩(wěn)流精度δ_I≤±1%。計算公式：

式中：δ_I：穩(wěn)流精度；      I_M：輸出電流波動極限值；     Iz：輸出電流整定值；

6．項目主要內(nèi)容及技術(shù)路線

變電站是電網(wǎng)的樞紐，直流電源系統(tǒng)是變電站的重要組成部分，它為通信信號設(shè)備、繼電保護(hù)、自動裝置、事故照明及斷路、合閘操作提供直流電源，并在外部交流故障的情況下，保證由后備電源繼續(xù)提供直流電源，是繼電保護(hù)、自動裝置和斷路器等設(shè)備正確動作的基本保證。其穩(wěn)定運行對防止系統(tǒng)破壞、事故擴(kuò)大和設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞至關(guān)重要。

通信機(jī)房直流電源系統(tǒng)由直流電源、蓄電池、直流斷路器、防雷器等組成，“基于多頻點技術(shù)的蓄電池內(nèi)阻檢測系統(tǒng)”的研制及投入使用，可以實現(xiàn)對通信機(jī)房直流電源系統(tǒng)（直流電源及蓄電池）進(jìn)行在線監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)直流電源系統(tǒng)中存在的隱患，保障供電的安全。采用在線監(jiān)測技術(shù)和手段獲取的直流電源系統(tǒng)的信息，不僅科學(xué)、準(zhǔn)確，更重要地是能夠保證信息的連續(xù)性和完整性。當(dāng)前，通信機(jī)房（站）直流電源系統(tǒng)（直流電源及蓄電池）采用狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)從定期維護(hù)到狀態(tài)維護(hù)的轉(zhuǎn)變，已成為通信行業(yè)設(shè)備維護(hù)的現(xiàn)實選擇和必然趨勢，對提高電源的可靠性和安全性，對提高供電企業(yè)效率具有極為重要的意義。

“本項目系統(tǒng)”，是一套智能化、網(wǎng)絡(luò)化的通信機(jī)房（站）蓄電池在線監(jiān)測、分析、管理系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)由若干個用戶終端、一個監(jiān)測中心、若干個安裝在現(xiàn)場的在線監(jiān)測裝置組成。用戶終端可以隨時隨地在計算機(jī)上，遠(yuǎn)程實時監(jiān)控各個現(xiàn)場變電站直流電源系統(tǒng)的狀態(tài)。監(jiān)測中心軟件采用B/S架構(gòu)及SQL-SERVER數(shù)據(jù)庫，接收安裝在各通信機(jī)房（站）在線監(jiān)測裝置傳來的數(shù)據(jù)，響應(yīng)用戶終端的請求上傳數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場的在線監(jiān)測裝置硬件采用一主多從式構(gòu)架，實時監(jiān)測直流電源、蓄電池等的各項參數(shù)，發(fā)現(xiàn)異常情況時自動發(fā)出報警信號。同時，將報警信息上傳至監(jiān)測中心及用戶終端，通知維修人員及時處理，防止事故的發(fā)生，保障供電系統(tǒng)的安全。

“本項目系統(tǒng)”，可廣泛應(yīng)用于通信、政府機(jī)關(guān)、金融、證券、保險、廣播電視、交通運輸、制造、*、教育、科研、公共設(shè)施的UPS系統(tǒng)等所有使用蓄電池，作為后備電源的重要場所。也可應(yīng)用于電力變電站直流系統(tǒng)（直流電源及蓄電池）；

本項目系統(tǒng)拓?fù)鋱D見圖19。

圖19：  本項目監(jiān)測系統(tǒng)拓?fù)鋱D

該“項目在線監(jiān)測系統(tǒng)”，是一套智能化、網(wǎng)絡(luò)化的變電站直流電源系統(tǒng)在線監(jiān)測、分析、管理系統(tǒng)。系統(tǒng)由若干個IE用戶、一個監(jiān)測中心、若干個安裝在現(xiàn)場的在線監(jiān)測裝置組成。IE用戶可隨時隨地在遠(yuǎn)程計算機(jī)上使用IE瀏覽器，實時監(jiān)測現(xiàn)場直流電源及蓄電池的狀況。監(jiān)測中心軟件采用B/S架構(gòu)及SQL-SERVER數(shù)據(jù)庫，接收在線監(jiān)測裝置傳來的數(shù)據(jù)，響應(yīng)IE用戶的請求上傳數(shù)據(jù)。

該系統(tǒng)以監(jiān)測中心為核心。監(jiān)測中心以上為管理網(wǎng)絡(luò)；監(jiān)測中心以下為現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)。在線監(jiān)測裝置從現(xiàn)場檢測到的各項數(shù)據(jù)，經(jīng)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)送到監(jiān)測中心，并以數(shù)據(jù)庫形式貯存。管理人員在用戶終端計算機(jī)，通過IE瀏覽器，經(jīng)管理網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)測中心發(fā)送各種請求；監(jiān)測中心響應(yīng)用戶請求，以圖形、表格、文字等形式，經(jīng)管理網(wǎng)絡(luò)向用戶終端返回存貯的各種數(shù)據(jù)及各種分析結(jié)果。用戶終端向現(xiàn)場發(fā)送的各種命令經(jīng)管理網(wǎng)絡(luò)送到監(jiān)測中心，監(jiān)測中心對命令，處理后經(jīng)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)送到在線監(jiān)測裝置執(zhí)行。

