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: 2017-10-29 02:11:06 | : 760

摘 要 阀控铅酸蓄电池的维护与故障预防,消耗了运维人员大量精力与费用。本文结合阀控铅酸蓄电池故障机理,分析现行电池监测和维护方法存在的问题。利用电池单体在线监测系统,通过对于单体电池阻抗的测量及蓄电池相关参数综合分析,提高电池组安全性、有效降低运行维护工作量。本文分析了基于蓄电池阻抗测试的在线监测系统的有效性、经济性和不足,并结合相关的测试数据探讨可替代全电池组容量试验方法。

关键词 阀控铅酸蓄电池 电池在线内阻/电压监控 故障预测 维护成本 有效性 经济性

前言

阀控铅酸蓄电池组(VRLA,以下简称蓄电池)是通信系统中采用最广泛的备用电源蓄电池,是UPS电源系统和通信电源系统在正常供电中断时稳定可靠运行的最后保障。 科学有效的维护是保障蓄电池系统稳定运行的关键。目前对于蓄电池的维护工作普遍存在维护工作不到位;流程复杂、针对性差;维护手段匮乏等问题。蓄电池系统已经成为电源系统中最不可靠的部分。在重大的电源事故中,由于电源自身故障引发的事故占10%、开关切换故障引发事故占20%,而其余70%的事故都是与蓄电池故障相关的。

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有效的监控和科学的维护对于提高蓄电池组稳定性至关重要。发现和解决蓄电池系统中的隐患、提高蓄电池组的安全性是目前对于蓄电池维护工作的重点。通过科学的指导,降低蓄电池维护工作的强度也是运维工作所追求的。

目前,大部分运营商普遍采用的蓄电池监控和维护的标准流程是:

▪ 现网电池浮充电压、浮充电流的日常巡检 (每月1次);

▪ 枢纽机房蓄电池组核对性放电试验,放出容量的30%~40%(每年1次);

▪ 蓄电池全容量放电试验(每年1次)

▪ 有条件的地区对于部分UPS 电源和通信电源还配备了电压巡检设备,实时检测单体蓄电池电压、电池组电流和温度,并通过动力环境监控系统实现集中监控。

从实际效果来看,以上的维护措施并没有杜绝蓄电池故障的发生,甚至并没有实现大幅度提高蓄电池系统可靠性的目的。究其原因,应该主要在于以上措施缺乏足够的科学性和有效性。

科学、有效的蓄电池监测和维护手段应具有以下功能:

1、避免蓄电池故障特别是严重故障的发生。

保障蓄电池具有合理的容量和避免由于蓄电池严重劣化造成的爆炸和燃烧是对于蓄电池日常维护工作的重点。由于蓄电池的容量损失造成的电源系统整体备用时间不足是目前比较普遍存在的现象。蓄电池的热失控现象是非常危险的故障,一旦发生蓄电池的爆炸和燃烧所造成的损失和危害将是非常巨大的。蓄电池的热失控现象往往发生在具有严重劣化的蓄电池上。

2、能够简化蓄电池维护的流程和降低维护工作量。

对于电源系统的维护工作中,最消耗时间和精力的部分就是对于蓄电池的检测和维护。有效的蓄电池监测和维护手段应该能大大降低蓄电池日常维护工作量。借助于有效的监控,能够直观了解各单体电池的使用状态和劣化状态,使维护工作做到有的放矢。

3、能使蓄电池达到设计要求的使用寿命,降低蓄电池更换成本。

结合以上三个方面,本文将对现有的维护手段进行分析,结合现场测试数据,探讨通过在线单体电池阻抗测试和分析技术,提高蓄电池维护科学性和有效性的方法。

 

阀控铅酸蓄电池维护测试方法

1) 传统的蓄电池维护方法

国际电工学会铅酸蓄电池检测和维护规范IEEE1188-1996中对于蓄电池维护规定,对于铅酸蓄电池的维护应做到以下4点:实时、准确的单体蓄电池电压、电池组电流和环境温度的监控;每月1-2次的单体蓄电池内阻测试并跟踪蓄电池内阻变化趋势;每年2次的核对性放电;对现场使用时间超过2年的蓄电池,应做到每3个月进行一次核对性放电。

该标准在提高了蓄电池系统的稳定可靠性的同时,也大大提高了对于蓄电池日常维护的要求,很难在我们的日常维护中得到充分的执行。结合我们自身的实际情况,大部分运行维护工作采用了相对简化的维护流程:

