论文部分内容阅读
[摘 要]蓄电池组是变电站直流系统的核心组成部分。介绍蓄电池工作原理以及变电站主流蓄电池应用，分析各类蓄电池的优缺点，指出目前在变电站直流系统维护上经常出现的问题，并从消防安全技术的角度出发，提出对蓄电池的日常维护和火灾预防措施。
[关键词]蓄电池;变电站;直流;消防;预防
[中图分类号]TM63 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）07–00–02
Application of Battery and Fire Safety Technology in Substation DC System
Liu Bin
[Abstract]The battery pack is the core component of the substation DC system. By introduces the working principle of battery and the application of mainstream batteries， analyzes the advantages and disadvantages of various batteries， found frequent problems in DC system maintenance， and puts forward daily maintenance and fire prevention measures from the perspective of fire safety technology.
[Keywords]storage battery; power substation; DC; fire protection; prevention
近年来蓄电池在人们生产和生活中的应用场景非常丰富，其中就包括应用在变电站直流系统中的蓄电池组。变电站直流系统具有很重要的作用，不仅为开关柜继电保护提供控制电源，还为断路器操作机构的分合闸操作提供电源，为事故时的照明、通信、操作提供应急电源等，可靠的直流系统对变电站整个二次系统的稳定运行意义重大。目前变电站直流系统中的蓄电池主要采用的是阀控式铅酸蓄电池和磷酸铁锂电池等。为了保证变电站直流系统的可靠性，通常配置两套并列运行的直流系统。另外，近年来各地不断出现因蓄电池引起的火灾，因此学习蓄电池隐患所在和预防蓄电池火灾发生，是蓄电池应用中不可缺少的一部分。
1 蓄电池的工作原理
以铅酸电池为例，电池主要由正极材料、负极材料、电解质、绝缘材料、联条、正负极接线柱等结构组成，其充放电过程带有电荷间的转移，因此形成了电流，正负极伴有不同的化学反应，如图1所示[1]。
2 蓄电池的应用
（1）铅酸蓄电池.阀控式铅酸蓄电池具有经济性高、稳定性好、维护费用低的特点，在变电站直流系统中有着较为广泛的应用，技术成熟度也较高。铅酸蓄电池技术经过多年发展，其比能量、循环寿命、高低温适应性等问题已有所突破。在实际使用中，铅酸蓄电池也暴露出了一些问题，如使用寿命短、电池容量随着使用时间的延长而降低且不易被发现，内阻容易升高、有时还会出现漏液问题等，在一些尖端技术上依然有待突破。
（2）磷酸铁锂蓄电池：磷酸铁锂蓄电池的比容量一般在140 mA·h/g，循环使用在2 000次以上，放电电流均匀，有很好的耐高温特性。其原材料储量高，尤其是我国境内有丰富的矿产资源，原材料成本也相对较低[2]。磷酸铁锂蓄电池是近些年来逐渐发展起来的应用电池，其诸多优点得到用户认可，在动力电池领域有广泛的应用，如电动汽车、储能电站，近些年在变电站直流系统中也得到广泛应用。但其缺点也是不可忽视的，如电导率低，低温环境下放电质量不高，电池比能量相对较低，理论容量也相对不足。大多数变电站建设在偏僻地区，尤其是山区，昼夜温差大，冬季温度非常低，其直流系统使用的锂蓄电池就不适用磷酸铁锂蓄电池。随着相关技术的不断发展成熟，有些磷酸铁蓄电池的缺点也逐渐被淡化。相信随着科技的不断进步，这些磷酸铁锂的劣势不断改进后，其应用前景还会更广。
3 蓄电池应用中存在的问题
（1）鉴于直流系统在变电站日常运行維护的重要地位，蓄电池的工况监测系统不完善的问题日益突出，这直接影响到了变电站安全稳定运行。尤其是BMS电池管理系统内部故障或是监测系统二次接线错误，都可能导致监测单元监测不到或监测到错误的蓄电池数据。一旦蓄电池监控单元功能丧失，运维人员基本失去了对电池运行状态的掌控。另外，一旦电池组中某一单一电池出现电压降低或内阻升高等故障，如果监控单元未能及时发现隐患，运维人员极易忽视问题，很可能会拖垮整组蓄电池组。
（2）蓄电池内部因化学能和电能的频繁相互转换，极其容易产生各式各样的问题，而这些问题的产生均在蓄电池内部，不易被及时发现。如蓄电池内阻升高、实际容量达不到标称容量，这些电池内部问题一旦发现不及时，都有可能导致在事故或紧急操作时因蓄电池放电时间短、蓄电池组电压低而不能使断路器正常分合闸。
（3）电池使用过程中，因操作人员日常维护不当，极可能存在一定的安全隐患。变电站直流系统的日常维护中涉及到人为的因素很多，也是最不可控的。人为因素主要指的是在串联蓄电池组的过程中因正负极接线错误引起的电池间短路;蓄电池维护过程中，对蓄电池做的放电试验没有使用专业仪器而是使用大功率用电设备导致放电不均匀，使用了专业放电仪器但放电时间设置过于过于短导致的短时间内过度放电，这些因素都可能使蓄电池电压或容量不能回复到原来状态。预防措施的初衷是正确的，但手段上应采用放电仪恒流放电，通常将放电电流设置在10 A，根据蓄电池容量设置放电时间。 4 消防安全预防
（1）定期对直流蓄电池组进行预防性试验。预防蓄电池组火灾事故发生的关键就在蓄电池监控系统，定期检测蓄电池内阻是否增大、容量是否充足、有无“跑冒滴漏”现象、充放电是否均匀、二次接线是否正确、BMS管理系统参数是否设置正确、连接电缆是否老化、破损等，通过试验，肉眼看不出来的问题往往在仪器面前无处遁形。
（2）避免对蓄电池进行频繁的深度充放电。变电站直流蓄电池组通常在充电单元的作用下保持浮充和均充状态。因蓄电池自放电和蓄电池内阻的存在，维持浮充是为了保持蓄电池在满充电状态以一个小电流对电池充电。因为蓄电池是串联的，通过每个电池的浮充电流是完全相同的，但是每个电池的自放电和内阻不可能完全一致，通过一段时间的浮充或储存或放电会使电池的充电效率不可能完全一致，就会出现部分电池充电不足，所以也要进行匀充或匀衡充。
（3）对于蓄电池组来说，完善BMS系统是最直接和有效的手段。BMS系统不仅能动态实时监控电池温度、电压，还可以控制充放电时间、进行热管理、故障诊断等，完善的BMS系统可在第一时间发现隐患，配合声光报警和后台信号，帮助运维人员防患于未然。
5 构建完善的预警系统和消防安全系统
（1）消防安全系统应用设计。从消防火灾预防措施上看，烟感报警系统、灭火器的配置数量和型号、防火门的安装、电缆刷防火涂层、配置逃生面具、预留消防通道、设备区禁止烟火警示标语等。
（2）多级防护机制设计。在消防安全系统中设计多级防护机制，即在电池内部、电池舱以及封闭式电池簇等各个部分进行分区探测防护，以达到在蓄电池温度急剧升高时报警。通过在电池包内的安装探测器，实现对单体电池内的电解液发生泄露早期热失控实施有效监测和预警。对于磷酸铁锂蓄电池来说，早期的单体火灾很容易被控制。
（3）探测器参考阀值。气体火灾探测器选择蓄电池组表温和蓄电池组内CO浓度这2种参数进行复合探测，对蓄电池热失控及火灾状况做出综合判断，避免系统误报和漏报。如表1所示，当电池表面温度达到60 ℃时，气敏传感器检测出CO气体，并且浓度开始逐渐上升，电池发生轻微鼓包，CO浓度（体积分数）为20×10-6。气体探测可以兼顾气体浓度和浓度上升速率，提高探测准确率。
（4）多级防护联动控制。在消防安全系统设计中，消防安全主机是核心组件，其可以对整个消防安全系统进行控制。在接到报警信号之后消防安全主机会对预警信号进行逻辑判断，基于分析结果选择遥信（报警信号）还是遥控（对电动装置发出控制信号）。在消防安全系统联动控制方式设计方面需要注意两个问题，一是能够对电池热失控状态准确报警，二是防护设施在电池出现热失控后能够及时反应，实现消防安全系统、电池管理系统以及动力环境系统等多系统的联动[3]。
（5）从管理上看，应定期进行消防宣传和警示教育，提高全民消防安全意识、完善消防管理制度，组织消防安全培训和消防应急演练，实施定置管理、定岗定责管理，要有事故预想和应急预案，并深度学习。单位有消防安全负责人监督，片区有消防安全责任人负责，对消防通道和杂物间定期清理整顿，对设备区定期除尘除湿，真正落实消防无死角[4]。
6 结语
蓄电池技术在近些年不断地推陈出新，其生产和推广应用成本不断降低，商业模式不断创新、成熟，未来蓄电池行业会迎来更快的发展。蓄电池在变电站直流系统中使用的安全技术不容忽视。合理正确地使用蓄电池，预防蓄电池燃烧爆炸事故，学习蓄电池事故处置方法和消防知识，对于每个变电站值班人员都是十分有意义的。只有提高每个人的安全意识，加强管理，不断从以往事故中吸取教训，精益求精，才能有效确保变电站直流系统的可靠运行。
参考文献
[1] 杨燕平，郑发秀，汤志刚.磷酸铁锂电池在25℃以上环境温度测试研究[J].电信工程技术与标准化，2015（9）：63-65.
[2] 徐蓓.磷酸铁锂电池荷电状态估算及电池管理系统的研究[D].西南交通大学，2018.
[3] 孟祥鹏.基于锂離子电池储能系统的消防安全技术[J].科技创新与应用，2020（26）;：156-157.
[4] 刘兴德，田斌，王晨.规范高校安全管理建立健全消防安全检查机制[J].安全，2017（1）：20.
[关键词]蓄电池;变电站;直流;消防;预防
[中图分类号]TM63 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）07–00–02
Application of Battery and Fire Safety Technology in Substation DC System
Liu Bin
[Abstract]The battery pack is the core component of the substation DC system. By introduces the working principle of battery and the application of mainstream batteries， analyzes the advantages and disadvantages of various batteries， found frequent problems in DC system maintenance， and puts forward daily maintenance and fire prevention measures from the perspective of fire safety technology.
[Keywords]storage battery; power substation; DC; fire protection; prevention
近年来蓄电池在人们生产和生活中的应用场景非常丰富，其中就包括应用在变电站直流系统中的蓄电池组。变电站直流系统具有很重要的作用，不仅为开关柜继电保护提供控制电源，还为断路器操作机构的分合闸操作提供电源，为事故时的照明、通信、操作提供应急电源等，可靠的直流系统对变电站整个二次系统的稳定运行意义重大。目前变电站直流系统中的蓄电池主要采用的是阀控式铅酸蓄电池和磷酸铁锂电池等。为了保证变电站直流系统的可靠性，通常配置两套并列运行的直流系统。另外，近年来各地不断出现因蓄电池引起的火灾，因此学习蓄电池隐患所在和预防蓄电池火灾发生，是蓄电池应用中不可缺少的一部分。
1 蓄电池的工作原理
以铅酸电池为例，电池主要由正极材料、负极材料、电解质、绝缘材料、联条、正负极接线柱等结构组成，其充放电过程带有电荷间的转移，因此形成了电流，正负极伴有不同的化学反应，如图1所示[1]。
2 蓄电池的应用
（1）铅酸蓄电池.阀控式铅酸蓄电池具有经济性高、稳定性好、维护费用低的特点，在变电站直流系统中有着较为广泛的应用，技术成熟度也较高。铅酸蓄电池技术经过多年发展，其比能量、循环寿命、高低温适应性等问题已有所突破。在实际使用中，铅酸蓄电池也暴露出了一些问题，如使用寿命短、电池容量随着使用时间的延长而降低且不易被发现，内阻容易升高、有时还会出现漏液问题等，在一些尖端技术上依然有待突破。
（2）磷酸铁锂蓄电池：磷酸铁锂蓄电池的比容量一般在140 mA·h/g，循环使用在2 000次以上，放电电流均匀，有很好的耐高温特性。其原材料储量高，尤其是我国境内有丰富的矿产资源，原材料成本也相对较低[2]。磷酸铁锂蓄电池是近些年来逐渐发展起来的应用电池，其诸多优点得到用户认可，在动力电池领域有广泛的应用，如电动汽车、储能电站，近些年在变电站直流系统中也得到广泛应用。但其缺点也是不可忽视的，如电导率低，低温环境下放电质量不高，电池比能量相对较低，理论容量也相对不足。大多数变电站建设在偏僻地区，尤其是山区，昼夜温差大，冬季温度非常低，其直流系统使用的锂蓄电池就不适用磷酸铁锂蓄电池。随着相关技术的不断发展成熟，有些磷酸铁蓄电池的缺点也逐渐被淡化。相信随着科技的不断进步，这些磷酸铁锂的劣势不断改进后，其应用前景还会更广。
3 蓄电池应用中存在的问题
（1）鉴于直流系统在变电站日常运行維护的重要地位，蓄电池的工况监测系统不完善的问题日益突出，这直接影响到了变电站安全稳定运行。尤其是BMS电池管理系统内部故障或是监测系统二次接线错误，都可能导致监测单元监测不到或监测到错误的蓄电池数据。一旦蓄电池监控单元功能丧失，运维人员基本失去了对电池运行状态的掌控。另外，一旦电池组中某一单一电池出现电压降低或内阻升高等故障，如果监控单元未能及时发现隐患，运维人员极易忽视问题，很可能会拖垮整组蓄电池组。
（2）蓄电池内部因化学能和电能的频繁相互转换，极其容易产生各式各样的问题，而这些问题的产生均在蓄电池内部，不易被及时发现。如蓄电池内阻升高、实际容量达不到标称容量，这些电池内部问题一旦发现不及时，都有可能导致在事故或紧急操作时因蓄电池放电时间短、蓄电池组电压低而不能使断路器正常分合闸。
（3）电池使用过程中，因操作人员日常维护不当，极可能存在一定的安全隐患。变电站直流系统的日常维护中涉及到人为的因素很多，也是最不可控的。人为因素主要指的是在串联蓄电池组的过程中因正负极接线错误引起的电池间短路;蓄电池维护过程中，对蓄电池做的放电试验没有使用专业仪器而是使用大功率用电设备导致放电不均匀，使用了专业放电仪器但放电时间设置过于过于短导致的短时间内过度放电，这些因素都可能使蓄电池电压或容量不能回复到原来状态。预防措施的初衷是正确的，但手段上应采用放电仪恒流放电，通常将放电电流设置在10 A，根据蓄电池容量设置放电时间。 4 消防安全预防
（1）定期对直流蓄电池组进行预防性试验。预防蓄电池组火灾事故发生的关键就在蓄电池监控系统，定期检测蓄电池内阻是否增大、容量是否充足、有无“跑冒滴漏”现象、充放电是否均匀、二次接线是否正确、BMS管理系统参数是否设置正确、连接电缆是否老化、破损等，通过试验，肉眼看不出来的问题往往在仪器面前无处遁形。
（2）避免对蓄电池进行频繁的深度充放电。变电站直流蓄电池组通常在充电单元的作用下保持浮充和均充状态。因蓄电池自放电和蓄电池内阻的存在，维持浮充是为了保持蓄电池在满充电状态以一个小电流对电池充电。因为蓄电池是串联的，通过每个电池的浮充电流是完全相同的，但是每个电池的自放电和内阻不可能完全一致，通过一段时间的浮充或储存或放电会使电池的充电效率不可能完全一致，就会出现部分电池充电不足，所以也要进行匀充或匀衡充。
（3）对于蓄电池组来说，完善BMS系统是最直接和有效的手段。BMS系统不仅能动态实时监控电池温度、电压，还可以控制充放电时间、进行热管理、故障诊断等，完善的BMS系统可在第一时间发现隐患，配合声光报警和后台信号，帮助运维人员防患于未然。
5 构建完善的预警系统和消防安全系统
（1）消防安全系统应用设计。从消防火灾预防措施上看，烟感报警系统、灭火器的配置数量和型号、防火门的安装、电缆刷防火涂层、配置逃生面具、预留消防通道、设备区禁止烟火警示标语等。
（2）多级防护机制设计。在消防安全系统中设计多级防护机制，即在电池内部、电池舱以及封闭式电池簇等各个部分进行分区探测防护，以达到在蓄电池温度急剧升高时报警。通过在电池包内的安装探测器，实现对单体电池内的电解液发生泄露早期热失控实施有效监测和预警。对于磷酸铁锂蓄电池来说，早期的单体火灾很容易被控制。
（3）探测器参考阀值。气体火灾探测器选择蓄电池组表温和蓄电池组内CO浓度这2种参数进行复合探测，对蓄电池热失控及火灾状况做出综合判断，避免系统误报和漏报。如表1所示，当电池表面温度达到60 ℃时，气敏传感器检测出CO气体，并且浓度开始逐渐上升，电池发生轻微鼓包，CO浓度（体积分数）为20×10-6。气体探测可以兼顾气体浓度和浓度上升速率，提高探测准确率。
（4）多级防护联动控制。在消防安全系统设计中，消防安全主机是核心组件，其可以对整个消防安全系统进行控制。在接到报警信号之后消防安全主机会对预警信号进行逻辑判断，基于分析结果选择遥信（报警信号）还是遥控（对电动装置发出控制信号）。在消防安全系统联动控制方式设计方面需要注意两个问题，一是能够对电池热失控状态准确报警，二是防护设施在电池出现热失控后能够及时反应，实现消防安全系统、电池管理系统以及动力环境系统等多系统的联动[3]。
（5）从管理上看，应定期进行消防宣传和警示教育，提高全民消防安全意识、完善消防管理制度，组织消防安全培训和消防应急演练，实施定置管理、定岗定责管理，要有事故预想和应急预案，并深度学习。单位有消防安全负责人监督，片区有消防安全责任人负责，对消防通道和杂物间定期清理整顿，对设备区定期除尘除湿，真正落实消防无死角[4]。
6 结语
蓄电池技术在近些年不断地推陈出新，其生产和推广应用成本不断降低，商业模式不断创新、成熟，未来蓄电池行业会迎来更快的发展。蓄电池在变电站直流系统中使用的安全技术不容忽视。合理正确地使用蓄电池，预防蓄电池燃烧爆炸事故，学习蓄电池事故处置方法和消防知识，对于每个变电站值班人员都是十分有意义的。只有提高每个人的安全意识，加强管理，不断从以往事故中吸取教训，精益求精，才能有效确保变电站直流系统的可靠运行。
参考文献
[1] 杨燕平，郑发秀，汤志刚.磷酸铁锂电池在25℃以上环境温度测试研究[J].电信工程技术与标准化，2015（9）：63-65.
[2] 徐蓓.磷酸铁锂电池荷电状态估算及电池管理系统的研究[D].西南交通大学，2018.
[3] 孟祥鹏.基于锂離子电池储能系统的消防安全技术[J].科技创新与应用，2020（26）;：156-157.
[4] 刘兴德，田斌，王晨.规范高校安全管理建立健全消防安全检查机制[J].安全，2017（1）：20.