7 本項目的創(chuàng)新點

（1）  采用多頻點交流放電法測量蓄電池內(nèi)阻，進(jìn)一步減小對蓄電池工作的影響，提高安全性、測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

（2）  引入新的數(shù)學(xué)模型，采用多頻點測量蓄電池狀態(tài)參數(shù)，更加準(zhǔn)確地反映蓄電池的狀態(tài)，為蓄電池檢修方式從定期檢修向狀態(tài)檢修轉(zhuǎn)變打下了基礎(chǔ)。

（3）  和蓄電池放電裝置等其他蓄電池監(jiān)測和維護(hù)設(shè)備進(jìn)行連接和通信，綜合完成直流電源及蓄電池在線監(jiān)測、蓄電池充放電全程監(jiān)控等綜合監(jiān)測與維護(hù)功能。

（4）  在線監(jiān)測直流電源穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度、紋波電壓系數(shù)等多項參數(shù)，準(zhǔn)確地反映了直流系統(tǒng)的狀態(tài)；

（5）  統(tǒng)計、查詢、分析、管理功能，根據(jù)站點、直流電源及蓄電池生產(chǎn)廠家、生產(chǎn)日期、投入使用時間、電池的好壞程度等不同的組合條件，自動進(jìn)行統(tǒng)計分析，為對維修人員的考核、直流電源及蓄電池的管理、購買決策提供了量化的數(shù)據(jù)，使管理水平上一個新的臺階。

（6）  實現(xiàn)以太網(wǎng)、GPRS、線、載波、USB等多種通訊方式，可以完成系統(tǒng)遠(yuǎn)程維護(hù)及遠(yuǎn)程自動程序升級功能。

8 系統(tǒng)特點、安全性

8．1 系統(tǒng)概述

本項目研制的蓄電池在線監(jiān)測管理系統(tǒng)，旨在開發(fā)一套針對通信機(jī)房（尤其是無人值守通信機(jī)房）蓄電池運行維護(hù)管理的技術(shù)解決方案，以降低或杜絕因蓄電池故障而導(dǎo)致的直流系統(tǒng)事故發(fā)生率，從而提高變電站安全運行的可靠性。

該在線監(jiān)測管理系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測蓄電池組的總電壓、總電流、正負(fù)極溫度；能夠?qū)崟r監(jiān)測蓄電池的單體電壓、單體內(nèi)阻、連線電阻等參數(shù)，計算蓄電池的容量，評估蓄電池的狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)化的蓄電池在線監(jiān)測管理系統(tǒng)采用基于Internet/Intranet的SQL SEVER數(shù)據(jù)庫對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，方便隨時調(diào)用數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行分析。系統(tǒng)具有蓄電池性能狀態(tài)評價體系，發(fā)現(xiàn)劣化電池時能夠及時報警，為蓄電池組的精細(xì)化維護(hù)提供依據(jù)。系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，方便各級相關(guān)人員在允許的權(quán)限內(nèi)隨時調(diào)閱相關(guān)數(shù)據(jù)，有利于提高蓄電池維護(hù)技術(shù)管理水平。

8．2 系統(tǒng)設(shè)計原則

該在線監(jiān)測管理系統(tǒng)作為一套蓄電池運行維護(hù)技術(shù)管理系統(tǒng)，我們的設(shè)計遵循以下的原則：

1）能夠取代傳統(tǒng)的蓄電池人工檢測手段，不需要大量人工，*實現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化的管理。

2）對蓄電池的運行情況能夠做到實時監(jiān)測，對于可能發(fā)生的問題，做提前判斷。系統(tǒng)對蓄電池運行進(jìn)行全程監(jiān)測。

3）對蓄電池的性能健康狀態(tài)能夠進(jìn)行即時診斷，及時發(fā)現(xiàn)蓄電池運行異常，提前發(fā)現(xiàn)蓄電池性能落后，提前發(fā)現(xiàn)蓄電池壽命終止，評價蓄電池劣化或失效的趨勢，防止蓄電池引發(fā)重大事故。

4）確保不影響蓄電池原有的工作，對于蓄電池的測量，不應(yīng)增加任何不安全的因素，不能對設(shè)備的運行安全構(gòu)成任何威脅。

8．3 系統(tǒng)描述

該項目管理系統(tǒng)以監(jiān)測中心為核心。監(jiān)測中心以上為管理網(wǎng)絡(luò)；監(jiān)測中心以下為現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)。

該項目設(shè)備從現(xiàn)場檢測到的各項數(shù)據(jù)，經(jīng)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)送到監(jiān)測中心，以數(shù)據(jù)庫形式存貯。

維護(hù)管理人員在用戶終端計算機(jī)上，通過IE瀏覽器，經(jīng)管理網(wǎng)絡(luò)，向監(jiān)測中心發(fā)送各種請求。監(jiān)測中心響應(yīng)用戶請求，并以圖形、表格、文字等形式通過管理網(wǎng)絡(luò)向用戶終端返回存貯的各種數(shù)據(jù)及各種分析結(jié)果。終端用戶向現(xiàn)場發(fā)送和各種命令通過管理網(wǎng)絡(luò)送到監(jiān)測中心，監(jiān)測中心對命令處理后，經(jīng)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)，送到項目設(shè)備執(zhí)行。

