浅谈稀土锂钇蓄电池在变电站直流电源系统中的应用

浅谈稀土锂钇蓄电池在变电站直流电源系统中的应用

周永光刘惠佘楚云

（深圳供电局有限公司深圳市罗湖区翠竹路水贝基地供电局大院518001）

摘要：目前变电站蓄电池使用最普遍的是铅酸蓄电池。铅酸蓄电池体积大、能量比低、使用寿命短，且含有毒重金属铅，对环境污染较大，后处理费用高，回收利用难度较大。稀土锂钇蓄电池作为一种20世纪90年代初期发展起来的新型先进储能电源，具有高能量比、长寿命、低自放电率、无污染、可快速充电和无记忆效应等特点，使用稀土锂钇蓄电池作为变电站的事故储能电池是一个值得深入探讨的课题。

关键词：稀土锂钇蓄电池；铅酸蓄电池；直流电源系统

DiscussiononApplicationofrareearthlithiumyttriumbatteryinDCpowersupplysystemofSubstation

ZhouYongguang，LiuHui，SheChuyun

（ShenzhenPowerSupplyCo.Ltd.，Luohudistrict，Shenzhen518001）

【Abstract】：Atpresent，lead-acidbatteryiswidelyusedinDCpowersupplysystem.Thelead-acidbatterylifeisshort，containstoxicheavymetals，andcausesseriouspollutiontotheenvironment.Rareearthyttriumlithiumbatteryisanewmodelofadvancedstoragepower，hashighenergyratio，longlife，lowself-dischargerate，nopollution，quickcharging，nomemoryeffectandothercharacteristics.Usingrareearthyttriumlithiumbatteriesaspowerstoragebatterysubstationisatopicworthyoffurtherexploration.

【Keywords】：rareearthyttriumlithiumbattery；lead-acidbattery；DCpowersupplysystem

1稀土锂钇蓄电池的特性

1.1稀土锂钇蓄电池的构成

锂离子电池由正极板、负极板、隔膜、有机电解质、正负极柱、安全阀、塑料外壳等构成。正极活性物质一般为含有锂的化合物，导电集流体使用电解铝箔；负极活性物质一般为炭材料，导电集流体使用电解铜箔；电解液一般为采用添加阻燃剂的有机电解质；隔膜一般为透气性好、曲折度低、厚度薄、孔隙率高的PP/PE多层膜。稀土锂钇蓄电池即在原锂电池正极材料中掺入稀土元素“钇”，由于钇原子半径较大，正极材料的锂钇氧化物分子层间间距变大，可以更快的将锂离子嵌入和析出，具有更优异的充放电稳定性。同时，稀土元素钇的加入，使得晶体结构更完整，颗粒更为均匀。比之传统锂离子电池，其加工、保存、使用的环境要求更为宽松，用途更为广阔。

1.2稀土锂钇蓄电池的工作原理

锂离子电池的正极材料通常为含锂的活性化合物，负极是具有特殊分子结构的炭。充电时，加在电极两侧的电势迫使正极的化合物释放出锂离子，在电场力作用下，锂离子运动，迁移并嵌入负极分子排列呈片状结构的炭中。放电时，锂离子则从层片状炭结构中析出，重新与正极物质结合，形成活性化合物，电子在外电路流过，产生电流。见图1“稀土锂钇蓄电池简单的原理示意图”。

稀土锂钇蓄电池化学反应电子式为：

负极：Li++C6+e→LiC6

正极：LiYnOm→YnOm-+Li+e

由于锂钇氧化物分子层间间距变大，锂离子嵌入、迁出能力强化。当锂离子迁出后，夹层之间的静电斥力增加，因此提高氧化物层的极化力有利于增加层结构的稳定，进而提高电池电化学性能。

1.3稀土锂钇蓄电池的优点

稀土锂钇蓄电池同比阀控式铅酸蓄电池有如下优点：

（1）循环寿命长。阀控式铅酸电池的循环寿命在300~500次，而稀土锂钇蓄电池的循环寿命达到5000~7000次。应用于变电站的阀控式铅酸蓄电池使用7~8年后，容量大幅度下降，而稀土锂钇蓄电池在同样条件下使用，将达到12~15年。

（2）能量密度高。能量密度远高于阀控式铅酸蓄电池，可以减轻电池架的体积和重量。阀控式铅酸蓄电池能量密度每公斤37瓦时，稀土锂钇电池能量密度每公斤150-190瓦时，同等容量的稀土锂钇蓄电池的体积是阀控式铅酸蓄电池体积的1/3，重量是阀控式铅酸蓄电池的1/3。

（3）额定电压高。阀控式铅酸蓄电池单体额定电压只有2V，应用于变电站110V直流系统需要52～54只电池；稀土锂钇蓄电池单体额定电压达到3.2V，应用于变电站110V直流系统只需要34～36只电池，将大幅降低维护量，减少使用用地面积。