▪ 现网电池浮充电压、浮充电流的日常巡检 (每月1次);

▪ 枢纽机房蓄电池组核对性放电试验,放出容量的30%~40%(每年1次);

▪ 基站电池全容量放电试验(每年1次)

简化了的维护流程在降低了蓄电池维护工作量的同时,也提高了蓄电池组的安全隐患。即便是按照简化后的流程执行,对于蓄电池的日常巡检和定期放电仍需要大量的人力、物力才能完成。一年一次的全容量放电的测试密度仍然不能做到及时发现电池性能的劣化状况;进一步加大放电试验密度将使蓄电池维护所牵扯的人力、物力投入过大,缺乏可操作性;对于现网的数量庞大的蓄电池,缺乏系统性的运行性能统计、趋势分析、预警和质量管理的支撑平台,维护管理手段落后。维护工作缺乏主动性、预防性。『3』

 

2) 蓄电池运行参数监控

蓄电池运行参数包括蓄电池的单体电压;电池组电压、电流和环境温度等参数。目前,对于这些参数的测量主要依靠人工定期巡检和在线式电压检测仪来完成。电压、电流和环境温度是蓄电池的运行参数指标,也是蓄电池稳定运行的最基本的保障。保证蓄电池具有合理的电压和电流指标,是蓄电池系统稳定运行的前提。

恶劣的运行环境将大大缩短蓄电池的使用寿命,加大蓄电池的安全隐患。环境温度过高,会加速蓄电池失水,造成蓄电池失效加速。在35℃时运行蓄电池的劣化将加速一倍;在55℃时,对于蓄电池浮充一个月所造成的劣化相当于在25℃时浮充一年的等级。同样,过高的充电电压也将大大加速蓄电池的劣化速度。当充电电压或环境温度过低时,蓄电池的容量饱和度很难达到100%,也直接体现为蓄电池放电容量不足。过放电对于蓄电池的损害是非常大的。对于串联使用的蓄电池组,由于蓄电池个体之间的差异,放电过程中不同蓄电池达到终止电压的时间差异很大。电池组中的某些劣化蓄电池达到放电终止电压的时间往往大大提前于其他蓄电池。以电池组电压为单位计算放电终止电压,易造成蓄电池组中部分劣化蓄电池过放电甚至是深度过放电,加速蓄电池组中故障蓄电池的出现。放电过程中,当电池组中出现达到终止电压的单体蓄电池时应停止放电,而不是以电池组电压为参考标准。

但是,仅仅对于蓄电池的电压、电流和环境温度进行监测还无法达到有效维护蓄电池的目的。蓄电池运行环境参数监测的意义更多体现在对于蓄电池运行环境的合理性检测,而不是蓄电池故障的排查。性能很差的蓄电池在浮充状态时,端电压的变化并不明显,甚至有“浮充电压正常但放电时出现严重故障”的情况『1』。而等到蓄电池放电时发现异常,往往为时已晚。

 

3)蓄电池阻抗/电导在线监测

    蓄电池的阻抗/电导测试技术是目前国际公认的蓄电池故障快速检测方法,也是蓄电池在线监测管理的发展方向。该技术在民用中已经得到了较好的普及,对于手机电池和汽车电瓶的故障快速检测都是基于蓄电池的阻抗/电导进行判断的。在工业电源蓄电池检测领域中,除国际电工学会IEEE1188将蓄电池阻抗测试列为日常检测内容外,美国的TIA-92 (数据中心通用基础设施建设规范 2005年版)和我国的GB50174-2008(电子信息系统机房设计规范)也将蓄电池阻抗在线监测列为数据中心蓄电池的重要监测指标。

    目前采用的电池的内阻测试设备主要分为在线式与离线式两种。在线式测试系统,能自动化的、持续的监测各单体蓄电池参数,实现对于蓄电池的生命周期全过程管理。离线式测试系统(如手持式仪表),偏重于电池筛选过程,可确保电池使用前的一致性。从实现手段看,分为直流放电法和交流注入法。直流放电法(专利U.S.Patent No:5,744,962)通过对蓄电池瞬时大电流放电,并测试蓄电池端电压跌落获得蓄电池内阻数据。交流注入法采用,向蓄电池注入一定频率的交流信号实现阻抗的测试。