本項目管理系統(tǒng)具有強(qiáng)大的功能，具備自動將數(shù)據(jù)采集、存貯、上傳功能。自身帶有接線端子插座，通過線纜與蓄電池連接，可以測試到單節(jié)蓄電池以及整組蓄電池組的狀態(tài)參數(shù)。

PITE3920在線監(jiān)測儀，內(nèi)置以太網(wǎng)接口、GPRS接口及USB接口，通過這些接口可以用不同的組網(wǎng)形式，把檢測到的數(shù)據(jù)實時上傳到監(jiān)測中心，實現(xiàn)對蓄電池的在線監(jiān)測。

監(jiān)測中心軟件則采用基于B/S結(jié)構(gòu)的模式，系統(tǒng)管理員可以給各維護(hù)管理人員分配用戶名、密碼與訪問權(quán)限，這些人員作為IE用戶，在規(guī)定的權(quán)限內(nèi)通過局域網(wǎng)以圖形、表格、文字等形式查看蓄電池的各種數(shù)據(jù)，隨時可了解蓄電池組的情況。

監(jiān)測中心采用SQL-SERVER數(shù)據(jù)庫，方便對各蓄電池組的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、查詢與調(diào)用。

8．4 系統(tǒng)特色

本項目管理系統(tǒng)具有如下的特色：

1. 組網(wǎng)簡單，維護(hù)簡便、快捷、安全、可靠

    本項目管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)清晰，組網(wǎng)簡單。系統(tǒng)運行中如現(xiàn)場出現(xiàn)故障，幾分鐘內(nèi)能夠直接通過可熱插拔接線插頭，更換現(xiàn)場設(shè)備，不會對直流設(shè)備產(chǎn)生任何影響，維護(hù)起來簡單、快捷、安全、可靠。

1. 基于簡易GIS（地理信息系統(tǒng)）管理，軟件界面友好，操作方便。

軟件主界面是簡易GIS（地理信息系統(tǒng)）管理模式。具有如下特點：

A）界面簡潔，沒有繁瑣的數(shù)據(jù)堆積；操作簡潔，甚至不需要操作即可了解電池組的運行狀況。當(dāng)監(jiān)測的電池組數(shù)量較多時候，本系統(tǒng)采用的管理方式相對于樹狀的資源管理器操作更加簡潔。

B）在每一級的監(jiān)測界面中，不需要繁瑣的點擊查詢，就可以總覽所有電池組的運行狀況。

C）采用圖例 ， ， ， 標(biāo)識電池組的運行狀況，不需要查詢，詳細(xì)數(shù)據(jù)就可以了解當(dāng)前電池組的運行狀況。

D）迅速定位有報警信息的電池組，方便工作人員的管理。

1. 數(shù)據(jù)管理簡單明晰。

利用SQL-SERVER商用數(shù)據(jù)庫的*性，對監(jiān)測數(shù)據(jù)管理，可以方便用戶隨時對數(shù)據(jù)的調(diào)用、分析與打印。

1. 數(shù)據(jù)共享，技術(shù)管理層次分明

軟件采用B/S結(jié)構(gòu)，方便各相關(guān)人員在各自的機(jī)器上，就可以在權(quán)限范圍內(nèi)隨時調(diào)閱相關(guān)數(shù)據(jù)，這樣，蓄電池維護(hù)的技術(shù)管理工作層次分明，便以管理。

B/S（Browser/Server）結(jié)構(gòu)即瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，它是隨著 Internet技術(shù)的興起，對C/S結(jié)構(gòu)（客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)）的一種改進(jìn)的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下，用戶工作界面是通過WWW瀏覽器來實現(xiàn)，極少部分事務(wù)邏輯在前端（Browser）實現(xiàn)，但是主要事務(wù)邏輯在服務(wù)器端（Server）實現(xiàn)，形成所謂三層3-tier結(jié)構(gòu)。這樣就大大簡化了客戶端電腦載荷，減輕了系統(tǒng)維護(hù)與升級的成本和工作量，降低了用戶的總體成本。

監(jiān)測中心采用B/S結(jié)構(gòu)模式，具有如下特點：

A）安裝部署與升級維護(hù)簡單：只需要在服務(wù)器端安裝，安裝以后僅需要定期（比如3個月、半年）維護(hù)一次即可。二次開發(fā)可以簡單到只升級替換一個ASP頁面，或更換一個DLL動態(tài)鏈接庫，而且只需在服務(wù)器更換。

B）數(shù)據(jù)安全性好：客戶端不保存任何業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)一致性好。所有數(shù)據(jù)（包括原始料單和統(tǒng)計報表）都保存在中心服務(wù)器中，不需要數(shù)據(jù)同步，不需要報表上傳下載，隨時隨地看到的都是實時數(shù)據(jù)?？梢匀珖粋€服務(wù)器，而不需要在各個分支機(jī)構(gòu)建立區(qū)域服務(wù)器，可以極大地節(jié)約投資和人力資源。

C）數(shù)據(jù)可溯源：任何報表都可以追蹤到它zui原始的料單數(shù)據(jù)。

D）硬件投資保護(hù)：如果服務(wù)器負(fù)載增加，可以通過增加新的服務(wù)器，并將B/S軟件的各個組件分布到多個服務(wù)器上執(zhí)行。原有服務(wù)器繼續(xù)使用，不浪費。

