Оценка технического состояния аккумуляторных батарей электростанций и подстанций в процессе эксплуатации[i]

Гусев Ю. П., канд. техн. наук, МЭИ(ТУ),

Дороватовский Н. М., магистр техн. наук, АО "ЭЭСТИ ЭНЕРГИЯ"

Поляков А. М. , канд. техн. наук МЭИ(ТУ)

Более чем у половины из установленных на электростанциях и подстанциях России аккумуляторных батарей (АБ), срок службы превышает 20 лет. И, хотя известны отдельные случаи сохранения аккумуляторами типа СК работоспособности в течение 40 лет, большая часть старых батарей находится в неудовлетворительном состоянии. Такое положение неблагоприятно сказывается на надежности и живучести объектов и систем электроэнергетики, непосредственно зависящих от технического состояния основного автономного источника оперативного постоянного тока – аккумуляторной батареи. К сожалению, в отечественной энергетике мало внимания уделяется диагностике АБ и их своевременной обоснованной замене. В данной статье рассматриваются некоторые аспекты этой проблемы, анализируется опыт диагностики АБ в России и Эстонии.

По существующим нормам [1], основными критериями технического состояния АБ являются ее фактическая емкость и величина снижения напряжения на элементе АБ, при протекании толчковых токов. Проблема заключается в том, что измерение емкости АБ требует больших затрат времени и приводит к снижению надежности системы оперативного постоянного тока во время проведения испытаний, особенно на тех подстанциях на которых нет резервной АБ. Измерение величины снижения напряжения на АБ при протекании толчкового тока требует меньших затрат времени, но не обеспечено необходимым, серийно выпускаемым измерительным оборудованием.

По сути, величина снижения напряжения на элементах АБ при протекании толчковых токов, определяется внутренним сопротивлением элементов. Известно, что емкость АБ связана с ее внутренним сопротивлением и, получив опытным путем значение внутреннего сопротивления, можно оценить и емкость АБ. Так, если внутреннее сопротивление АБ увеличилось в 2 раза, то можно утверждать, что емкость АБ уменьшилась в 2 раза [2]. За рубежом, в частности, в Эстонии, накоплен положительный опыт диагностики АБ на основе применения специализированных устройств, измеряющих внутреннее сопротивление АБ на переменном токе. Их использование позволяет своевременно выявлять дефекты АБ и предупреждать аварии с тяжелыми последствиями. Обследование АБ производится регулярно, как правило, ежегодно. Измеряются и фиксируются в компьютерных базах данных напряжения и внутренние сопротивления каждого элемента батареи. Результаты текущих измерений сопоставляются с результатами измерений предыдущих лет и принимаются решения о необходимости ремонта или замены аккумуляторов. Особенно важно, что измерения делаются без вывода батареи из работы и на обследование одной батареи напряжением 220 В требуется не более чем 1,5 часа. На рис. 1 приведены результаты обследования АБ типа СН-180, югославского производства, находящейся в эксплуатации с 1991 г.

Рис. 1. Результаты измерения напряжения (правая ось, В) и внутреннего сопротивления (левая ось, мОм) элементов батареи (нижняя ось) СН-180 в 1999 – 2001 годах.

Регулярность измерений обеспечивает возможность прогнозирования выработки ресурса АБ и планировать ее замену заблаговременно. Считается, что за 1 год сопротивление АБ, при правильной эксплуатации, должно возрастать, исходя из срока службы в 15 лет, не более, чем на 6-7%. Если скорость увеличения сопротивления элементов превышает ожидаемую, то анализируются условия эксплуатации АБ, нагрузка, подзаряд и пр. Элементы АБ, сопротивление которых отличается от среднего, вычисляемого для всех элементов, более чем на 10% подвергаются тренировочному заряду, а, если он не дает нужного эффекта, считаются неисправными и нуждающимися в ремонте. Тренировочный заряд проводится не всех элементов АБ от штатного зарядно-подзарядного агрегата, а индивидуально, только тех элементов, которые в этом нуждаются, от переносного зарядного устройства.