（4）耐高温低温。稀土锂钇蓄电池使用温度范围-45~85℃，高低温放电性能好。而铅酸电池温度要求15~50℃，温度每升高1℃，电池电压下降约3mV。

（5）安全性能好。稀土锂钇蓄电池无公害、无记忆效应，绿色环保，易于回收。阀控式铅酸蓄电池的活性物质为二氧化铅、铅，电解液为硫酸，均污染环境。而稀土锂钇电池不会产生有害重金属物质。

（6）自放电率低。稀土锂钇蓄电池金属极板的间距远小于阀控式铅酸蓄电池的极板间距，稀土锂钇蓄电池的内阻受控于有机电解质，阀控式铅酸蓄电池的内阻受控于硫酸溶液，所以稀土锂钇蓄电池内阻远小于阀控式铅酸蓄电池，年自放电率小于2%，在1C放电电流条件下，效率达到90%以上，这是阀控式铅酸蓄电池难以达到的。

2稀土锂钇蓄电池在直流电源系统的应用

2.1稀土锂钇蓄电池的应用

我局110kV星河变电站直流电源系统采用110V/300AH双充双电，单母线分段运行的直流电源设备，于2006年投产，2014年由于#2阀控式铅酸蓄电池组容量不满足运行要求，因而在进行技改更换设计中，决定尝试采用先进技术的稀土锂钇蓄电池，额定容量为300AH，同时对#2充电装置进行改进设计，增加稀土锂钇蓄电池抑制过充回路，作为稀土锂钇蓄电池过充电保护。见图2“110kV星河变电站直流电源系统主接线图”。

1ZK——#1充电装置输出刀闸；2ZK——#2充电装置输出刀闸；

3ZK——直流I段母线输出刀闸；4ZK——直流II段母线输出刀闸；

5ZK——直流I段母线联络刀闸；6ZK——直流II段母线联络刀闸；

7ZK——直流I段母线短接硅开关；8ZK——直流II段母线短接硅开关；

9ZK——直流I段母线投入硅开关；10ZK——直流II段母线投入硅开关；

为了保证#1、#2直流充电装置在停机、浮充、均充时，缩小阀控式铅酸蓄电池组和稀土锂钇蓄电池组之间的电压差，因此设计安装36只稀土锂钇蓄电池作为该站#2蓄电池组。技改完成后，#1充电机输出121.7V电压对#1阀控式铅酸蓄电池组浮充电并供电至直流I段母线（DC110V1M）；#2充电机输出121.7V对#2稀土锂钇蓄电池组浮充电并供电给直流II段母线（DC110V2M）。以下是#1、#2直流充电装置在浮充、均充运行状态的电压计算值对比：

（1）#1、#2充电装置长期浮充电运行时，两组蓄电池组的压差是0.18V

#1阀控式铅酸蓄电池组电压：2.25（V）×54=121.50（V），

#2稀土锂钇蓄电池组电压：3.38（V）×36=121.68（V）

（2）#1、#2充电装置10小时均充充电时，两组蓄电池组的压差是0.54V

#1阀控式铅酸蓄电池组电压：2.33（V）×54=125.82（V）

#2稀土锂钇蓄电池组电压：3.48（V）×36=125.28（V）

为了满足变电站直流系统运行可靠性和直流电源系统技术规范的要求，结合稀土锂钇蓄电池和阀控式铅酸蓄电池的充放电特性和失效机理，合理设定出该站的#1、#2充电装置浮充电压值为121.7V，均充电压值为125V，其中#1充电装置均充时间设定为15小时，#2充电装置均充时间设定为10小时。#1、#2充电装置输出过压值设定为130V，充电电流限流值设定为30A。

2.2稀土锂钇蓄电池的过充电保护

稀土锂钇蓄电池过充电将破坏正极结构，且负极上会发生聚集锂离子，并析出金属锂，形成晶枝，晶枝会刺穿隔板，发生微短路，同时过充电使电解液分解，内部压力过高而导致漏液等问题，最终导致电池的失效，甚至影响电池的性能和寿命。故必须把运行中的稀土锂钇蓄电池组整组充电电压抑制在130V以内，单体电压控制在3.61V以内，单体电池之间的压差控制在100mV±10%之间。见图2，当#2充电装置发生输出电压高于设定过电压的130V时，对稀土锂钇蓄电池的损害比较大。故为了防止稀土锂钇蓄电池发生过充而性能下降，在变电站的应用中需要设计防止稀土锂钇蓄电池组过充电的抑制电路，和控制单体电池电压过高及压差过大的蓄电池在线监测装置。见图3稀土锂钇蓄电池组过充电抑制回路。