E）客戶端配置要求低：客戶端只要能運行IE就行。

F）報表分析優(yōu)勢：報表分析速度極快，而且可以根據(jù)客戶不同時段，不同角度定制開發(fā)各種實際工作中使用的統(tǒng)計報表。

G）對計算機(jī)操作人員要求低：維護(hù)人員只需會上網(wǎng)，不需要接收專門培訓(xùn)即可操作。

8．5 特點

1）*的多頻點交流放電法蓄電池內(nèi)阻測試技術(shù)，減少對電池?fù)p壞和系統(tǒng)沖擊。

2）在線放電時，通過測量電池電壓，電流計算出放電容量，根據(jù)設(shè)定放電要求自動提示用戶結(jié)束放電。

3）全自動巡檢電池內(nèi)阻、端電壓，自動記錄監(jiān)測數(shù)據(jù)。

4）受控單檢、巡檢電池內(nèi)阻、端電壓，自動記錄測試數(shù)據(jù)。

5）自動監(jiān)測電池組性能均衡性，診斷電池故障，電池故障自動報警。

6）即可現(xiàn)場查看單體電池和電池組性能狀態(tài)，也可以在遠(yuǎn)程用戶終端觀測，標(biāo)志明確，顯示直觀。

7）現(xiàn)場檢測無須人工介入，避免了因人工檢測誤操作引起的短路、觸電和負(fù)載斷電風(fēng)險。

8）全隔離獨立測試回路，既不受用戶設(shè)備干擾，也不影響用戶設(shè)備和電池組的正常運行。

8．6 安全性

本項目在設(shè)計上充分考慮了通信機(jī)房（站）的運行環(huán)境條件，采用多種抗沖擊、高容錯的技術(shù)手段，采用高性能的元器件，使設(shè)備具有很高的安全特性。

1）阻燃性

硬件設(shè)備采用阻燃特性良好的電子元器件與金屬外殼，萬一因短路過流等原因造成的故障，都不會引起明火燃燒。

2）電磁兼容性

在設(shè)計上充分考慮了電磁兼容性，電磁輻射量符合國家標(biāo)準(zhǔn)。金屬外殼則具有很好的屏蔽效果。儀器本身則對外界沒有任何電磁干擾。

3）容錯性

• 設(shè)備同蓄電池的連接部分采用防過流保險（），避免連接導(dǎo)線短路或儀器故障對蓄電池造成的傷害。
• 設(shè)備各檢測通道均采用高阻抗輸入方式，檢測回路的電流小于微安級，對蓄電池沒有任何不良影響。
• 設(shè)備采用全隔離獨立測試回路，*獨立于用戶設(shè)備工作。
• 儀器采用小功率元器件，工作功耗低，不影響用戶供電線路。

4）防過壓過流特性

設(shè)備設(shè)計采用防浪涌技術(shù)，采用*的電源變換技術(shù)，工作電壓范圍寬，防過流過壓特性強(qiáng)。

5）可維護(hù)性

設(shè)備采用熱插拔式接線座，接插簡單，便于維護(hù)。

9. 系統(tǒng)的主要功能和技術(shù)指標(biāo)

本研究項目采用本項目開發(fā)的多頻點交流放電法，來測量蓄電池的內(nèi)阻，綜合蓄電池電壓、電流、溫度等因素，結(jié)合蓄電池歷史趨勢及充放電情況，評價蓄電池的狀況。

9．1 主要功能

9．1．1 預(yù)警功能

系統(tǒng)一直監(jiān)測著每節(jié)蓄電池的內(nèi)阻、電壓、充放電電流、溫度等參數(shù)，判斷電池的狀況，一旦有危險隱患出現(xiàn)，系統(tǒng)將以聲光形式發(fā)出預(yù)警，提醒維護(hù)管理人員及時處理，避免事故的發(fā)生。

9．1．2 管理決策功能

利用其功能強(qiáng)大的管理數(shù)據(jù)庫，可以實現(xiàn)對蓄電池狀態(tài)（優(yōu)、良、中、差）、生產(chǎn)廠家、投入運行時間、所屬部門和位置等條件，隨時隨地進(jìn)行查詢統(tǒng)計，幫助管理者極大地提高了管理效率和決策質(zhì)量。

9．1．3 內(nèi)阻檢測功能

系統(tǒng)可設(shè)定對全部蓄電池的單體內(nèi)阻的自動定時檢測，zui低設(shè)定為20分鐘一次。也可以人工發(fā)布命令，隨時檢測全部蓄電池的單體電池內(nèi)阻。在服務(wù)器上可對整組電池或單個電池的內(nèi)阻進(jìn)行點測。在測試內(nèi)阻的同時，全部蓄電池的單體電池電壓值也同時測量。

9．1．4 連線電阻檢測功能

蓄電池連接線及接頭松動、斷裂、銹蝕破壞蓄電池主回路的連續(xù)性，可引起蓄電池直流系統(tǒng)失電，可能引起火災(zāi)等一系列嚴(yán)重事故，因而對蓄電池連線電阻的測量是極為必要的，以確保直流系統(tǒng)的安全可靠。

系統(tǒng)可設(shè)定對每節(jié)蓄電池的連線電阻的自動定時檢測，zui低設(shè)定為20分鐘一次。也可以人工發(fā)布命令，隨時檢測每節(jié)蓄電池的連線電阻。在服務(wù)器上可對整組電池或單個電池的內(nèi)阻進(jìn)行點測。在測試內(nèi)阻的同時，全部蓄電池的單體電池電壓值也同時測量。