    关于蓄电池的阻抗和电导的区别一直以来有一定的争论。国际电工学会对于蓄电池的阻抗和电导的测试方法进行了如下的定义:将已知频率的恒定电流注入到蓄电池,通过对蓄电池端电压反馈进行测试,获得的数据为蓄电池的阻抗;将已知频率和振幅的交流电压加到电池的两端,测量所产生的电流,获得的数据为蓄电池的电导。即通过施加恒流信号,测试蓄电池电压反馈的方法为阻抗测试法;通过施加恒压信号,测试蓄电池电流反馈的方法为电导测试法。经过对于目前世界市场主流的蓄电池测试设备分析和比较,以MIDTRONIC、BTECH、GRANDPOWER等为代表的主流蓄电池监控设备生产厂家均采用恒流方式进行蓄电池的阻抗测试。也就是说,市场上主流的蓄电池阻抗测试设备,不管显示的是蓄电池的阻抗或是电导,实际上都是基于国际电工学会定义的蓄电池阻抗测试方法实现的。因此,目前对于阻抗/电导的提法,主要针对于采用直流大电流放电法测量蓄电池内阻而提出的。蓄电池的阻抗/电导测试的实质是针对于蓄电池在一定频率下复频阻抗的测量,除了应体现蓄电池内阻的欧姆内阻之外,还要综合考虑蓄电池的极化内阻等复频阻抗。在很多研究方法中『3』,采用下图作为电池阻抗分析的等效电路。从等效电路,能够看出对于蓄电池进行复频阻抗综合分析而不是单纯的内阻分析的必要性。

电池内阻等效电路模型.jpg

图2:电池内阻等效电路模型


图3中Lp、Ln为正负极电感;

Rt.p和Rt.n是电极离子迁移电阻;

Cdl.p、Cdl.n是极板双电层电容;

Zw.p、Zw.n为Warburg阻抗,是由离子在电解液和多孔电极中扩散速度决定的;

RHF为上文提到的欧姆电阻。

阻抗测试技术虽然被大多数人认可,但是在产品化的过程中也存在一些不足。通过对于目前市场中的蓄电池阻抗的监测设备的综合分析。我们也发现了一些问题:

1、 各厂家设备测量出的参数不相同。由于各厂家采用的信号频率存在差异,采用不同厂家的设备测量相同状态下的蓄电池时,显示的内阻值不相同,甚至存在较大的差异。

2、 阻抗数据非常抽象,需要使用者具有一定的专业知识才能进行判断。很少有厂家能够提供严谨、完整的判断标准

3、 部分厂家的测试结果与蓄电池实际容量劣化状态相关性差。由于缺乏有效的界定标准,很难判断某些设备阻抗数据的真实性。

针对以上问题,以下一些判断标准可以作为评价阻抗测试设备的关键:

    能否通过该设备提供的阻抗数据发现严重劣化蓄电池?作为故障蓄电池的快速检测方法,有效的测试设备应该能够准确检知蓄电池组中的严重劣化蓄电池。 能否通过设备提供的阻抗数据发现早期劣化蓄电池? 当蓄电池处于早期劣化状态时,其阻抗的变化率将大大提高。通过连续、有效地监控应能够发现蓄电池组中的早期劣化蓄电池。 通过该技术测试获得的蓄电池阻抗与容量的相关性如何?蓄电池的阻抗和容量的关系是离散相关的。有效的阻抗测试设备提供的阻抗数据,对于早期劣化蓄电池识别的准确性应该能达到80%以上;对于严重劣化蓄电池或故障蓄电池应达到95%以上。 依照监控厂家提供的标准是否能够达到以上3点要求? 设备的生产厂家应能提出一套完整的蓄电池劣化判断标准,而不是简单提供阻抗数值。

4)蓄电池阻抗在线监测系统实例

以下列举了一些采用巨成科技GRANDPOWER U400系列UPS蓄电池监测管理系统SUM系列通信电源监测管理系统的现场应该用实例,说明并验证各种典型状态下蓄电池阻抗与容量的关系。

l 蓄电池组中故障蓄电池的识别

本组电池为300AH蓄电池,共24只,单体2V。通过浮充内阻数据能够发现,蓄电池组中第15号蓄电池的浮充内阻明显高于其他蓄电池,超过正常值 40%,应属劣化较严重的蓄电池。内阻分布图如下所示:

