深圳地铁2号线供电系统用蓄电池故障分析及对策研究

许宁宁

摘 要：深圳地铁2号线供电系统用蓄电池在运行中多次发生核对性放电容量不足的故障，严重影响了直流系统的安全运行。本文旨在揭示蓄电池内阻和故障的关系，针对不同故障机理制定相应的应对策略，确保蓄电池稳定运行，此举对供电系统稳定运行有重要意义。

关键词：蓄电池；内阻；故障分析；策略

0引言

我们知道，由蓄电池组成的直流电源系统在供电系统中占用至关重要的位置，当直流屏由于交流输入中断或充电机故障等原因导致无法输出直流电源时，蓄电池可以不间断地给变电所内1500V直流开关柜保护装置，断路器操作机构提供直流电源，如果蓄电池链路出现故障，将可能导致保护装置失电而造成保护误动，甚至造成断路器跳闸，危机行车安全，故蓄电池可靠性至关重要。

深圳地铁2号线供电系统用蓄电池分为首通段（赤湾—世界之窗、蛇口西车辆段、后海主所，共计15组）和东延段（侨城北—新秀，后海停车场，共计18组）两期供货，蓄电池全部采用阀控式铅酸蓄电池。其中首通段15组蓄电池自2010年12月投运后的3年时间里，有14组在核对性放电试验（1年检）中发现了故障电池，故障占同批供货蓄电池比重为93.3%。本文旨在就2号线蓄电池揭示内阻和故障的关系，通过深入分析其故障机理，制定相应对策，延长电池使用寿命。

1 蓄电池的性能检测方法

蓄电池在使用中无法判断其现有容量，内部是否失水或干裂，只有通过核对性放电，才能判断蓄电池的运行状态是否正常。当今监测铅酸蓄电池性能的方法有核对性放电法（即负荷测试法）和内阻测试法。核对性放电法是检验蓄电池性能最可靠的方法，可对蓄电池单节及整组进行100%的全面检查，不足之处是操作麻烦，充放电时间较长，因蓄电池已放出部分容量，存在放电时直流系统不可靠引发系统事故的风险，还存在电能浪费的问题。这里推荐一种新的测试方法——内阻测试法，通过测量蓄电池内阻来判定蓄电池运行状态。实验表明，如果单体蓄电池的内阻增加到一个经验数值，这个电池就不能放出应有容量了，故可以作为核对性放电法的廉价补偿或替代手段。以下介绍内阻测试法应用实例。

2号线蛇口西车辆段采用型号为12-135阀控铅酸蓄电池：额定电压为12V，额定容量为120Ah（10小时率），19节组成1组，单体浮充电压采用2.23～2.28V/2V，25℃取2.25V，均衡充电2.3～2.4V/2V，25℃取2.35V，即12V电池正常浮充电压为13.5V（2.25*6），整组电池浮充电压为13.5V*19=256.5V。根据电力行业标准《DLT 724-2000电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程》（以下简称《规程》），在2013年5月对该组蓄电池进行内阻测试及核对性放电试验（1年检）。试验数据见表1所示。

内阻测试法测试蓄电池性能可以结合两个指标：电池在线内阻、电池浮充端电压。从表1中可以看出，4、5、8、9、17#电池在放电前在线测试内阻分别为：28.38 mΩ、34.26 mΩ、22.72 mΩ、7.376 mΩ、8.119 mΩ；经查阅厂家新电池出厂内阻基准值为3.3mΩ。经过2年多的运行，电池内阻逐渐升高，但也都在平均值5.374mΩ左右（正常电池平均值），而该5节电池内阻分别已经超标准值428%、538%、323%、37%、51%。由于不同的蓄电池厂家生产技术水平、制造工艺不同，故生产的蓄电池的内阻初始值都不尽相同，也就无法采用一个内阻绝对值来断定电池的性能，但是根据经验，蓄电池寿命终止时的内阻值一般比初始值增加25%以上，该5节电池浮充电压分别为：12.94V、12.54 V、12.26 V、12.64 V、12.99 V，全部低于正常浮充端电压13.5V。根据《规程》中规定12V电池运行中电压偏差值≦0.3V，端电压低于13.2V（13.5V-0.3V），说明电池欠充可以导致电池内阻增大，机理如下：

阀控式铅酸蓄电池铅酸电池的化学反应如下：

放电时正极板上的活性物质二氧化铅（PbO2）和负极板上的活性物质海绵状铅（Pb）与电解液中的硫酸（H2SO4）发生反应变成硫酸铅（PbSO4）；充电时变成硫酸铅的正负两极活性物质将反应，失去硫酸根，分别变成海面状铅及二氧化铅，反应可逆。蓄电池正常运行在1～3mA/Ah的浮充状态，以补充蓄电池的自放电，使其保持在满容量状态。当加在蓄电池两端的电压低于13.5V时，蓄电池长期欠充电，浮充电不能抵消电池的自放电，一部分活性物质转化为硫酸铅（极板硫酸盐化），涂膏的电阻增大导致电池内阻增大。

初步测试该5节电池内阻已超过平均值25%，特别是4、5、8#电池超标严重，基本上可以判断蓄电池已经放不出额定容量了。进而继续进行核对性放电试验进行验证，根据《规程》单组电池只能用I10电流以恒流放出额定容量的50%，在放电过程中，蓄电池组端电压不得低于2V×N。4、5、8#电池放电不到5h后电压降至10.49V、9.855V、9.56V。低于截至电压10.8V，该三节电池容量已失效，为故障电池。9、17#电池放出50%容量电池端电压分别降至12.02V和12.13V，满足端电压不得低于12V（2V×6），但由于内阻偏高，说明电池已逐渐老化，应对电池进行充放电活化处理。