9．1．5充電機(jī)特參數(shù)檢測功能

系統(tǒng)可對充電機(jī)穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度、紋波系數(shù)等特性參數(shù)進(jìn)行檢測，出現(xiàn)異常時及時報警。

9．1．6巡檢功能

系統(tǒng)可對蓄電池組總電壓、總電流、正負(fù)極溫度、單體電池電壓等參數(shù)進(jìn)行巡檢。巡檢的間隔可設(shè)定。zui短間隔為20秒。

9．1．7 充放電過程全過程記錄功能（蓄電池組核容和交流停電）

可以對蓄電池組自動均充過程、放電過程及核容過程進(jìn)行過程記錄。記錄內(nèi)容包括蓄電池單體電壓、充放電電流、電池組總電壓和正負(fù)極溫度；充、放電安時數(shù)。如交流停電、自動補(bǔ)充電時，電池組進(jìn)行放電或充電時，系統(tǒng)可自動進(jìn)行容量測試。配合每年的核容試驗，系統(tǒng)可全過程監(jiān)測充、放電過程中每一時刻電池組的電壓、充、放電電流以及各電池的電壓變化曲線，并可自動生成蓄電池組核容報告。

9．1．8 報警及記錄功能

可對電池組電壓、單體電池電壓、單體電池內(nèi)阻、電極溫度等設(shè)定上下限極值。當(dāng)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到有參數(shù)超出報警值時，系統(tǒng)可以進(jìn)行聲、光等報警，并把這一事件記錄下來，維護(hù)管理人員在IE終端上可以看到電池組工作狀態(tài)的異常。

9．1．9 電池質(zhì)量分析及報表分析功能

對電池的內(nèi)阻和電壓進(jìn)行長期跟綜監(jiān)測，并可形成每月、每季、每年的監(jiān)測報表，全面掌握蓄電池的運行維護(hù)狀況，提醒維護(hù)管理人員用時更換落后的蓄電池。

9．2主要技術(shù)指標(biāo)

10．主要操作界面簡介

10．1 主界面

圖23  主界面

主界面采用基于簡易GIS（地理信息系統(tǒng)）的管理方式。

• 電池組總電流、總電壓、正負(fù)極溫度
• 各節(jié)電池的單體電壓、單體內(nèi)阻，并可按電池編號及電壓大小進(jìn)行排序。
• 對各節(jié)電池的數(shù)據(jù)即可按表格方式顯示，也可按直方圖方式顯示。直方圖方式顯示時，當(dāng)數(shù)值超過報警值時，相應(yīng)直方柱顯示為紅色，以引起人員的注意。
• 顯示出單體電壓zui大、zui小的電池編號及相應(yīng)電壓。
• 點擊電池編號，可顯示出各節(jié)電池單體電壓巡檢數(shù)據(jù)的歷史趨勢。歷史趨勢可以按表格方式顯示，也可按趨勢圖方式顯示。在趨勢圖上隨著鼠標(biāo)位置的移動，能方便地顯示出各點電壓的具體數(shù)值及相應(yīng)時間。

圖24  實時監(jiān)測界面

10．2 用戶權(quán)限管理

登錄蓄電池在線監(jiān)測管理系統(tǒng)軟件時，需要通過身份驗證。可分為用戶和監(jiān)測用戶2種，各自的權(quán)限不同。用戶是系統(tǒng)管理員，可以行使用戶管理、局維護(hù)、站維護(hù)、組維護(hù)、設(shè)置組報警閥值、實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、趨勢分析、報表分析、導(dǎo)入儀表數(shù)據(jù)功能。監(jiān)測用戶是一般用戶，只可以行使實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、趨勢分析、報表分析、導(dǎo)入儀表數(shù)據(jù)、設(shè)置組報警閥值功能。

10．3 歷史數(shù)據(jù)查詢及分析

歷史數(shù)據(jù)查詢及分析模塊可以可監(jiān)測及顯示控各路電池的電壓、內(nèi)阻、容量。可以根據(jù)需要選擇電池編號排序、電壓從大到小排序、電壓從小到大排序、內(nèi)阻從大到小排序、內(nèi)阻從小到大排序。

數(shù)據(jù)查詢及分析模塊可以：

• 選擇不同日期的定檢數(shù)據(jù)、巡檢數(shù)據(jù)、核容記錄、及停電/均充記錄進(jìn)行查詢。
• 顯示電池組總電流、總電壓、正負(fù)極溫度。
• 顯示單體電壓zui大、zui小的電池編號及相應(yīng)電壓。
• 顯示單體內(nèi)阻zui大、zui小的電池編號及相應(yīng)內(nèi)阻。
• 顯示各節(jié)電池的單體電壓、單體內(nèi)阻，分析各節(jié)電池容量及狀況。
• 對各節(jié)電池的數(shù)據(jù)即可按表格方式顯示，也可按直方圖方式顯示。直方圖方式顯示時，當(dāng)數(shù)值超過報警值時，相應(yīng)直方柱顯示為紅色，以引起操作人員的注意。
• 對各節(jié)電池可以按電池編號、電壓大小及內(nèi)阻大小進(jìn)行排序。
• 點擊電池編號，可顯示出各節(jié)電池電壓、內(nèi)阻、容量的歷史趨勢。歷史趨勢可以按表格方式顯示，也可按趨勢圖方式顯示。在趨勢圖上隨著鼠標(biāo)位置的移動，能方便地顯示出各點電壓、內(nèi)阻、容量的具體數(shù)值及相應(yīng)時間。

