蓄电池内阻在线巡检与谱分析仪的设计研究

高超

（南方电网深圳供电局有限公司 宝安供电局沙井供电分局，广东深圳 518000）

0.引言

近年来，随着科技、民生、工业等社会领域的发展，当前市场对电力资源供应需求不断增加，给电力系统的安全运行造成了较大压力。蓄电池作为电力系统中的二次系统，承担着保障电力系统安全运行的重要职责。在各种影响蓄电池性能的因素中，蓄电池本身的容量以及电流负荷等能够对蓄电池产生巨大的影响。对蓄电池内阻在线巡检与谱分析仪的设计进行分析，能够为当前我国电力系统中蓄电池的应用和优化提供借鉴的经验。

1.蓄电池内阻在线巡检

1.1 蓄电池的作用

从本质上来说，蓄电池是能够应用于电力系统和通信系统中的备用电源，当电力系统发生运行故障时，蓄电池的应用能够保障整个电力系统的正常运行。现阶段，蓄电池已经被纳入到电力系统当中，在直流供电系统、通信电源系统以及UPS电源系统的运行中发挥着重要的作用[1]。蓄电池在电力系统中能够与UPS以及开关电源系统相结合，防止城市的电网电压出现涌、浪以及瞬变、欠压等问题，减少这些问题的发生对电力系统运行安全产生严重的影响。在当前市场电力资源需求逐渐增加的背景下，为了能够在满足电力资源供应的同时也能够保障电力系统的运行安全，需要对蓄电池进行恒温保护和检测，以便能够延长蓄电池的使用寿命，在提高电力系统运行效率的同时，也能够保证电力系统和通信系统的正常运行[2]。

1.2 蓄电池容量检测方法

剩余容量大小会对蓄电池本身的应用性能产生一定的影响，蓄电池在运行中如果存在电量不足的情况，就会使得蓄电池出现自愈失败的情况，进而导致蓄电池发生故障。在这种情况下，为了能够有效保障电力系统的运行安全，就需要对蓄电池的容量进行及时检测[3]。现阶段，我国应用于电力系统中蓄电池容量的检测方法主要包括电解液密度法、放电电压法、放电统计法以及内阻分析法等[4]。

电解液密度法需要将测量仪器深入到蓄电池内部，但蓄电池本身的密闭性很难应用该方法获得准确的测量结果；放电电压法主要是检测蓄电池在放电时端电压的变化情况，并以此来计算蓄电池中的剩余容量[5]。这种方法会受到蓄电池剩余电量与电压之间非线性关系的影响，因而测量结果的准确性也比较低；放电统计法主要是在蓄电池完全放电的情况下对其进行测量，需要耗费的测量时间比较长。而内阻分析法主要是依据蓄电池的内部阻抗与荷电程度之间的关系来实现检测的，不仅不会对蓄电池本身的性能产生影响，还能够获得更加准确地测量结果，因而是当前蓄电池容量检测中最具有应用前景的方法[6]。

2.蓄电池内阻在线巡检与谱分析仪的具体设计分析

蓄电池内阻在线巡检方法需要依靠谱分析仪这种专业的工具来实现，基于当前电力系统对蓄电池性能和运行安全的需求，在应用内阻法来对蓄电池容量进行检测时，主要可以从以下几个方面入手：

2.1 蓄电池内阻测试仪

应用内阻法对蓄电池的剩余容量大小进行检测，首先需要考虑到当前常用蓄电池的内阻大小。由于当前蓄电池的内阻大多为毫欧级，应用原有的两端子测量技术很难实现对蓄电池剩余容量的精确检测，因而在对蓄电池内阻测试仪进行设计时，主要应用四端子测量方式[7]。依据蓄电池内阻法的测量原理（如图1所示），在给运行中的蓄电池施加一个交流电信号之后，对蓄电池两端的电压进行测量，再对通过蓄电池的电流进行测量，借助蓄电池两端瞬时电压和瞬时电流的相位差来对交流信号的内部阻抗值进行计算[8]。

图1 蓄电池内阻法测量原理图

由于这种内阻法主要是借助交流电信号来实现蓄电池容量测量的，因而也可以被称为交流检测法。这种方法在实际应用中不依靠蓄电池的放电操作，就可以实现对蓄电池剩余容量的测量，并且可以多次进行测量，也不会对蓄电池本身的运行状态和性能产生影响。但由于这种方法在实际应用中需要借助相位法来实现容量的测量，因而会比较容易受到外界噪声的影响。在这种情况下，就需要对内阻法进行持续的改进和优化，借助快速傅里叶变换来对交流电信号进行幅度谱和相位谱的分析，能够有效减少噪声对测量结果产生的影响。

当前应用于蓄电池容量检测的内阻测试仪，以ITB-712系列型号为主，这种蓄电池内阻测试仪的设计中应用了更先进、技术难度更大的交流内阻技术方案。这种内阻测试仪在实际应用中不仅能够保障蓄电池在线并机充放电状态下测试数据的稳定，还融合了蓄电池故障的预警技术，能够实现对蓄电池故障的及时预警。

2.2 蓄电池巡检

在依据内阻法完成蓄电池内阻测试仪的设计之后，就可以应用该测试仪来实现对蓄电池的巡检工作。在对蓄电池的运行状态进行巡检时，首先要确定交流信号源的频率。在保障城市电网安全运行的前提下，选择50Hz的市电源作为用于蓄电池安全巡检的交流信号源频率，并将该电流利用变压器进行降压供电。在对蓄电池的剩余容量进行测量时，首先需要将两个开关闭合，然后对电池组施加一个正弦交流电流，对经过蓄电池的电流有效值进行测量。在闭合另外2个开关之后，借助两个采样电容来实现对蓄电池中交流电压有效值的测量，再依据测量值计算出蓄电池的电阻。基于当前电力系统中蓄电池组的运行情况，依据这种方法对每一个蓄电池上的交流电压有效值进行计算，就能够得到每个蓄电池的内阻值。