根据行业经验，当故障电池累计数量达到整组电池的25%时，应安排整组更换。更换整组电池为新的电池组后，相关内阻、电池端电压以及50%容量放电试验数据如表2所示：

由表中可见，各节蓄电池内阻都在新电池基准值3.3mΩ～3.9mΩ之间，平均内阻值为3.82mΩ，浮充电压约为13.5V，经50%容量放电各节电池端电压在12V以上，各项参数满足正常要求，蓄电池运行正常。

2 蓄电池工况与内阻

（1）蓄电池老化与内阻。蓄电池内阻的大小也表示蓄电池的老化程度。蓄电池老化过程与构成蓄电池的材料和部件在蓄电池设计条件下损坏的速率有关。蓄电池的老化过程非常缓慢，其老化的标志是内阻增加和容量的降低。当蓄电池容量降低至80%以下时，其老化速度加快，所以规程规定当蓄电池容量降至80%以下时其寿命终止，应整组更换。蓄电池寿命终止时的内阻值一般比平均值增加25%以上。

（2）温度的影响。主要高温导致水的蒸发，硫酸溶液黏度变化，造成内阻升高。

（3）充放电过程的影响。电池充电过程中内阻减小（生成硫酸），放电过程中内阻增加（生成硫酸铅），同时与放电电流大小有关。

（4）浮充电与内阻。大量故障表明，单体电池故障，其内阻增大，浮充电压上升，但内阻增大与浮充电压上升不是同时发生的，内阻增大发生在浮充电压上升的前一段时间。蓄电池内阻从正常值变化到比基准值（初始值）大60%，一般要经历较长时间（几个月），当内阻比平均值增大25%就说明蓄电池已有严重故障，而此时浮充电压仍保持正常状态。所以检查蓄电池内阻可以较早发现故障电池。

3 2号线蓄电池故障现象及对策分析

3.1故障现象：浮充电时，电池电压偏差较大、内阻较高。

根据《规程》中规定12V电池运行中电压偏差值应小于0.3V ，即不能超出13.2V～13.8V范围。异常情况如表3所示。

1、造成原因：蓄电池制造过程分散性大，工艺存在缺陷（质量问题），电池运行一定时间后内阻不均衡，内阻大的电池端电压大（如1、2#电池），容易过充（≥13.8V）导致极板活性物质松动造成容量失效；内阻小的电池端电压小（如5、8、13、14#电池），电池欠充（≤13.2V），浮充电不能抵消电池的自放电，造成极板硫酸盐化导致内阻增大；充电机输出电压低于256.5V（13.5V*19节），造成电池欠充；更换的备用电池存放时间长，又没有按规定补充电，造成换上去后电池电压、内阻偏差较大。

2、处理方法：

（1）如果属于电池质量问题，应要求更换不合格电池。（2）保持环境温度在恒温25℃，正确设置充电装置充电参数，浮充电压取2.25V，均充电压取2.35V。（3）在蓄电池月检中，对蓄电池浮充电压偏差超13.2V～13.8V，应加强均衡充电（不少于5个小时），隔1周再均充1次，每月均充两次，若压差未得到改善，则更换电压偏低电池。（4）每年对蓄电池进行一次50%深度核对性放电，以消除极板硫化，保持蓄电池电气最佳性能。（5）蓄电池内阻在正常情况下若超出整组电池内阻平均值的+25%，则进行充放电活化及性能测试。（6）电池存放问题。应按说明书要求定期对备件电池进行补充电（均充标准，25℃取2.35V），当25℃时储存6个月补充电一次，对未激活的备用电池全容量反复充放2～3次，减少电压偏差值。

3.2核对性放电时，蓄电池放不出额定容量。

1、造成原因：蓄电池长期欠充电，浮充电压低于2.23～2.27V；电池放电后没有立即充电，造成极板硫化。

2、处理方法：

（1）浮充电运行时，充电机浮充电压设置为2.25*6*19=256.5V，均充设置为2.35*6*19=268V。（2）避免深度放电。根据国标，有两组电池可以进行全核对性放电，1组电池以I10放出额定容量50%。（3）对核对性放电达不到额定容量的蓄电池，应反复充放2～3次，容量可以恢复，若容量仍达不到额定容量的80%，应更换电池组。

3.3运行中浮充电压正常，但一放电，电压很快下降到终止电压值。

1、造成原因：蓄电池内部失水干涸，电解质变质。

干枯是阀控密封蓄电池所特有的最严重故障。正常浮充时，正极产生的氧气穿过隔板和负极的活性物质海绵状铅发生反应生成水。如果室温过高，外壳隔热性不好，加之大量过充或浮充电压过高，就会导致充电电流增大，热量增大不能及时散掉，温度继而升高又导致电流增大（热失控现象），过高的温度加速水的分解，气体从安全阀逸出，造成电解液减少或干枯，内阻增大，端电压增大，这种电池可能在浮充时端电压正常，可能一经放电就很快下降到终止电压。

2、处理方法：更换故障电池。

4 2号线蓄电池隐患整改效果

2号线蓄电池缺陷整改及整改后运行情况见表4所示：

5 结语

蓄电池寿命终止时的内阻值一般比平均值增加25%以上，故测试电池内阻可以较早发现故障电池。测试法可以作为核对性放电法的廉价替代手段，在蓄电池巡检中应间隔一段时间（如每月）实测蓄电池端电压及内阻，结合这两个指标判定电池性能，可以及早发现电池的运行趋势并判断电池性能，必要时加强均充，提高电池性能，以延长蓄电池的使用寿命。

参考文献

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