圖26    單體電壓、單體內(nèi)阻歷史趨勢圖

10．4 核容放電均充及停電放電/均充全過程記錄

核容放電、均充及停電放電/均充模塊，在用戶對蓄電池組進(jìn)行核容放電均充及停電放電/均充過程中，以每1～2分鐘一次的頻率監(jiān)測電池組總電流、總電壓、正負(fù)極溫度、各節(jié)電池的單體電壓。

10．4．1 功能：

• 快速檢測核容過程中電池組總電流、總電壓、正負(fù)極溫度、各節(jié)電池的單體電壓。
• 對各節(jié)電池的單體電壓即可按表格方式顯示，也可按直方圖方式顯示。直方圖方式顯示時，當(dāng)數(shù)值超過報警值時，相應(yīng)直方柱顯示為紅色，以引起人員的注意。
• 計算電池的放電安時數(shù)和充電安時數(shù)。
• 顯示放電過程中zui低組電壓、zui高電極溫度。
• 顯示放電結(jié)束時單體電壓zui低的5節(jié)電池的編號和相應(yīng)的單體電壓。
• 顯示總電壓變化趨勢圖，總電流變化趨勢圖及單位電壓直方圖。
• 在總電壓、總電流趨勢圖上隨著鼠標(biāo)位置的移動，能方便的顯示出趨勢圖上相應(yīng)點的總電壓、總電流的具體數(shù)值及相應(yīng)時間。點擊此點后，下面可以以直方圖的形式及表格的形式顯示相應(yīng)此時刻各電池的單體電壓的直方圖，顯示的數(shù)據(jù)可以按電池編號及單體電壓大小進(jìn)行排序。
• 點擊電池編號，可以顯示出此節(jié)電池在充放電過程中單體電壓的歷史趨勢，歷史趨勢可以以表格的形式顯示，也可以以趨勢圖的形式的顯示。在趨勢圖上隨著鼠標(biāo)位置的移動，能方便的顯示出趨勢圖上相應(yīng)點的單體電壓的具體數(shù)值及相應(yīng)時間。

10．4．2 指導(dǎo)意義

    每節(jié)蓄電池的特性是存在差異的，根據(jù)研究這些特性在浮充過程中并沒有*體現(xiàn)出來，而在蓄電池放電及隨后的充電過程中這些特性得到了充分的體現(xiàn)。下面圖27～圖34反映的就是凌屋110kV變電站1#蓄電池組在核容放電及隨后的恒流、恒壓、涓流補(bǔ)充過程中蓄電池單體電壓變化情況。從圖中可以看出，在浮充時沒有差異的蓄電池，在充放電時表現(xiàn)出了明顯的差異。過去由于技術(shù)條件的限制，沒有辦法把蓄電池放電及隨后的充電過程的數(shù)據(jù)*記錄下來。蓄電池在線監(jiān)測管理系統(tǒng)，可以將電池放電及隨后的充電過程的數(shù)據(jù)*記錄下來，大量數(shù)據(jù)的積累為今后蓄電池的研究提供了基礎(chǔ)，以此基礎(chǔ)建立數(shù)學(xué)模型，從而建立新的蓄電池維護(hù)管理體制。

圖27  蓄電池核容放電2小時單體電壓及電池組電流電壓曲線圖

圖28  蓄電池核容放電結(jié)束時單體電壓及電池組電流電壓曲線圖

圖29  核容放電后恒流充電6.5小時單體電壓及電池組電流電壓曲線圖

圖30  核容放電后恒流充電結(jié)束時單體電壓及電池組電流電壓曲線圖

圖31  核容放電后恒壓充電結(jié)束時單體電壓及電池組電流電壓曲線圖

圖32  18#蓄電池核容放電及恒流、恒壓、涓流補(bǔ)充過程中單體電壓曲線圖

圖33  50#蓄電池核容放電及恒流、恒壓、涓流補(bǔ)充過程中單體電壓曲線圖

圖34  39#蓄電池核容放電及恒流、恒壓、涓流補(bǔ)充過程中單體電壓曲線圖

蓄電池在線監(jiān)測管理系統(tǒng)對于蓄電池維護(hù)工作具有如下的指導(dǎo)意義：

• 及時發(fā)現(xiàn)落后的蓄電池。蓄電池組在停電放電及核容放電過程中，蓄電池在線監(jiān)測管理系統(tǒng)以1～2分鐘/次的頻率，全面測量蓄電池組的總電流、總電壓、正負(fù)極溫度、各節(jié)電池的單體電壓，并計算電池的容量。通過直方圖和歷史趨勢圖，可以及時方便地發(fā)現(xiàn)落后的電池，以便維護(hù)管理人員及時更換，保證系統(tǒng)的安全。從圖34可以看出，39#蓄電池核容放電時不到10分鐘，電壓就從1.8V跌落到1.576V。
• 更加完善了核容放電規(guī)程，提高了安全性。過去核容放電后，隨后充電過程中到底充進(jìn)去了多少電量，是無法知道的。蓄電池在線監(jiān)測管理系統(tǒng)可以自動算出放電電量和充電電量，使管理人員知道充電是否充夠了，保障系統(tǒng)安全。
• 大大減少了核容放電時人員的工作量和勞動強(qiáng)度。過去核容放電是非常辛苦的，人員要準(zhǔn)備表格，現(xiàn)場接線，不停地測量，不停地記錄，放電結(jié)束后，還要拆線，計算，出報表。工作量大，也不安全?，F(xiàn)在一切都自動完成，并且不用現(xiàn)場接線，拆線。
• 可以探索新的核容放電及充電體制。例如由放電電流由目前的單一I₁₀變?yōu)镮₂₀+I₁₀；隨后的充電的恒流階段由充電電流由單一的I₁₀變?yōu)镮₂₀+I₁₀，在保證準(zhǔn)確性的情況下，減少放電和充電時間。