正常运行时，见图3，110kV星河变电站直流电源系统#2充电机输出电压Uo值121.7V，经KM接触器动合主触点KM-1闭合对#2稀土锂钇蓄电池组进行浮充充电。此时，#2充电机输出电压值在正常范围内，电压继电器K2线圈不励磁，中间继电器K1线圈不励磁，操作按钮SA接点在合闸位置，中间继电器动开接点K1-2在闭合位置，直流接触器KM线圈励磁吸合主接点KM-1，由已充满容量稀土锂钇蓄电池向直流II段母线负载供电。

异常运行时，见图3。

（1）当稀土锂钇蓄电池组总运行电压高于设定值130V时，电压继电器K2动合接点K2-1闭合，中间继电器K1励磁，动断接点K1-2断开，直流接触器KM失磁，断开主触点KM-1，充电机对蓄电池的充电回路被二极管隔断，此时，稀土锂钇蓄电池组对直流II段母线负载放电，同时电压继电器K2动合接点K2-2闭合，经#2直流监控单元发出稀土锂钇蓄电池组电压过高声光报警，并驱动S1接点闭合。

（2）当稀土锂钇蓄电池单体运行电压高于设定值3.61V时，#2蓄电池在线监测装置驱动S2-1、S2-2接点闭合，中间继电器K1励磁，动断接点K1-2断开，直流接触器KM失磁，断开主触点KM-1，充电机对蓄电池的充电回路被二极管隔断，此时，稀土锂钇蓄电池组对直流II段母线负载放电，同时#2蓄电池在线监测装置S2-2接点闭合，经#2直流监控单元发出稀土锂钇蓄电池单体电压过高声光报警，并驱动S1接点闭合。

3稀土锂钇与铅酸蓄电池的放电特性对比

3.1实验数据

对该站#2稀土锂钇蓄电池进行容量核对性试验，蓄电池单体标称容量为300Ah、单体电压为3.3V。以0.2C即60A电流放电，终止电压设置为2.8V。蓄电池组放电5小时记录如下：

0小时放电记录：

通过容量核对性试验发现，稀土锂钇蓄电池标称容量300Ah，实际放电容量300Ah，放电终止，最低电池电压3.054V，高于厂定终止电压2.8V，满足容量要求。

3.2特性对比

从上文放电试验数据中取前5节蓄电池单体的放电电压变化曲线，与阀控式铅酸蓄电池的放电曲线[4][5]进行对比（放电电流0.1C），如图4所示：

见图4，与阀控式铅酸蓄电池相比，稀土锂钇蓄电池在其放电过程中电压相对比较平坦的，在放电至80%容量以前，蓄电池电压从3.3V降至3.2V，变化较为缓慢，放电至80%容量后，放电电压曲线才向下快速弯曲。并且，根据其放电特性图，在0.5～10C的放电率范围内，输出电压大部分在2.7～3.2V范围内变化。这说明该电池有很好的放电特性。

4结论

综上所述，稀土锂钇蓄电池在变电站的实际应用中，各方面指标均达到直流电源系统技术规范和变电站电力设备运行要求，且具有良好的充放电特性。其在日常维护中，较之阀控式铅酸蓄电池更加省时省力，易于维护、更换，利于运维人员日常工作。从其投入产出来看，稀土锂钇蓄电池虽然初期投资较高，但维护成本、环境污染成本、二次利用价值上均优于阀控式铅酸蓄电池。

参考文献：

[1]吴小华，李瑜．串联锂离子蓄电池组充电均衡方法研究[J]．机电一体化，2009（5）：29-30．

[2]郭炳焜，徐徽，王先友等．锂离子电池[M]．长沙：中南大学出版社，2002：54-61．

[3]ZHENGJP，CYGANPJ，JOWTR.Hydrousrutheniumoxideasanelectrodematerialforelectrochemicalcapacitors[J].JElectrochemSoc，1996，143（1）：124-130．

[4]田羽，何仲，范春菊．变电站蓄电池容量计算和算法改进[J]．电力系统保护与控制．2010，38（22）：210-213．

[5]徐海明，王全胜．变电站直流电源设备使用与维护：阀控密封铅酸蓄电池[M]．北京：中国电力出版社，2007，24（7）：89-91．

[6]范美强，廖维林，吴伯荣，等．电动车用MH-Ni蓄电池充放电性能研究[J]．电源技术，2005，29（4）：195-198．

[7]片春媛，刘俊峰，袁莉，常加旻，赵继红．蓄电池充放电控制系统[J]．铁道机车车辆.2005（06）：90-91．

[8]王辉．发电厂及变电站二次设备分布式直流电源系统探讨[J]．电力自动化设备，2004，24（7）：89-91．

[9]唐铁军，李生荣，李朝林．多路测试与控制蓄电池充放电系统[J]．电池．1996（03）：21-22．