電力系統(tǒng)中直流電源系統(tǒng)是由充電裝置、免維護鉛酸蓄電池、饋出回路、調(diào)壓裝置和相關(guān)的控制、測量、信號、保護、調(diào)節(jié)單元等設(shè)備組成，為控制、信號、繼電保護、自動裝置及事故照明等提供可靠的工作電源。

隨著投運年限的不斷增加，直流系統(tǒng)中蓄電池組經(jīng)常會出現(xiàn)單體蓄電池端電壓參差不齊的現(xiàn)象。端電壓過高的蓄電池會出現(xiàn)過充，長期過充會嚴重影響蓄電池的使用壽命；端電壓過低的蓄電池會出現(xiàn)欠充，影響整組蓄電池的運行效率。由此可見，合理調(diào)節(jié)整組蓄電池的單體電壓對電池本身及整組蓄電池都有著重要意義。

目前，變電站維護人員一般采用蓄電池活化或補充電的方式對劣化初期的蓄電池進行維護處理，但是該種方法需將蓄電池拆離整組后再單獨處理，工作量大，效率低。因此設(shè)計一種在線式整組蓄電池維護裝置對變電站的直流系統(tǒng)顯得尤為重要。

1 設(shè)計方案

1.1 直流系統(tǒng)工作原理

如圖1所示，交流屏提供交流輸入并通過交流配電單元為充電機供給電源，充電機將交流電變換為220V/110V直流電，該直流輸出一方面提供給直流母線滿足直流負載的需求，另一方面給蓄電池組充電。正常狀態(tài)下，蓄電池組處于浮充電狀態(tài)，浮充電流補償蓄電池自放電，而變電站直流負載需求完全由充電機提供。當交流輸入或充電機輸出發(fā)生故障時，蓄電池組及時給直流母線充電，滿足直流負載需求，保證直流系統(tǒng)正常工作。

圖1 變電站直流系統(tǒng)工作原理

1.2 LT1083介紹

LT1083芯片[1]是高效率線性可調(diào)穩(wěn)壓器，能最大限度地減小過載條件下穩(wěn)壓器和電源電路上承受的應力件，并高效率提供 7.5A、5A 和 3A 輸出電流。片內(nèi)修整把輸出電壓準確度調(diào)節(jié)至 1%，其電壓調(diào)整率為0.015%，負載調(diào)整率為0.01%。與 PNP 穩(wěn)壓器 (約10%的輸出電流作為靜態(tài)電流被消耗) 不同，LT1083 的靜態(tài)電流將流入負載，從而提升了效率，LT1083管腳圖如圖2所示。

圖2 LT1083管腳圖

1.3 維護裝置的工作原理

該維護裝置能在線適用于整組蓄電池，當長期運行的蓄電池組出現(xiàn)單體電壓不一致現(xiàn)象時，將蓄電池組中各個單體電池加裝該維護裝置，如圖3所示。當某一過充單體蓄電池端電壓高于上門檻值時（可調(diào)，本裝置設(shè)為2.260V），維護裝置導通，工作指示燈點亮，此時維護裝置開始對該單體蓄電池恒流放電，并通過輔助旁路對整組中其他欠充蓄電池補充電；而當該蓄電池端電壓低于下門檻值時（可調(diào)，本裝置設(shè)為2.246V），維護裝置將退出運行，工作指示燈熄滅。

利用整組蓄電池中各自維護裝置的反復導通與截止，從而使欠充及過充蓄電池同時得到優(yōu)化，實現(xiàn)整組蓄電池維護目的，提高了蓄電池維護效率。另外，該維護裝置發(fā)生故障時能立即燈光告警，大電壓沖擊試驗、電源線反接試驗均不會對蓄電池造成惡劣影響，維護裝置安全性能滿足變電站運行要求。

圖3 蓄電池維護裝置應用原理

1.4 維護裝置電路設(shè)計

維護裝置電路由電壓采集電路、驅(qū)動電路、光電監(jiān)視電路和恒流電路四部分組成，完整電路圖如圖4所示。

圖4 蓄電池維護裝置PCB電路

其中，電壓采集電路能高精度實時采集蓄電池端電壓，并通過高增益集成運放電路將端電壓處理并送至下一級電路，電壓采集誤差不

高于1mV。驅(qū)動電路[3]由遲滯電壓比較器和NPN型三極管組成，基準電壓精確穩(wěn)定，誤差小于0.5mV，驅(qū)動能力強。恒流電路由低壓差恒流器和限流電阻組成，控制IC三端可調(diào)，電壓調(diào)整率僅為0.015%，功耗低，電路效率高。光電監(jiān)視電路由發(fā)光二級管D1、D4、D5及其外圍電路組成，具有電路反接、斷線、短路告警，以及正常狀態(tài)工作指示功能。

此外，為了便于批量生產(chǎn)，提高設(shè)計效率，我們制作了PCB電路圖，如圖5所示。

圖5 蓄電池維護裝置PCB電路圖

最終，通過合理選擇電路元器件、電源線、電源夾、指示燈、設(shè)計裝置外殼，制作出一套安全、可靠、便攜的在線式整組蓄電池維護裝置。該裝置重量小于100g，體積小于200cm3，采樣誤差不大于1.5mV，維護裝置實物如圖6所示。

圖6 蓄電池維護裝置實物圖

2 維護裝置試驗及結(jié)果

2.1 維護裝置實驗室試驗及結(jié)果

利用實驗室工具，選擇三個型號相同的單體蓄電池（#1單體初始電壓為2.437V、#2單體初始電壓為2.285V、#3單體初始電壓為2.034V）用作實驗室試驗。

圖7 維護裝置實驗室試驗數(shù)據(jù)圖

試驗過程中，每隔0.5小時對蓄電池端電壓進行記錄，如圖7所示。從圖中可以清晰發(fā)現(xiàn)，過充的#1單體經(jīng)過10小時的維護處理后，最終端電壓達到2.246V~2.260V的預設(shè)電壓區(qū)間；欠充的#3單體在維護處理后，端電壓緩慢上升，最終達到預設(shè)電壓區(qū)間。#2單體由于其維護裝置反復導通截止，端電壓在預設(shè)電壓范圍內(nèi)波動。

2.2 維護裝置站端試驗及結(jié)果

鑒于維護裝置實驗室試驗結(jié)果理想，我們選用中山供電局110kV張溪變電站（中山供電局培訓基地）#1蓄電池組作為維護裝置站端試驗對象，如圖8所示。

圖8 蓄電池維護裝置站端試驗圖

經(jīng)過將近一周維護試驗后，張溪站#1蓄電池組各單體端電壓均達到2.246V~2.260V的預設(shè)區(qū)間，試驗結(jié)果達到預期目標。

3 總結(jié)

利用在線式整組蓄電池維護裝置能在不拆除單體蓄電池的情況下使需維護的欠充及過充蓄電池同時得到優(yōu)化，避免了拆裝蓄電池所造成的人身、設(shè)備風險，同時也解決了單獨處理蓄電池后運行效果不佳的難題。

本文編自《電氣技術(shù)》，論文標題為“一種在線式整組蓄電池維護裝置的研究與設(shè)計”，作者為毛焱、黃永東。