10．5 即時測量

    系統(tǒng)除定時測量外，還可隨時響應(yīng)具有相應(yīng)權(quán)限的用戶的即時測量命令。具有相應(yīng)權(quán)限的用戶可以向系統(tǒng)發(fā)出即時測量命令，系統(tǒng)可自動對全部數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，測量過程對用戶的其他操作無任何影響，測量結(jié)果返回時系統(tǒng)會提示用戶。即時測量的結(jié)果可以以表格形式顯示，也可以以圖形形式顯示。測量結(jié)果可以按電池編號、電壓大小和內(nèi)阻大小排序。

10．6 自動報警及記錄            

若監(jiān)測到異常情況，電池組的狀態(tài)指示圖標(biāo)將由 變?yōu)?，并發(fā)出“嘟嘟…嘟嘟…”的報警聲音，并且產(chǎn)生報警記錄。

10．7 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理模塊具有以下功能：

• 設(shè)置及更改對用戶信息及權(quán)限；
• 添加/修改/刪除局、站及電池組信息；
• 設(shè)置電池組報警閥值；
• 設(shè)置電池組標(biāo)準(zhǔn)電阻；
• 設(shè)置系統(tǒng)的巡檢周期；
• 設(shè)置設(shè)備時間；
• 修改密碼。

10．8 報表

系統(tǒng)可以自動生成月報，核容放電時可以自動生成核容報表。參閱附件。

10．9 查詢統(tǒng)計

查詢統(tǒng)計模塊具有以下功能

• 按局、站、組進(jìn)行查詢統(tǒng)計：反映局、站、組蓄電池電池狀態(tài)（優(yōu)、良、中、差）、生產(chǎn)廠家，電池生產(chǎn)日期的綜合信息。通過這些信息，反映蓄電池的維護(hù)工作的好壞。
• 按電池生產(chǎn)廠家進(jìn)行查詢統(tǒng)計：反映各個電池廠家蓄電池的質(zhì)量水平。
• 按電池狀態(tài)（優(yōu)、良、中、差）進(jìn)行查詢統(tǒng)計：宏觀上掌握蓄電池的狀態(tài)，為今后的投資改造提供數(shù)據(jù)依據(jù)。
• 按電池生產(chǎn)日期進(jìn)行查詢統(tǒng)計：宏觀上掌握蓄電池的狀況，為今后的投資改造提供數(shù)據(jù)依據(jù)。
• 根據(jù)用戶的需求，按其他方式進(jìn)行查詢統(tǒng)計。
• 以上幾種查詢統(tǒng)計，既可以按單一條件進(jìn)行查詢統(tǒng)計，也可以按幾種組合條件進(jìn)行查詢統(tǒng)計。

圖35  查詢統(tǒng)計報表

11． 總結(jié)

蓄電池在線監(jiān)測管理系統(tǒng)，采用*的計算機(jī)檢測技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)，采用交流放電法，在線檢測變電站蓄電池內(nèi)阻、電壓、電流、溫度等參數(shù)；軟件采用基于B/S結(jié)構(gòu)的模式，利用SQL-SERVER數(shù)據(jù)庫，以圖形、表格、文字等形式提供蓄電池的各種數(shù)據(jù)，使維護(hù)管理人員隨時隨地掌握蓄電池的狀況。系統(tǒng)的投入使用，為供電系統(tǒng)的安全運行提供了技術(shù)保障，極大地提高了供電系統(tǒng)的安全性和可靠性，產(chǎn)生巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

通過“蓄電池在線監(jiān)測管理系統(tǒng)”在凌屋變電站的安裝和應(yīng)用，其意義體現(xiàn)在如下幾個方面：

1. 為長期困擾東莞局的蓄電池組現(xiàn)場維護(hù)制度和方法提供了一種解決方案。
2. 通過“蓄電池組在線監(jiān)測管理系統(tǒng)”的安裝，為蓄電池維護(hù)人員提供了一個能夠隨時獲取蓄電池組的運行狀態(tài)和信息的強(qiáng)大工具，研究、分析和試驗的平臺。以往只能通過看、聽、摸或萬用表逐個測量電壓的手段，來對蓄電池狀況進(jìn)行感觀判斷，現(xiàn)在則可以隨時查閱電池的電壓、電流、內(nèi)阻、溫度等，有效地了解蓄電池運行狀況。
3. 在現(xiàn)場進(jìn)行核對性容量試驗，通過“蓄電池組在線監(jiān)測管理系統(tǒng)”，可直接記錄全過程的相關(guān)電池的電壓、電流、溫度、容量數(shù)據(jù)和曲線（含均充轉(zhuǎn)浮充），這就解決了三個問題：

a、省略了以往核對性容量試驗時繁瑣的接線工作量。

b、解決了以往核容試驗后不能準(zhǔn)確知道均充電（即恒流、恒壓到轉(zhuǎn)浮充）全過程的參數(shù)和容量。

c、大大降低了工作人員的勞動強(qiáng)度。

12. 未來的展望

12．1 建立分析診斷數(shù)學(xué)模型

隨著數(shù)據(jù)的積累，結(jié)合國內(nèi)外研究成果，逐步建立起數(shù)學(xué)模型，并對各項參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上診斷分析軟件的精度也會不斷提高，對蓄電池狀態(tài)的診斷也會越來越準(zhǔn)確。模型建立的依據(jù)是：

