变电站蓄电池组开路续流应对的新思路

蓄电池是变电站直流系统的重要应急电源，一旦开路将对整个变电站的电源安全构成严重威胁。针对变电站蓄电池组存在的开路问题，云南电网有限责任公司曲靖供电局的研究人员惠雷、秦怀念、皇甫德志、王浩，在2020年第1期《电气技术》杂志上撰文，通过分析现有开路续流装置的不足，提出实现蓄电池组实时开路续流的一种新思路。

变电站目前普遍使用的阀控式铅酸（valve- regulated lead acid, VRLA）免维护蓄电池，具有许多优良特性，如工作可靠、基本无污染、安装方便、易维护，适合在变电站中为各种电路系统提供可靠的直流电源。然而由于电池本身的设计、生产工艺及使用维护等原因，电池失效现象常有发生，其使用寿命远远短于预期寿命，严重影响了直流系统的安全运行。

铅酸蓄电池经过一段时间使用以后，随着极板腐蚀、有效活性物质脱落、失水以及硫酸盐化（sulfuration）等原因的影响，其容量不可避免地逐渐降低，稍不注意就可能导致单个电池失效、整组电池开路。并且蓄电池失效带有一定的隐蔽性，电池组绝大部分时间会处于备用的浮充状态下，需要通过监测蓄电池一些技术指标来考量蓄电池的品质与状态。

但是，有些蓄电池的负面状态不能被直接检测出来，例如负极汇流排的腐蚀。在浮充状态下，因充电电流很小，汇流排保持连接，浮充电压基本能保持正常值，一旦交流电失电需要大电流放电时，已严重腐蚀的负极汇流排会被烧断，进而引起蓄电池组开路，防不胜防。

针对上述存在的问题，本文分析目前国内外常见的开路续流应对方法及其不足，提出一种变电站蓄电池组开路续流应对的新思路，保障直流供电系统的安全性和可靠性。

1 现有蓄电池开路续流应对方式

目前国内变电站蓄电池开路续流的应对方式是在单节蓄电池正负极极柱上安装跨接模块，当交流失电、蓄电池组对外供电时，若电池失效，可通过大电流跨接模块确保电池组能够对外持续供电，提升直流电源系统的安全可靠性。

1.1 续流二极管跨接模式

变电站蓄电池组开路保护续流方法使用最广泛的是通过在单节蓄电池正负极极柱上并联续流二极管，以达到单节蓄电池开路后保证整组蓄电池的持续供电能力，主回路接线图如图1所示。

在正常的情况下，充电机保持对蓄电池组充电，电流方向如i1所示，当充电电流流经蓄电池正极柱时，因蓄电池正极柱连接的是续流二极管的负极，按照二极管的单向导通特性，此时并联的续流二极管回路处于高电阻阻断模式，因此，蓄电池组正常充电且不会受到续流二极管回路的干扰。

图1

当交流电失电，电池组对负载供电时，回路电流方向如i2所示，这时回路电流由电池负极柱流入、正极柱流出。在单节电池健康的情况下，由于电池正极柱电势比负极柱高，续流二极管负极电势高于正极，此时二极管依旧处于阻断模式，电池组保持正常放电；电池组放电期间，假设单节电池Bi开路，电池Bi1负极与Bi+1正极之间就相当于只串联了一只续流二极管VDi，如图2所示，此时VDi因两侧正压而导通，使电池组保持对负载的供电。

图2

并联续流二极管应对蓄电池组开路续流隐患的响应时间一般为微秒级，能成功实现单节蓄电池开路时蓄电池组放电的不间断，但同时存在局限性：

①因未拧紧连接线的螺丝或连接条腐蚀后电阻增大被烧坏而造成的开路，并联续流二极管无法改变电池组的开路状态；

②电池组开路后，二极管导通方向与电池充电电流反向，电池组无法充电，在电池本身自放电或容量低的情况下存在极大的隐患；

③当二极管承担开路续流的重任时，会在二极管两侧形成固定压差V，V为充电机充电电压V1与电池组开路电压V2的差值，迫使电池组监测装置的设计耐压值大幅度提升，极大地增加了整体设备的成本。

1.2 MOS管跨接模式

目前还有一种针对蓄电池开路的续流方法是在单节蓄电池正负极柱上并联背靠背的两个N型MOS管，结合控制模块及蓄电池监测模块，进行远程主动跨接，同时屏蔽劣化蓄电池，完成开路续流操作，基本原理图如图3所示。

