CN111238576A - 铅酸蓄电池多状态在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铅酸蓄电池多状态在线监测系统，属于电池安全监测技术领域；包括本体监测模块、环境监测模块和监控后台，本体监测模块包括内阻监测单元、浮充电流监测单元、铅酸蓄电池表面温度监测单元，内阻监测单元包括依次连接的切换电路、恒流放电负载和电压传感器，恒流放电负载和电压传感器并联；浮充电流监测单元包括依次连接的调制电路、开口式磁通门探测头、过压保护电路、信号处理电路；环境监测模块位于铅酸蓄电池室内，包括可燃气体监测单元、烟雾监测单元、湿度监测单元、图像监测单元；对于铅酸蓄电池失效或火灾极早期较为敏感的判断因素进行实时状态采集监测，提升铅酸蓄电池火灾识别的准确率。

Description

铅酸蓄电池多状态在线监测系统

技术领域

本发明涉及一种铅酸蓄电池多状态在线监测系统，属于电池安全监测技术领域。

背景技术

变电站直流电源系统是变电站二次系统继电保护、安全自动装置、及自动化设备等的工作电源来源，是变电站得以安全可靠运行的基本保障。而蓄电池作为直流电源系统最核心的部分，是交流输入异常时直流电源系统得以继续为负荷提供工作电源的唯一后背支撑。因此，一旦蓄电池损坏，继电保护装置将失去工作电源，失去快速切除事故负荷的能力，将会直接造成重大设备损坏或变电站全停，对电网企业和国民经济造成重大损失。

铅酸蓄电池具有成本低、性价比高、可靠性好、原材料易得等优点。由于全密封，无须加水维护，阀控式密封铅酸蓄电池也被称为“免维护”蓄电池。但正是由于“免维护”使得用户放松了对阀控铅酸蓄电池的日常维护和管理，阀控铅酸蓄电池在实际使用中常出现过早失效与热失控现象。当电池被充电时，电池内部温度发生累积增强作用。增温过程中，热量累积到一定程度，电池端电压会突然降低，迫使电流突然增大，从而损坏蓄电池，这种现象称为热失控。铅酸蓄电池热失控严重时可引发蓄电池燃烧，导致变电站发生火灾或全站直流系统失压，危害电力系统安全运行。基于上述事实，分析铅酸蓄电池常见故障与明火引发的关联特性，寻找蓄电池火灾引发的关键因素至关重要。

由于二次系统中直流电源设备故障或系统异常运行导致的电力系统事故，其中有部分原因是铅酸蓄电池容量不足、健康度降低、铅酸蓄电池开路等。因此，通常情况下我们只关注于铅酸蓄电池性能劣化对直流电源系统供电可靠性的制约，而忽视了铅酸蓄电池作为一种能量储存与转换的装置，是化学能与电能的循环转换，会因为连接不牢固、转换效率等热量的积累产生温升造成铅酸蓄电池起然；或是化学反应的变化析出可燃气体，更是带来燃爆的风险。

(1)铅酸蓄电池内阻增大或连接条松动造成铅酸蓄电池起燃

根据能量计算公式：Q＝I2RT(Q代表能量，I代表电流，R代表电阻，T代表时间)可知，当有电流流过时即会释放能量，且电流和电阻越大，释放的能量也越大。而对于铅酸蓄电池来讲，这些能量都将以热量的形式散发。当需要铅酸蓄电池对外输出供电时，如果某节铅酸蓄电池的内阻增大或两节铅酸蓄电池间连接条松动导致接触电阻增大，在放电电流经过该部位时会导致铅酸蓄电池内部或极柱的温度急剧升高，并且会随着时间的推移而加剧。当温度上升到一定程度时，就会引起电池端子发热导致外壳材料炭化，ABS冒烟起火。

(2)铅酸蓄电池热失控导致铅酸蓄电池燃爆

铅酸蓄电池的热失控指的是电池过充或环境温度过高导致充电电流过大，产生的热量将使电池进一步升温。铅酸蓄电池的温度升高，其内部化学反应更快速，导致铅酸蓄电池的内阻下降，内阻的下降又加强了充电电流。温度升高和电流的增大互相促进，使电池内部温度可以高达120℃以上，软化ABS外壳(ABS软化点90℃左右)，从而发生电池的膨胀、漏液、起火。