由于当期应用于电力系统中的蓄电池具体型号不同，因而蓄电池的内阻表接线方式也存在一定的差别，而这种差别又会对内阻法的测量结果产生一定的影响。造成这种现象的主要原因是测量线在应用中可能会与电池的连接电缆发生串联，将电极桩在内的附加欧姆电阻引到了电池内阻当中。这种现象虽然不会对蓄电池的性能产生一定的影响，但会造成最终的测量结果与实际产生偏差。在这种情况下，就需要对蓄电池进行多次测量，用以多次不同测量结果的真实性和准确性。从当前应用的蓄电池性能来看，蓄电池原本的使用寿命以5年左右为标准，蓄电池内的电阻不会产生较为快速的变化，因而应用内阻法的频率以每月一次为主要标准。

2.3 蓄电池内阻与剩余容量的关系

在应用内阻法来对蓄电池的剩余容量进行测量之后，就可以依据内阻的变化情况与剩余容量的变化情况来对二者之间的关系进行分析。

如表1所示得知，在蓄电池的剩余容量超过40%时，蓄电池的内阻值大小不会受到放电电流的影响；在蓄电池的剩余容量小于40%时，蓄电池的内阻值则会逐渐增大，且受到放电电流的影响，在放电电流越小的情况下，蓄电池的内阻值增加速度越快。

表1 蓄电池内阻与剩余容量之间的关系

从这一实验测量结果来看，蓄电池内阻与剩余容量之间的关系主要可以总结出以下几个特点：首先，蓄电池在初始循环的状态下本身容量会增加；其次，在蓄电池产生低倍率放电的情况下，内阻不会对蓄电池的性能产生较大的影响，而当蓄电池产生高倍率放电的情况下，内阻则会对蓄电池的性能产生较为显著的影响；最后，尽管内阻法能够实现对单个蓄电池内置以及剩余容量的测量，但仍无法实现对电力系统中整个蓄电池组内阻以及剩余容量的测量。在蓄电池的内阻突然增大或电导的数据突然减小时，就可以判断蓄电池的剩余电量为0，因而需要对其进行及时的更换，以便能够保障电力系统的正常运行。与此同时，应用内阻法对蓄电池的性能进行检测，还能够及时发现蓄电池在运行中存在的一些故障问题。

在蓄电池组进行放电之前，对蓄电池的内阻变化情况进行巡检之后，可以得到表2所示，依据图表可以看出，这一蓄电池组中共包含18个蓄电池，而在对蓄电池的内阻进行检测之后可以发现，R4、R11、R13、R16、R17的内阻与其他蓄电池的内阻大小之间有着明显的差别。由此可以看出，这几节电池的性能已经发生了较为严重的变化。在这种情况下，就需要对这些内阻存在异常的蓄电池进行及时维护和检修，用以保障整个蓄电池组在电力系统中的运行安全。

表2 蓄电池内阻的变化情况

除此之外，在应用内阻法来对蓄电池的剩余容量进行测量时，还可以采用半荷内阻法来实现。通过前面的分析可以得知，放电实验法在实际应用中会对蓄电池本身的性能产生一定的损害。相比之下，应用半荷内阻法，能够有效减轻这一情况对实际测量结果和蓄电池性能造成的影响。在应用这种方法来对蓄电池的电阻进行测量时，主要是依据蓄电池内阻测试仪测量出的数据来进行蓄电池组放电的电压曲线来实现的。

如表3所示依据得到的电压和标准放电比，能够绘制出电池放电的二折线法电压曲线，并以此来对蓄电池的内阻和剩余容量进行理论上的分析。在完成以上分析之后，就可以对蓄电池的等效内阻进行测量，并以等效电阻的相关数值来绘制蓄电池组放电的内阻曲线图，进而更好的研究蓄电池内阻曲线之间的变化规律。

表3 电池放电下的电压与标准放电比

蓄电池内阻检测仪在检测蓄电池的内阻和剩余容量大小的过程中发挥着重要的作用。借助蓄电池内阻在线巡检与谱分析仪来实现对蓄电池性能的检测和分析，不仅能够有效减少噪声对检测结果造成的影响，还能够获得更准确地测量数据，并检测出蓄电池组中的失效电池，进而保障整个蓄电池组的安全运行。基于保障我国电网安全运行的主要要求，作为电力系统中的重要组成部分，需要对电力系统中的蓄电池进行及时的安全检测，才能够尽量减少蓄电池故障问题对整个电力系统正常运行造成的影响。举例来说，Fluke BT500系列蓄电池内阻分析仪是一种能够有效实现蓄电池内阻分析的仪器，这种分析仪能够实现对数据中心、电信网络以及配电系统等情况下蓄电池的维护、故障排除以及性能测试功能。

3.结语

应用内阻在线巡检法来保障蓄电池的应用安全，对保障电力系统的正常运行和电力资源的供应起到了重要的作用。在对蓄电池进行巡检时，不仅要考虑到蓄电池由于本身容量和运行等方面产生的故障问题，还要重视周边环境对蓄电池产生的影响，是否会造成蓄电池性能的损坏和使用寿命的缩短。借助内阻在线巡检与谱分析仪来对蓄电池进行检测，能够有效保障电力系统的正常运行。