Энергетика

Комплексное обследование аккумуляторных батарей на подстанциях

В качестве источников постоянного оперативного тока в электроустановках ПС применяются свинцово-кислотные аккумуляторы с устройствами постоянного заряда/подзаряда. Для выполнения своих основных функций АБ должна обладать паспортной ёмкостью весь срок службы. Причём каждая из банок батареи индивидуально «держит» заряд и так же индивидуально «отдаёт» ёмкость в нагрузку. В связи с этим общая ёмкость батареи может сильно зависеть от нескольких «отстающих» банок (банки, которые быстрее других разряжаются до предельного уровня разряда). Для выявления возможного наличия в батарее «отстающих» банок, а также для определения ёмкости аккумуляторов необходимо периодически производить контрольный разряд батареи.

Компания ООО «ЭНЭЛТ.КОМ» производит работы по оценке состояния АБ на действующей подстанции без перерыва гарантированного питания потребителей постоянного тока. На время проведения испытаний для обеспечения питания потребителей и оперативных переключений используется временная АБ ёмкостью 150 или 300 А·ч, состоящая из 12-вольтовых герметизированных моноблоков. Это позволяет устанавливать временную аккумуляторную батарею в общих производственных помещениях в непосредственной близости от щита постоянного тока. Контрольный разряд исследуемой АБ производится током одинаковой величины на всём протяжении цикла с помощью специального разрядного устройства (УР).

Компанией ООО «ЭНЭЛТ.КОМ» в период с 2009 по 2011 гг. проводились обследования состояния систем оперативного постоянного тока и диагностика аккумуляторных батарей на 30 действующих подстанциях 110—500 кВ в шести филиалах ОАО «Сетевая компания». На рис. 1 приведена общая статистика состояния обследованных АБ. Ниже рассмотрены основные причины, приводящие к ухудшению их состояния и снижению ёмкости, а также основные факторы, влияющие на срок службы аккумуляторов.

Как видно из диаграммы, из тридцати обследованных АБ восемь показали хорошие результаты. Данные АБ на момент испытаний имели стопроцентную или близкую к ним ёмкость, не было выявлено «отстающих» элементов и замечаний к аккумуляторной батарее.

Девять из испытанных АБ, хотя и имели высокую остаточную ёмкость, но при контрольном разряде в них были выявлены «отстающие» и неисправные элементы. Эти АБ требуют повышенного внимания при эксплуатации, контроля «отстающих» элементов и периодического проведения повторных испытаний. Если состояние «отстающих» элементов продолжит ухудшаться, то их будет необходимо заменить или, по крайней мере, исключить из АБ (зашунтировать), так как наличие в аккумуляторной батарее таких элементов значительно снижает общую ёмкость АБ при разряде.

На тринадцати из обследованных подстанций требуется замена АБ на новые в связи с неудовлетворительным их состоянием. Они либо не прошли испытания на остаточную ёмкость — при контрольном разряде ёмкость этих АБ составила менее 80% от исходной заявленной ёмкости — либо причиной замены АБ является полностью выработанный ресурс и предельный физический износ аккумуляторов. Предсказать дальнейшее поведение таких аккумуляторов невозможно. Так, при контрольных разрядах на некоторых аккумуляторах наблюдалось внезапное осыпание активной массы и разрушение пластин. Эти АБ непригодны к дальнейшей эксплуатации и подлежат замене. Основные факторы, влияющие на срок службы батареи.

Основные тезисы:
• свинцово-кислотный аккумулятор — химический источник тока (ХИТ);
• работа ХИТ всегда связана с электрохимическими превращениями материалов;
• ХИТ работает, медленно разрушаясь;
• максимальный срок службы реализуется только при идеальных условиях эксплуатации.

Процессы, ограничивающие срок службы аккумуляторов:
• коррозия решёток положительных пластин;
• осыпание активной массы положительных пластин;
• деформация (рост) положительных пластин;
• прорастание дендритов свинца и короткие замыкания между разноимёнными пластинами;
• саморазряд;
• сульфатация (необратимая);
• пассивация пластин.


КОРРОЗИЯ РЕШЁТКИ
ПОЛОЖИТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДА


Коррозия идёт постоянно и никогда не останавливается. Суть коррозии положительной решётки заключается в том, что её поверхностный слой окисляется до оксида свинца PbO2 — такого же материала, как и активная масса.

Скорость протекания этого процесса в номинальных условиях эксплуатации — 25—30 мк в год для хороших сплавов. При использовании некачественных сплавов или при отсутствии «резерва» материала коррозия может разрушить решётку уже через несколько лет эксплуатации (рис. 2).

СУЛЬФАТАЦИЯ ПЛАСТИН

Образование нерастворимых кристаллов сульфата свинца с характерной кубической структурой на положительной пластине (рис. 3). Эти кристаллы намного крупнее нормальных кристаллов PbO2 (видны в верхней части рисунка посередине).

Пассивация (деградация) активной массы отрицательной пластины означает снижение ёмкости к концу срока службы АБ из-за изменения микроскопической структуры губчатого свинца отрицательной пластины. Это главным образом связано с уменьшением площади поверхности активной массы пластины, и как следствие, уменьшением ёмкости (рис. 4).