При обследовании АБ кроме внутреннего сопротивления ее элементов измеряются сопротивления и межэлементных соединений. Это позволяет своевременно выявлять характерные дефекты, обусловленные коррозией токовыводов аккумуляторов.

Измерение сопротивления АБ на переменном токе проще измерения сопротивления, базирующегося на создании толчкового тока. В простейшем случае достаточно иметь трансформатор, конденсатор и ограничительный резистор, обеспечивающие протекание тока порядка 10 - 20 А от сети 0,4 кВ, и милливольтметр для измерения переменной составляющей напряжения на элементах АБ. Протекание по АБ переменного тока в течение 1,5 часов, необходимых для замера напряжения на всех ее элементах, менее вредно, чем многократное протекание толчкового тока, силой сотни ампер. При этом, вместо заурядного милливольтметра, для измерения кратковременного снижения напряжения на элементах потребуется регистрирующий вольтметр.

Однако, измерение внутреннего сопротивления АБ на переменном токе имеет существенный недостаток. Измеренное сопротивление содержит не только активную составляющую, но и реактивную, как это следует из схемы замещения, синтезированной на основе частотных характеристик аккумулятора, полученных опытным путем, рис. 2. Следовательно, сопротивление, полученное одночастотным методом измерения на переменном токе, не будет равно интересующему нас активному сопротивлению аккумулятора, определенному на постоянном токе. И даже при наличии частотной зависимости (за исключением очень низких частот менее 1 – 3 Гц) переход к сопротивлению на постоянном токе весьма затруднителен в силу специфики электрохимических процессов. Следовательно, такие измерения могут применяться лишь для оценки тенденций изменения технического состояния аккумуляторов. Измеренные на переменном токе сопротивления без специального пересчета несопоставимы с каталожными значениями внутреннего сопротивления АБ, табл. 1.

Второй фактор, снижающий ценность результатов измерения внутреннего сопротивления на переменном токе заключается в использовании тока малой амплитуды, что не обеспечивает отстройку от крайне нелинейного начального участка ВАХ аккумулятора.

Следовательно, полученное в результате измерений на переменном токе внутреннее сопротивление АБ не может использоваться для определения величины тока короткого замыкания и оценки чувствительности и селективности защитных аппаратов сети постоянного тока, а также обеспечения требуемого уровня напряжения у потребителей постоянного тока при толчках нагрузки.

Государственный стандарт [3], соответствующий рекомендациям МЭК, предусматривает определение внутреннего сопротивления аккумуляторов по двум значениям разрядного тока и напряжения. При этом разрядный ток первой ступени выбирается в зависимости от тока десятичасового режима разряда и равен (4 – 6) I₁₀, напряжение регистрируется на 20 секунде разряда. Ток второй ступени выбирается из расчета (20 – 40) I₁₀, напряжение регистрируется на 5 секунде разряда. Далее линейной экстраполяцией определяются расчетная ЭДС и ток короткого замыкания аккумулятора. По полученной ВАХ легко определить внутреннее сопротивление аккумулятора.

Рис. 2. Схема замещения, определяющая внутреннее сопротивление аккумулятора

Таблица 1

Внутренние сопротивления АБ, вычисленные по каталожным данным и измеренные на переменном токе

Тип	Кол-во элементов	Год ввода	Rрасч, мОм	Rфакт, мОм по годам
				1997	1998	1999	2000
СК-4	108	1978	135	159,61	161,42	167,96	169,95
CK-5	120	1989	120	161,97	165,44	169,20	171,78
CK-6	113	1994	94	122,42	124,12	135,95	142,86
CK-8	108	1983	67,5	79,894	82,423	84,808	104,28
СК-8	129	1981	80,2	100,41	102,61	104,40	106,11
СК-2х10	242	1959	60,5	79,063	82,219	82,525	81,179
CК-14	108	1982	38,6	36,812	38,618	42,699	50,294
CH-180	106	1991	106	80,200	86,021	83,873	90,154
CH-288	108	1979	67,5	77,564	79,164	80,958	82,742
CH-216	55	1987	45,8	50,010	57,591	59,866	81,561
СН-144	106	1989	132,5	96,510	101,78	104,05	111,10
СН-1152	130	1989	20,3	24,784	25,092	25,869	26,283
СН-864	105	1991	21,9	26,129	27,891	30,891	32,525
СН-72	106	1991	263	201,20	207,22	260,95	347,54
6OpzS-300	120	1996	84,1	62,704	62,099	63,459	400,47
6OpzS-300	130	1997	91,1	49,976	49,552	40,920	39,751
12OpzS-1200	130	1995	27,9	28,618	28,885	28,441	28,221
А-600	120	1997	-	77,425	71,896	68,662	69,022
ТХЕ-225	108	1994	-	82,610	67,988	79,777	79,249

Содержащиеся в ГОСТ рекомендации трудно осуществить в условиях работающих электроустановок оперативного постоянного тока. Основная трудность состоит в обеспечении длительности второй ступени разрядного тока, в особенности на аккумуляторных батареях большой емкости. Уставки головного защитного аппарата щита постоянного тока (ЩПТ), как правило, ниже силы разрядного тока второй ступени. Кроме того, напряжение у потребителей при протекании тока второй ступени может оказаться ниже допустимого уровня. Таким образом, проведение испытаний АБ по ГОСТ требует вывода ее из работы.

В МЭИ(ТУ) для измерения ЭДС и внутреннего сопротивления АБ был разработан специальный программно-технический комплекс, обеспечивающий выполнение требований ГОСТ Р МЭК 60896-2-99 без вывода АБ из работы [4,5]. Он формирует двухступенчатый импульс разрядного тока с длительностью ступеней единицы - десятки миллисекунд. При этом головной защитный аппарат не отключается и кратковременное снижение напряжения на шинах ЩПТ не успевает повлиять на работу потребителей постоянного тока.

Рис. 3. Осциллограммы тока и напряжения при двухступенчатом разряде АБ

На рис. 3 приведены осциллограммы тока и напряжения при работе измерительного комплекса. Видно, что установленная продолжительность импульсов толчкового тока обеспечивает отстройку от переходных процессов, обусловленных индуктивным характером цепи. Первая ступень импульса разрядного тока обеспечивает выход из участка ВАХ с большой нелинейностью. Сила тока второй ступени устанавливается в соответствии с требованиями ГОСТ.

Для поэлементной диагностики АБ используется устройство, работающее по принципу пикового вольтметра, фиксирующего величину снижения напряжения на каждом аккумуляторе при протекании по АБ короткого импульса тока. Результаты измерений автоматически считываются компьютером через мультиплексор с аналого-цифровым преобразователем и обрабатываются программным способом.

Для сопоставления результатов, получаемых по предложенному методу и по методике ГОСТ, была использована математическая модель свинцово-кислотного стационарного аккумулятора [6]. Установлено, что расхождение в определении ЭДС практически одинаково для различных типов стационарных свинцово-кислотных аккумуляторов и не превышает 0,3%. Расхождение по величине внутреннего сопротивления зависит от значения номинального внутреннего сопротивления и ЭДС поляризации. Так для аккумуляторов типа СК расхождение не превышает 4,6%, а для аккумуляторов с пластинами GroE, имеющими меньшее номинальное внутреннее сопротивление, расхождение может достигать 8,9%, но это расхождение является предельно возможным для аккумуляторов, применяющихся на электростанциях и подстанциях.

Расчетно-теоретическим путем получена формула, позволяющая скорректировать результаты испытаний АБ короткими импульсами толчкового тока, привести их к условиям ГОСТ:

, Ом

где В – коэффициент, для большинства стационарных свинцово-кислотных аккумуляторов равен 0,00418 Ом/с^-1/2 при 25 °С.

Измеренное внутреннее сопротивление заряженного аккумулятора, приведенное к температуре 25 °С, позволяет оценить его емкость по формуле:

С = r_{уд кат} / R_вт,0.

Результаты теоретических исследований были подтверждены экспериментально, при исследовании новой АБ с пластинами GroE. По результатам испытаний получено начальное внутреннее сопротивление заряженного аккумулятора, приведенное к номинальным условиям на 6% меньше каталожного.

Предложенный короткоимпульсный метод определения параметров АБ имеет следующие преимущества:

- нет необходимости выводить АБ из работы;

- кратковременное снижение напряжения при испытаниях не сказывается на работе устройств релейной защиты, автоматики и других потребителях постоянного тока;

- разрушающее действие испытаний на АБ минимально;

- сопоставление результатов измерения внутреннего сопротивления АБ с внутренним сопротивлением новой АБ, приведенном к условиям измерения, позволяет оценить фактическую емкость АБ на момент измерения;

- значение внутреннего сопротивления, измеренное короткоимпульсным методом может непосредственно использоваться для расчета коротких замыканий, время-токовые характеристики АБ, получаемые короткоимпульсным методом близки к время-токовым характеристикам защитных аппаратов, используемых в электроустановках оперативного постоянного тока.

Расчет тока в начальный момент короткого замыкания в цепи АБ, с номинальной емкостью С можно осуществлять по формуле:

,

где n – количество последовательно включенных аккумуляторов;

E – расчетное значение ЭДС аккумулятора, учитывающее спрямление начального участка вольтамперной характеристики, В; k_R – коэффициент увеличения сопротивления; r_уд – удельное внутреннее сопротивление заряженного аккумулятора при 25 °С, Ом·А·ч; R_вш – сопротивление внешней цепи, Ом.

Значения r_уд для конкретного типа АБ можно получить из паспортных или каталожных данных. В табл. 2 приведены параметры АБ разного типа, необходимые для расчета коротких замыканий.

Таблица 2.

Удельные сопротивления аккумуляторов и значения ЭДС для заряженного состояния, при температуре 25° С

Тип аккумулятора	Емкость, А*ч (10 ч)	ЭДС, В	rуд, мОм*A*ч
TPC15 – TPC45	1029 – 3234	2.05	407
TPC47 – TPC49	3381 – 3528	2.05	391
TPC51 – TPC55	3675 – 3969	2.05	364
TPC57 – TPC61	4116 – 4410	2.05	341
TPB17 – TPB21	200 – 250	2.05	165
TPB23 – TPB63	275 –775	2.05	179
TPA5 – TPA33	20 – 160	2.05	98
3GroE75 – 18GroE450	75 – 450	2.0	93
5GroE500 – 26GroE2600	500 – 2600	2.0	150
xOpzS200LA	200	2.05	254
xOpzS250LA	250	2.05	226
xOpzS300LA – xOpzS420LA	300 – 420	2.05	210
xOpzS490LA	490	2.05	229
xOpzS600LA – xxOpzS1200LA	600 - 1200	2.05	257
xxOpzS1500LA – xxOpzS2500LA	1500 - 2500	2.05	238
xxOpzS3000LA	3000	2.05	264
LTC	115 – 215	2.05	273
UTC	235 – 305	2.05	229
VTC	285 – 595	2.05	257
XTC	740 – 1140	2.05	301
YTC	600 – 1320	2.05	290
NTC	1435 – 3250	2.05	266
ZTC	1555 – 3510	2.05	271
6MLTC50	58	2.05	199
6MLTC100, 6MLTC150	100, 162	2.05	248
3MLTC200	200	2.05	255
3MLTC250	265	2.05	289
3MLTC300	300	2.05	271
OP3 – OP5	73 - 122	2.05	89
OP6 – OP9	146 – 219	2.05	103
OP10 – OP30	244 – 732	2.05	121
OPSE50 – OPSE100 (OPSEC)	50 – 100	2.05	89
OPSE150, OPSE200 (OPSEC)	150, 200	2.05	107
OPSE250 – OPSE650 (OPSEC)	250 – 650	2.05	131
Vb2305 – Vb2312	250 – 600	2.0	130
Vb2407 – Vb2420	700 – 2000	2.0	172
Vb12101 – Vb12106	18 – 108	2.0	97.6
Vb6114 – Vb6116, Vb4117, Vb4118	128 – 224	2.0	115
CK	36 – 5328	2.0	180

Для расчета коротких замыканий с учетом разной степени заряженности АБ и при разных температурах окружающей среды определен коэффициент увеличения сопротивления по отношению к сопротивлению при 25 °С и полностью заряженному состоянию аккумулятора [5]. Степень разряженности выражается через длительный ток аварийного режима. Таким образом, если известно сопротивление стационарного свинцово-кислотного аккумулятора в заряженном состоянии и при температуре 25 °С, то для определения сопротивления при других условиях необходимо это сопротивление умножить на соответствующий коэффициент из табл. 3.

Для расчетов коротких замыканий, с учетом вышеизложенной методики учета АБ, сопротивления электрической дуги, теплового спада тока короткого замыкания и других рекомендаций ГОСТ [7], в МЭИ(ТУ) разработана компьютерная программа GUDCSETS, http://es.mpei.ac.ru

Таблица 3

Параметры аккумулятора в начальный момент короткого замыкания

Режим, ч	Температура Т, °С	Длительный ток аварийного разряда Iдл, ав, А	Параметры аккумулятора
			Расчетная ЭДС Е, В	Коэффициент увеличения внутреннего сопротивления kR
0,5	25	0	2,00	1,00
		13	1,98	1,11
		17	1,96	1,18
		21	1,94	1,28
		25	1,92	1,40
	10	0	2,00	1,25
		9	1,99	1,34
		13	1,97	1,44
		17	1,94	1,57
		21	1,92	1,75
	0	0	2,00	1,50
		9	1,98	1,63
		13	1,96	1,78
		17	1,93	1,99
		18,5	1,92	2,10
1	25	0	2,00	1,00
		6	1,98	1,09
		9	1,97	1,21
		12	1,96	1,37
		15	1,94	1,58
		18,5	1,92	1,88
	10	0	2,00	1,25
		6	1,98	1,41
		9	1,96	1,61
		12	1,94	1,90
		15	1,92	2,27

Литература

1. Сборник методических пособий по контролю состояния электрооборудования /Под ред. Ф.Л. Когана. - М.: ЗАО "Энергосервис", 2001. – 496 с.

2. Гусев Ю. П., Поляков А. М. Электрофизические процессы в аккумуляторах электростанций при коротких замыканиях. - Известия РАН. Энергетика, 2001, № 4, с. 99–105.

3. ГОСТ Р МЭК 60896-2-99. Свинцово-кислотные стационарные батареи. Общие требования и методы испытаний.

4. Диагностика электроустановок оперативного постоянного тока на подстанциях ОАО «Мосэнерго» / Балашов В. В., Гусев Ю. П., Поляков А. М., Фещенко В. А. - Электрические станции, 2000, № 8, с. 39 – 46.

5. Методика и устройство для проверки обеспечения требований чувствительности, селективности и быстродействия защитных аппаратов электроустановок оперативного постоянного тока / Галибин В. М., Гусев Ю. П., Поляков А. М., Саков И. А. – В кн.: Тезисы докладов ХIV научно-технической конф. Релейная защита и автоматика энергосистем 2000: 18 – 20 апреля 2000 г. – Москва, 2000. – с. 52– 54.

6. Поляков А. М. Разработка методики и технических средств расчетного и экспериментального определения токов короткого замыкания от аккумуляторных батарей с учетом изменения их параметров в процессе эксплуатации: Автореферат канд. дисс. - М.: Моск. энерг. ин-т, 2001. – 20 с.

7. ГОСТ 29176-91. Короткие замыкания в электроустановках. Методика расчета в электроустановках постоянного тока.

---

[i] Гусев Ю. П., Дороватовский Н. М., Поляков А. М. Оценка технического состояния аккумуляторных батарей электростанций и подстанций в процессе эксплуатации. Электро, 2002, № 5. с. 34 – 38.