各单体电池浮充阻抗分布.jpg

图3:各单体电池浮充阻抗分布

    采用40A对标称容量300Ah的蓄电池进行放电,放电4小时后,第15号蓄电池端电压为1.856V,低于其他蓄电池70-100mV。该蓄电池容量不足70%,属于故障蓄电池。下图为放电终止时各单体电池端电压分布。

各单体电池放电电压分布.jpg


图4:各单体电池放电电压分布

 

1 蓄电池组中部分劣化蓄电池的识别 
500AH蓄电池共24只,单体2V。通过浮充数据发现其中有3只蓄电池内阻与蓄电池组中其他蓄电池存在一定偏差。


图5,用浮充内阻判断出3只电池内阻偏离.jpg

图5,用浮充内阻判断出3只电池内阻偏离



三只内阻异常电池与正常电池(No.11,绿色)放电曲线对比.jpg

图6,三只内阻异常电池与正常电池(No.11,绿色)放电曲线对比

l 容量严重劣化的蓄电池组 
UPS蓄电池单体12V,每组24只,2组并联共48只。以下数据为该组蓄电池在更换前测试获得的,该组电池已不具备放电能力。从数据中可以看出,由于蓄电池组的严重劣化,电池组中各单体电池在阻抗数据上偏差非常大。另外,在浮充电压的均衡性上也存在较大的差异。


实测数据.gif


l 实例分析

通过以上的测试实例可以看出,当同组中个体蓄电池的阻抗超过正常值40%时,一般可认定为故障蓄电池,应及时更换。当蓄电池阻抗超过正常值20%以上时,应密切关注。故障蓄电池组的典型表现是电池组中各单体电池阻抗分布不均匀。在严重劣化的蓄电池组中,各单体电池的浮充电压表现也是不均衡的。

以上实例中只是列举了部分时间点的阻抗测试数据,通过连续的跟踪测试,能大大提高阻抗与容量的相关性和分析的准确性。另外,在不具备阻抗测试条件的场合应密切关注蓄电池组中各单体电池浮充电压的均衡程度,及时发现存在严重故障的蓄电池组。

蓄电池在线阻抗测试技术的经济指标

电池单体阻抗/电压测试系统的经济性,是除安全性之外运维工作的第二项主要要求。通过有效的蓄电池阻抗监测的引入,能够大大降低蓄电池维护的工作量与成本。

1) 电池单体内阻监测对运维成本的节省

在部分基站的测试中,初步测算,对蓄电池组采用在线内阻/电压检测系统后,可减少维护人工、物料成本60%『4』。

浙江移动的研究『3』表明,电池电导在线监测系统,能够帮助维护人员快速发现故障电池,全面、及时掌控电池组的实际运行状况,从而彻底改变传统的电池维护测试模式,有效提高维护管理效率60%以上。

2) 电池单体内阻监测对电池更换的成本节省

在传统的电池运维方法中,定期按规范对电池组进行放电以核对容量。当放电容量小于设计容量的80%时候,通常采取电池组整组更换的方法。而电池组放电容量下降主要的罪魁祸首是少数的弱化、落后电池,而整组电池的报废与更换,无疑浪费了“好”电池,增加了用户的成本投入,导致全社会的浪费,也与当前节能减排工作背道而驰。

有运营商对电池电导检测『3』,可实现相对准确地掌控电池组中每个单体的容量范围,避免电池的盲目报废,预计可使电池报废数量降低30%以上,节能减排效益明显。

3) 电池单体内阻检测系统的投资回报ROI

管理者通常关注的是资本回报或投资回报ROI(Return of invest)。

早期的电池单体内阻检测系统昂贵,今天仍有不少国外品牌价格高昂,他们通常一套电池单体内阻监控系统,其价格远比被监测的电池组贵,所以投资回报ROI通常为5~8年(按简单回本期计算)『4』,其经济性是比较差的。

最新的电池单体内阻检测系统成本大幅下降,当然不同厂家的不同系统的投资回报有一定差异,但是不少性能优异的厂家,其ROI已经降到1.5~3年(按简单回本期计算),部分系统已经降低到1.5~2年回报,已完全具备大规模应用的条件。

参考文献:

『1』 刘希禹 《阀控铅酸蓄电池的监控和故障预测》

『2』 朱松然 《铅蓄电池技术》

『3』 浙江移动 《电池容量与电导(内阻)咬合度研究报告》

『4』 北京巨成测试与试验数据


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