需要注意的是正常浮充的电池在寿命中后期也可能会发生热失控，原因是充电末期电池会发生电解水反应，而氧复合的效率并不能达到100％，不断的电解液损耗会导致隔板的饱和度下降，这会增加密封铅酸蓄电池的氧复合的电流，不但增大电池的浮充电流，加速了电池的发热和进一步的失水，并最终引发热失控。所以说长期对铅酸蓄电池进行浮充电，从本质上也是一种过充电。

如果电池出现过充电，电池内部电解水的速率将会加快，这些气体来不及被吸收，会不断积累，当电池内部压力超过开阀压后排出氢氧混合易燃易爆气体，如果站点密封较好，在外部有火花时即容易引燃引爆。

综上所述，对于现投运变电站直流电源系统铅酸蓄电池还存在本体状态监测不全面、运行维护不到位、本体状态未与铅酸蓄电池起火燃烧的关键因素相关联的问题，因此无法提前发现铅酸蓄电池的火灾隐患，严重制约着直流电源系统供电可靠性。

现行的变电站直流电源系统对于铅酸蓄电池的运行状态监测，多是铅酸蓄电池的组压、充放电电流、单体电压、单体温度，运行环境监测只根据消防要求配置了烟雾探测器和温湿度传感器。但是，对于铅酸蓄电池失效或火灾极早期较为敏感的判断因素的实时状态采集并未提出相关的监测，如铅酸蓄电池内阻增大、浮充电状态异常、铅酸蓄电池表面温度持续升高、可燃气体析出等。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种铅酸蓄电池多状态在线监测系统，对于铅酸蓄电池失效或火灾极早期较为敏感的判断因素进行实时状态采集监测，提升铅酸蓄电池火灾识别的准确率。

本发明所述铅酸蓄电池多状态在线监测系统，包括本体监测模块、环境监测模块和监控后台，本体监测模块包括内阻监测单元、浮充电流监测单元、铅酸蓄电池表面温度监测单元，内阻监测单元包括依次连接的切换电路、恒流放电负载和电压传感器，恒流放电负载和电压传感器并联；浮充电流监测单元包括依次连接的调制电路、开口式磁通门探测头、过压保护电路、信号处理电路；环境监测模块位于铅酸蓄电池室内，包括可燃气体监测单元、烟雾监测单元、湿度监测单元、图像监测单元；电压传感器、信号处理电路、可燃气体监测单元、烟雾监测单元、温湿度监测单元信号连接监控后台，监控后台包括内阻计算单元。

内阻监测单元用于监测铅酸蓄电池内阻，浮充电流监测单元用于监测铅酸蓄电池浮充电流，铅酸蓄电池表面温度监测单元用于监测铅酸蓄电池表面温度，可燃气体监测单元用于监测铅酸蓄电池可燃气体析出，烟雾监测单元、湿度监测单元用于监测铅酸蓄电池烟雾、湿度情况，图像监测单元用于根据图像监测铅酸蓄电池烟火信号。对于铅酸蓄电池失效或火灾极早期较为敏感的判断因素进行实时状态采集监测，提前发现铅酸蓄电池的火灾隐患。通过铅酸蓄电池多状态在线监测，综合考虑不同状态监测传感器测量结果与烟火图像识别结果的综合判断逻辑关系，提升铅酸蓄电池火灾识别的准确率，防止铅酸蓄电池火灾的错报和漏报。

优选地，切换电路包括多个继电器，所述继电器连接铅酸蓄电池组。

切换电路连接铅酸蓄电池组和恒流放电负载，通过切换电路分别将恒流放电负载接入到每一个铅酸蓄电池组中，对该组电池进行放电测试内阻。

优选地，可燃气体监测单元包括氢气传感器和/或烷类传感器。

优选地，烟雾监测单元包括烟感探测器。

优选地，铅酸蓄电池表面温度监测单元包括温度传感器和/或红外成像仪。

优选地，铅酸蓄电池组通过瞬间向恒流放电负载放电，电压传感器测量断电前后的电压，监控后台根据如下公式计算内阻：

R＝(U2-U1)/I，

在此，U1为断电前电压，U2为断电后电压，I为放电电流，I与恒流放电负载的固定恒流相同。

精度高、稳定性好、一致性好。测量放电电压稳定后的瞬间断电压差，跳过初始放电的不稳定期。采用特有的特征点高速捕捉技术，使得测试结果稳定、准确，测试过程便捷。对于单组蓄电池，无须断开充电机，蓄电池组无须退出系统，测试时不影响电源系统安全运行。多回路循环放电，避免了整组放电测量内阻对直流系统的正常运行造成影响。

优选地，切换电路和恒流放电负载之间设置有2000V光电隔离电路，确保了系统的绝缘性能。

优选地，电压传感器采集线前端设置有自恢复保险丝，具有短路保护功能，并且故障消除时能自动恢复，安全又方便。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明所述的铅酸蓄电池多状态在线监测系统，对于铅酸蓄电池失效或火灾极早期较为敏感的判断因素进行实时状态采集监测，提前发现铅酸蓄电池的火灾隐患；通过铅酸蓄电池多状态在线监测，便于综合不同状态监测传感器测量结果与烟火图像识别结果的综合判断逻辑关系，提升铅酸蓄电池火灾识别的准确率，防止铅酸蓄电池火灾的错报和漏报；从而提升直流电源系统供电可靠性。

附图说明

图1为本发明所述铅酸电池多状态在线监测系统的结构示意图；

图2为本发明所述内阻监测单元和浮充电流监测单元的电路示意图；

图3为本发明所述内阻的计算原理图；

图4为本发明所述浮充电流监测单元的原理图。

其中，1、内阻监测单元；101、切换电路；102、恒流放电负载；103、电压传感器；2、浮充电流监测单元；201、调制电路；202、开口式磁通门探测头；203、过压保护电路；204、信号处理电路；3、温度监测单元；4、可燃气体监测单元；5、烟雾监测单元；6、湿度监测单元；7、图像监测单元。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图1-4所示，本发明所述铅酸电池多状态在线监测系统，包括本体监测模块、环境监测模块和监控后台，本体监测模块包括内阻监测单元1、浮充电流监测单元2、铅酸蓄电池表面温度监测单元3，内阻监测单元1包括依次连接的切换电路101、恒流放电负载102和电压传感器103，恒流放电负载102和电压传感器103并联；浮充电流监测单元2包括依次连接的调制电路201、开口式磁通门探测头202、过压保护电路203、信号处理电路204；环境监测模块位于铅酸蓄电池室内，包括可燃气体监测单元4、烟雾监测单元5、湿度监测单元6、图像监测单元7；电压传感器103、信号处理电路204、可燃气体监测单元4、烟雾监测单元5、温湿度监测单元6信号连接监控后台，监控后台包括内阻计算单元。

内阻监测单元1用于监测铅酸蓄电池内阻，浮充电流监测单元2用于监测铅酸蓄电池浮充电流，铅酸蓄电池表面温度监测单元3用于监测铅酸蓄电池表面温度，可燃气体监测单元4用于监测铅酸蓄电池可燃气体析出，烟雾监测单元5、湿度监测单元6用于监测铅酸蓄电池烟雾、湿度情况，图像监测单元7用于根据图像监测铅酸蓄电池烟火信号。对于铅酸蓄电池失效或火灾极早期较为敏感的判断因素进行实时状态采集监测，提前发现铅酸蓄电池的火灾隐患。通过铅酸蓄电池多状态在线监测，综合考虑不同状态监测传感器测量结果与烟火图像识别结果的综合判断逻辑关系，提升铅酸蓄电池火灾识别的准确率，防止铅酸蓄电池火灾的错报和漏报。

具体的，浮充电流监测单元2包括依次连接的调制电路201、开口式磁通门探测头202、过压保护电路203、信号处理电路204，开口式磁通门探测头202设置在充电机和铅酸蓄电池之间；结合霍尔电流传感器与直流漏电流传感器两种传感器的特点，在漏电流传感器磁调制工作原理高精度采集的基础上，增加过压保护电路203实现大电流冲击保护，结合现场应用，采用开口式结构，方便安装，无需断电。

其中，切换电路101包括多个继电器，所述继电器连接铅酸蓄电池组。

切换电路101连接铅酸蓄电池组和恒流放电负载102，通过切换电路101分别将恒流放电负载102接入到每一个铅酸蓄电池组中，对该组电池进行放电测试内阻。

具体的，以2V104只铅酸蓄电池为例，按照每10节为一个小组分成11组，通过继电器分别将恒流放电负载102接入到每一个蓄电池小组中，对该组电池进行放电测试内阻。

其中，可燃气体监测单元4包括氢气传感器和/或烷类传感器。

其中，烟雾监测单元5包括烟感探测器。

其中，铅酸蓄电池表面温度监测单元3包括温度传感器和/或红外成像仪。

其中，铅酸蓄电池组通过瞬间向恒流放电负载102放电，电压传感器103测量断电前后的电压，监控后台的内阻计算单元根据如下公式计算内阻：

R＝(U2-U1)/I。

精度高、稳定性好、一致性好。测量放电电压稳定后的瞬间断电压差，跳过初始放电的不稳定期。采用特有的特征点高速捕捉技术，使得测试结果稳定、准确，测试过程便捷。对于单组蓄电池，无须断开充电机，蓄电池组无须退出系统，测试时不影响电源系统安全运行。多回路循环放电，避免了整组放电测量内阻对直流系统的正常运行造成影响。

其中，切换电路101和恒流放电负载102之间设置有2000V光电隔离电路，确保了系统的绝缘性能。

其中，电压传感器103采集线前端设置有自恢复保险丝，具有短路保护功能，并且故障消除时能自动恢复，安全又方便。

Claims (8)

1.一种铅酸蓄电池多状态在线监测系统，其特征在于：包括本体监测模块、环境监测模块和监控后台，本体监测模块包括内阻监测单元(1)、浮充电流监测单元(2)、铅酸蓄电池表面温度监测单元(3)，内阻监测单元(1)包括依次连接的切换电路(101)、恒流放电负载(102)和电压传感器(103)，恒流放电负载(102)和电压传感器(103)并联；浮充电流监测单元(2)包括依次连接的调制电路(201)、开口式磁通门探测头(202)、过压保护电路(203)、信号处理电路(204)；环境监测模块位于铅酸蓄电池室内，包括可燃气体监测单元(4)、烟雾监测单元(5)、湿度监测单元(6)、图像监测单元(7)；电压传感器(103)、信号处理电路(204)、可燃气体监测单元(4)、烟雾监测单元(5)、温湿度监测单元(6)信号连接监控后台，监控后台包括内阻计算单元。

2.根据权利要求1所述铅酸蓄电池多状态在线监测系统，其特征在于：切换电路(101)包括多个继电器，所述继电器连接铅酸蓄电池组。

3.根据权利要求1或2所述铅酸蓄电池多状态在线监测系统，其特征在于：可燃气体监测单元(4)包括氢气传感器和/或烷类传感器。

4.根据权利要求3所述铅酸蓄电池多状态在线监测系统，其特征在于：烟雾监测单元(5)包括烟感探测器。

5.根据权利要求4所述铅酸蓄电池多状态在线监测系统，其特征在于：铅酸蓄电池表面温度监测单元(3)包括温湿度传感器和/或红外成像仪。

6.根据权利要求2所述铅酸蓄电池多状态在线监测系统，其特征在于：铅酸蓄电池组通过瞬间向恒流放电负载(102)放电，电压传感器(103)测量断电前后的电压，监控后台根据如下公式计算内阻：

R＝(U2-U1)/I。

7.根据权利要求1或2所述铅酸蓄电池多状态在线监测系统，其特征在于：切换电路(101)和恒流放电负载(102)之间设置有2000V光电隔离电路。

8.根据权利要求7所述铅酸蓄电池多状态在线监测系统，其特征在于：电压传感器(103)采集线前端设置有自恢复保险丝。

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