图3

在正常情况下，监测模块实时监测蓄电池电气参数，控制模块接收监测模块的数据并判定蓄电池正常后选择不动作，背靠背的两个N型MOS管均呈现高阻态，从而阻隔蓄电池两侧的电流，使蓄电池组正常充电及放电。当控制模块接收监测信息判定蓄电池i劣化严重或开路时，给N型MOS管VDi1与VDi2同时施加相同的开启信号，两个MOS管同时导通，Bi被短路，相当于蓄电池组中屏蔽了Bi，其余的单体蓄电池没有变化，可以继续对整组电池进行充电和放电。

并联MOS管相比续流二极管，可以设定蓄电池劣化或开路后即进行跨接续流，具有更大的灵活性，但也存在一些隐患：

①对于电池之间连接线或连接条造成的开路，同样无法保证电池组的开路续流；

②当蓄电池开路时，需要经过采集、判断、控制、动作等一系列流程后方可完成蓄电池组的续流，响应时间较长，很难做到使蓄电池组不间断对负载放电；

③蓄电池具备电化学特点，通过在线参数监测即判定蓄电池的好坏，既不科学，又存在误判的概率，将导致健康电池被短接的情况发生；

④开路电池被旁路时，如果未能及时调整充电电压，则使整组电池处于过充状态而加速劣化；

⑤整套设备组成复杂、数量庞大，自身故障的可能性也很大。

2 蓄电池开路续流应对的新思路

针对变电站蓄电池开路故障的危害性及传统应对方式的局限性，本文提出一种变电站蓄电池组开路续流应对的新思路，原理图如图4所示。在变电站两个独立的直流系统母线之间接入新蓄电池开路续流装置，当一侧直流系统出现蓄电池开路且交流电失电时，由另一端直流系统无缝供电，达到蓄电池组开路续流的效果。

图4

2.1 新思路的实现原理

目前变电站中大多有两个相互隔离的直流系统，在母联刀闸未连接的时候，两个直流系统相互独立运行。将本文中的新蓄电池开路续流装置两侧各自接入变电站两个直流系统母线，一旦某侧母线失压，则DC/DC模块自动起动，由另一端直流系统提供备用供电，维持故障侧负载的供电。

若新开路续流装置检测到故障侧母线失压时伴随着大电流冲击，则判断该直流系统发生短路故障，并通过调节模块停止通过DC/DC模块进行备用供电，防止事故扩大。

由于新开路续流装置的接入，相当于在两个直流系统之间架起了一座可以调节高度的直通桥梁，能够快速响应并向对端直流系统输出紧急备用直流电，达到无缝供电的目的。再者，装置实现物理隔离式双向DC/DC输入输出，可以保证直流系统之间的独立性，以免产生环流现象，大大提高了整个变电站直流系统的安全性和稳定性。并且因为设备可以安装在19in标准机架内，不占用多余的空间，也不影响蓄电池组的固有接线方式。

2.2 不间断续流测试验证

为验证新蓄电池开路续流装置在变电站直流系统之间可以进行无缝供电，在实验室搭建两个各自独立的直流系统，命名为直流系统A、直流系统B，两个直流系统均包含充电机、蓄电池组及负载。

模拟演示之前，直流系统A母线电压为235V，负载电流为18.5A，蓄电池开路续流装置设置直流系统B对直流系统A的续流输出电压为204V。随后，先断开直流系统A中充电机与蓄电池组的连接开关，接着断开直流系统A中交流输入开关，用示波器观察直流系统A母线上的电压变化，如图5所示，最大压降小于5V，能够满足对直流负载的不间断供电需求。

图5

通过上述实验模拟一侧直流母线失压、对端母线启动备用供电时，失电侧母线电压的变化情况，为直流系统之间无缝备电可行性提供了充分的证明材料，也验证了该新思路能够完美应对变电站蓄电池组开路及直流系统交流输入失电的双重故障。

3 结论

针对变电站蓄电池存在的开路问题，本文提出一种新的蓄电池开路续流应对思路，使两段直流母线之间相互备用，提高变电站蓄电池以及整个直流系统的安全性，降低因变电站的直流系统蓄电池开路导致的失电风险，比现有技术具有较大的优势。