1. 伴隨著電池性能的劣化，該電池相對于自身的內(nèi)阻值將很快變大的拐點；
2. 伴隨著電池性能的劣化，該電池的充放電曲線電流、電壓、容量等參數(shù)之差值將逐步變大；

3、變電站直流電源系統(tǒng)運行中的異常情況如交流失電、過充、欠充、溫度等；采集上述數(shù)據(jù)后，通過一種非線性處理方式及特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對各項數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，得出判斷結(jié)論。

12．2 建立全面的綜合的蓄電池管理平臺

蓄電池的管理是一個系統(tǒng)工程，涉及的人員、部門、環(huán)節(jié)很多。除了蓄電池在線監(jiān)測管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)以外，還可以將平時采集到的信息（單體電壓變化、內(nèi)阻變化、容量變化和運行數(shù)據(jù)等）納入到蓄電池在線監(jiān)測管理系統(tǒng)，利用這個系統(tǒng)，各個部門，各級相關(guān)人員可以得到自己希望的數(shù)據(jù)，為各自的工作提供服務(wù)。

12．3 蓄電池過程在線維護(hù)建

蓄電池在線監(jiān)測和管理系統(tǒng)的建立，使我們可實時掌握蓄電池、接頭及連接線、充電機(jī)等直流系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確狀態(tài)，出現(xiàn)安全隱患可以及時報警，使直流系統(tǒng)的安全性和可靠性得以提高。

問題是，是否可以在直流系統(tǒng)現(xiàn)出異?；虬踩[患時，可不可以做到自動處理這此問題，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程在線維護(hù)呢？這就是本課題組下一步需要解決的問題。這一問題一旦得到解決，將產(chǎn)生革命性突破，直流系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的壽命、安全性、可靠性將得到極大地提高，也將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

12．3．1 電池的均衡

變電站蓄電池組是串聯(lián)工作的，充電時由充電機(jī)向蓄電池整組進(jìn)行充電，放電時蓄電池組整組放電向負(fù)荷放電。由于蓄電池本身在制造、使用過程中存在著差異，即使差異極其細(xì)微，隨著時間的積累，電池特性的差異將會越來越大，具體將表現(xiàn)在電池電壓、內(nèi)阻、容量上的不同，導(dǎo)致電池的不均衡。在電池組整組充放電的使用條件下，電池不均衡的存在，將導(dǎo)致電池由于過充而失水，由于欠充而硫酸鹽化，從而使整組電池迅速衰退，顯著減小電池使用壽命，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

蓄電池在線監(jiān)測設(shè)備增加均衡功能后，將實時檢測電池的電壓、內(nèi)阻、容量的差異，對過充的蓄電池以安全電流放電，對欠充的電池以安全電流充電，使出現(xiàn)不均衡的串聯(lián)蓄電池組逐漸達(dá)到均衡狀態(tài)，從而極大地提高蓄電池的使用壽命。

12．3．2 電池除硫

    鉛酸蓄電池在放電過程中產(chǎn)生硫酸鹽，充電結(jié)束時仍會有少量硫酸鹽保留下來，另外電池由內(nèi)部的雜質(zhì)等原因，也會產(chǎn)生硫酸鹽，并且硫酸鹽晶體硫酸溶液中有不斷長大的趨勢。粗大的硫酸鹽晶粒在充電時難以溶解而失去活性。電池的硫酸鹽化將減少活性物質(zhì)的含量，阻塞微孔，使電池容量減小。

蓄電池在線監(jiān)測設(shè)備增加除硫功能后，將實時檢測蓄電池的硫化狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)硫化的蓄電池，將通過高頻放電和高頻充電，使粗大的硫酸鹽晶粒溶解，增加電池活性物質(zhì)的含量，使阻塞的微孔暢通，從而增加電池的容量。

12．3．3 電池的在線活化

串聯(lián)的鉛酸蓄電池組在使用一段時間后，會出現(xiàn)部分落后的電池。很多落后的蓄電池可以通過活化而恢復(fù)其容量。如果落后的電池不進(jìn)行及時處理，會造成整組電池迅速失效。

傳統(tǒng)上人工活化電池的辦法由于變電站數(shù)量多、分布廣，使工作量非常大，且費時費力。

蓄電池在線監(jiān)測設(shè)備增加在線活化功能后，將對蓄電池進(jìn)行實時檢測，發(fā)現(xiàn)落后的蓄電池后，將自動對蓄電池進(jìn)行在線活化，使落后電池的容量得到恢復(fù)，從而提高整組蓄電池的容量，并顯著延長電池組的使用壽命。