ОСНОВНЫЕ ПРИЧИНЫ
УХУДШЕНИЯ СОСТОЯНИЯ АБ


Находящиеся в эксплуатации подзарядные агрегаты типа ВАЗП не обеспечивают требуемые уровни стабилизации напряжения подзаряда и пульсаций напряжения постоянного тока (что отрицательно сказывается на сроке службы АБ), маломощны и сегодня выработали свой ресурс. Ситуация с низким уровнем стабилизации напряжения усугубляется «человеческим фактором». Выходное напряжение зарядных агрегатов ВАЗП меняется в зависимости от входного переменного напряжения, и оперативный персонал вынужден постоянно регулировать выходное напряжение устройства. При этом на практике из-за высокой степени изношенности или неисправности регулировочных потенциометров настроить выходное напряжение ВАЗП с хорошей точностью не представляется возможным. Находящиеся в эксплуатации зарядные агрегаты ВАЗП не соответствуют требованиям к качеству питания для современных АБ и микропроцессорных терминалов релейной защиты по уровню пульсаций постоянного тока. Это делает невозможным питание потребителей постоянного тока от зарядных устройств без подключенной АБ.

Ещё одной серьёзной проблемой, напрямую связанной с эксплуатацией АБ, является отсутствие автоматической температурной компенсации напряжения подзаряда. Температурный режим эксплуатации АБ оказывает существенное влияние на срок службы аккумуляторов. При отклонении температуры аккумуляторов от номинальной для поддержания состояния полной заряженности, минимизации процессов коррозии и сульфатации необходимо корректировать напряжение постоянного подзаряда с коэффициентом = -3,3 мВ/°С на каждый элемент АБ. Таким образом, например, при снижении температуры на 10°С для аккумуляторной батареи, состоящей из 104 элементов, требуется повысить напряжение постоянного подзаряда на 3,43 В, а при повышении температуры на 10°С — понизить напряжение на 3,43 В. Отслеживать и осуществлять такую корректировку в ручном режиме не представляется возможным.

Причиной постоянного недозаряда АБ и, как следствие, снижения срока её службы является неправильный выбор числа элементов при замене аккумуляторной батареи типа СК на новую. Причина заключается в различии напряжения постоянного подзаряда для батарей типа СК и современных типов: OPzS, OGi, Vb, GroE. Напряжение постоянного подзаряда для аккумуляторов типа СК составляет 2,15—2,2 В/эл., поэтому для питания цепей РЗиА использовалась батарея, состоящая из 108 элементов (основная группа элементов). Напряжение постоянного подзаряда (напряжение на шинах ШУ) при этом составляло 232—235 В.

В настоящее время производители современных малообслуживаемых АБ требуют обеспечения напряжения постоянного подзаряда 2,23 В/эл. Следовательно, для содержания такой же группы из 108 малообслуживаемых аккумуляторов в полностью заряженном состоянии требуется напряжение на ШУ/ШС 108 х 2,23 = 240,84 В — это значение находится на границе предельно допустимого диапазона для напряжения питания устройств релейной защиты. Как правило, оперативный персонал подстанции не допускает повышения напряжения на шинах ШУ/ШС больше 240 В, что приводит к постоянному недозаряду АБ из 108 элементов, повышенной сульфатации пластин и, как следствие, к потере ёмкости и сокращению срока службы.

Поэтому при замене АБ на новую необходимо обязательно учитывать изменение напряжения подзаряда и выбирать число элементов в батарее исходя из условий обеспечения допустимого диапазона напряжения на потребителях постоянного тока во всех режимах работы АБ. Оптимальным числом элементов в устанавливаемой АБ (основной группе аккумуляторов) является 104 элемента. В этом случае напряжение постоянного подзаряда АБ должно составлять: 104 х 2,23 = 231,92 В.

Кроме того, для обеспечения максимального срока службы и быстрого приведения АБ в рабочее состояние после аварийных и рабочих разрядов рекомендуется проводить ускоренный заряд повышенным напряжением. Для большинства современных зарядно-выпрямительных устройств эта функция реализована в автоматическом режиме после восстановления питания собственных нужд подстанции. В этом случае напряжение ускоренного заряда составляет 104 х 2,3 = 239,2 В — это значение не превышает <Uном. +10%.

На шестнадцати из 30-ти обследованных подстанций применена схема СОПТ с дополнительными «хвостовыми» элементами АБ, то есть нагрузка, потребляющая ток в непрерывном режиме (цепи управления и сигнализации), запитана от основной части АБ. Толчковая нагрузка — цепи питания приводов высоковольтных выключателей, питается от всей АБ. При этом на этих подстанциях используются ЗВУ одноканального исполнения (ВАЗП, ПНЗП), которые подключены ко всей АБ. Чтобы избежать перенапряжения на дополнительных «хвостовых» элементах, к ним подключают реостаты или другие балластные сопротивления для обеспечения тока нагрузки, сопоставимого с током нагрузки основной группы. Использование балластных сопротивлений приводит к повышенному износу элементов «хвостовой» группы АБ. Возможны ситуации, когда элементы «хвостовой» части АБ могут остаться без подзаряда, а балластное сопротивление остаётся подключённым к элементам АБ. При этом возникает опасность глубокого или полного разряда «хвостовых» элементов, что приводит к выходу из строя этих аккумуляторов.

Компания «ЭНЭЛТ.КОМ» имеет штат высококвалифицированных специалистов и значительный опыт для реализации полного комплекса работ по реконструкции систем оперативного постоянного тока подстанций 35—750 кВ в соответствии с требованиями стандарта СТО 56947007-29.120.40.041-2010 «Системы оперативного постоянного тока подстанций», утверждённого ОАО «ФСК ЕЭС».

Обсудить на форуме

Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно