1 问题的提出
　　
　　随着科学技术的发展,各行各业对直流电源的稳定性、可靠性要求越来越高,世界工业先进国家在20世纪80年代已开始普遍采用镉镍电池作为储能备用电池,并对铅酸电池进行了以免维护为目的的结构性改造;充放电设备也从早期的相控电源及磁饱和式电源发展为现有的微机控制的GZD,PED等直流电源成套装置,并向智能高频开关模块式直流电源发展。
　　
　　福建华安水电厂于1979年投产,装机容量为60MW,采用单母线分段有端电池的220V直流电源系统。其中主充机为半桥式可控硅整流器,浮充机为调压整流器,蓄电池为126只2V/300AH普通铅酸蓄电池,电气原理图如图1所示。由于所采用的普通铅酸蓄电池的日常维护工作量非常大,福建华安水电厂将普通铅酸蓄电池更换为被人们称为免维护的阀控式密封铅酸蓄电池。随后，在该系统的运行方式不变的基础上,将主充机的控制系统进行升级,更改为微机控制后,经常出现故障,整组蓄电池容量不足,造成发电机微机励磁装置和线路微机保护装置经常出现工作异常,严重影响了安全生产。

　　2 免维护蓄电池、直流母线电压和华安水电厂直流运行方式的认识
　　
　　2.1 免维护特性
　　
　　阀控式密封铅酸蓄电池由于正常运行时不需要进行对电解液检测以及调酸加水等传统的定期维护工作,因而被人们称为免维护蓄电池。但由于阀控式密封铅酸蓄电池的使用时间较短,再加上一些厂家的宣传误导,往往让维护人员误以为它是完全免维护的。结果蓄电池自安装后就任其运行,放弃必要的维护工作,造成运行隐患。其实,在实际运行中,其免维护性仅仅体现在运行过程中不需添加蒸馏水和免测电解液浓度,而其他方面仍与铅酸蓄电池一样,需细致地加以维护。必须定期清洁蓄电池表面,经常保持蓄电池的洁净;定期检查蓄电池的单体端电压,若出现个别蓄电池电压低于正常值时,需对整组蓄电池进行均衡充电,均充后仍达不到指标的蓄电池则需更换;蓄电池放电后,应对蓄电池及时补充充电,以保证蓄电池有足够的容量,有利于延长电池的使用寿命。试验证明:阀控式密封铅酸蓄电池对充电及浮充电都有严格的要求,选取充电电流、电压、时间、浮充电电压、环境温度及校正浮充电压等正确与否对延长电池使用寿命,确保电池满容量都有极大的影响。因此,在充电装置的自动控制性能无法满足免维护蓄电池充电的要求时,其免维护性是不存在的[1]。
　　
　　2.2 密封特性
　　
　　普通铅酸蓄电池要实现密封免维护,其难点在于充电后期水的电解。蓄电池生产厂家为此采取了一些技术措施,使正极板产生的氧气在充电时很快与负极的活性物起反应并恢复成水,由于损失极少,从而实现了铅酸蓄电池的密封免维护性能。
　　
　　2.3 温度特性
　　
　　蓄电池浮充电运行时充电方式采用的是恒压方式,其浮充电压必须严格按照厂家对蓄电池的要求保持一个恒定值,在该电压下充入的电量应足以补偿蓄电池由于其自放电而损失的电量,使蓄电池长期处于充足电状态。该电压的选择应使蓄电池因过充电而造成的损坏降到最低程度。整组蓄电池浮充电压为 　
　　UF =nU+nK 
　　式中,n为整组蓄电池的单体电池数目;U为常温下(20℃ ~25℃)的单体蓄电池浮充电压,视不同厂家给出值不同,一般为2.23~2.33V;K为温度校正系数,一般为-3mV(℃、只),即温度升高1℃应降低3mV,降低1℃应加3mV。
　　
　　以220V直流系统,108个蓄电池为例:108×0.003=0.324V,以温度变化5℃为一级调节,则为0.324×5=1.62V,按浮充电压单体为2.23V/只,25℃时计,则调节量占常温时浮充电压的百分比为
　　1.62/(108×2.23)=0.673(%)。 
　　而普通的可控硅整流充电器,浮充时稳压精度一般仅为2%,最高也就是1%,其自身的稳压误差就超过了补偿电压值,显然不能满足蓄电池进行温度补偿的要求。
　　
　　2.4 充电特性
　　
　　免维护蓄电池的气体再化合效率在蓄电池的充电电流不大于0.01C10(A)时,伴随充电过程产生的气体可100% 再化合成水;当充电电流恒定在0.1C10(A)时,气体再化合效率约为35%。当蓄电池内部产生气体的速率大于气体再化合成水的速率时,蓄电池内部聚集的气体越来越多,内压亦随之越来越大,一旦内压达到安全阀的排放压力(10~49kPa)时,蓄电池将释放出气体,这意味着蓄电池损失了一定份量的水分,因此,免维护蓄电池不能长期采用恒流充电方式,必须采用限流恒压充电方式。
　　
　　在充电的第一阶段,气体产生的速率虽大于再化合成水的速率,但此阶段一般仅有数小时,不至于使电池内部气体压力积累到使安全阀排放的压力值,在充电实际操作过程中,在限流充电阶段蓄电池电压在达到该转入恒压充电电压值时(一般为2.20~2.40V,不同厂家取值不相同),应及时转入恒压充电方式。如果再继续长时间对蓄电池限流充电,蓄电池电压升高将对电池造成损害,同时其内部压力越来越大,安全阀将动作排放气体而使蓄电池损失水分,缩短其使用寿命,情况严重时将使蓄电池报废。为了防止这一情况发生,充电时一定要遵照技术手册规定的充电要求进行操作[2]。
　　
　　2.5 直流母线电压范围
　　
　　蓄电池组在正常浮充电方式下,直流母线电压应为直流系统额定电压的105%。在其他运行方式下,直流母线电压不应超出直流设备所允许的电压波动范围。
　　
　　(1)控制负荷系统的直流母线(KM)电压应在直流系统额定电压的85% ~110%的范围内。
　　
　　(2)动力负荷系统的直流母线(HM)电压应在直流系统额定电压的87.5% ~112.5%的范围内。
　　
　　(3)控制母线(KM)与动力母线(HM)合并后的电压波动范围要取二者的公共值,即在直流系统额定电压的87.5% ~110%之间。
　　
　　福建华安水电厂属于第3种情况,厂内颁布的电气运行规程中规定直流系统母线电压为215~225V之间。
　　
　　2.6 福建华安水电厂直流系统运行方式
　　
　　(1)如图1所示,要使整组蓄电池安全可靠地运行,通过基本电池的电流I1和端电池的电流I2要一致,通过放电电阻的电流I4要等于或尽可能接近于直流负荷电流I3。当直流系统负荷发生变化时,由于放电电阻5R是人为调节且正常情况下是固定不变的,因此,其分流作用就无法及时随负荷变化,结果就会造成端电池过充或欠充,长期运行便损坏端电池。
　　
　　(2)浮充机仅仅是1台整流调压器,其使用效果肯定不尽人意。福建华安水电厂正是由于在实际的使用中对免维护蓄电池的充放电特性认识不足,才造成直流系统工作不稳定以及蓄电池损坏。