地震台蓄电池运行效率评估

赵 楠赵希磊骆佳骥石英杰费盼盼

1）中国安徽 237000 六安市地震台

2）中国合肥 230031 安徽省地震监测中心

地震台蓄电池运行效率评估

赵 楠1）赵希磊2）骆佳骥2）石英杰1）费盼盼1）

1）中国安徽 237000 六安市地震台

2）中国合肥 230031 安徽省地震监测中心

抽检“十五”安徽地震监测台网一定比例台站供电UPS系统蓄电池组，使用数字检测仪对台站蓄电池（内阻、容量、电压）相关参数进行在线检测，并对检测参数分析汇总，应用定量化评估法，对台站UPS系统蓄电池运行质量与使用效率进行评估，提出完善与改进台站蓄电池使用率及维护方法与措施。

蓄电池；参数检测；效率评估

0 引言

台站仪器正常运行是获取连续观测数据，确保台站地震监测、震情速报与地震科研的基础。保证台站仪器能够长期稳定运行，台站供电保障是不可缺少的基础性技术环节。目前中国地震台站多采用交流供电方式，配置在线UPS电源系统。由于地震是随机性、突发性强的事件，要求台站仪器运行必须连续可靠，不能中断，因此台站供电必须得到保障。台站仪器供电除使用交流供电外，一般需配置UPS控制器和额定容量蓄电池组成不间断电源系统。即使在一些无人值守、光照条件好的遥测台站，采用太阳能或风能发电方式，也离不开蓄电池的应用。可见，蓄电池对稳定台站仪器供电十分重要。

台站蓄电池更换、更新在地震台网运维中是一项重要工作。根据蓄电池工作特点，对台站蓄电池选型得当、价格适中、配置合理，精心维护、高效运行，就能有效发挥蓄电池使用效率。根据地震台网运维工作需要，定期对台站蓄电池性能检测与运行状况监控，有序更新、更换维护台站运行的蓄电池，有效延续蓄电池使用寿命，既可保证台站仪器供电正常，又合理使用运维资金，达到充分提高蓄电池使用性价比的目的。

本课题通过对“十五”安徽省地震监测台网抽查一定比例台站，使用蓄电池容量数字测试仪，到现场对台站供电蓄电池运行质量（内阻、容量、电压、温度）相关参数在线检测与收集数据，应用定量化有效评估方法，对台站蓄电池运行与使用状况进行评估，分析检测参数、整合数据，发现问题，为区域监测台网台站蓄电池的运维提出符合台站实际、运维行之有效的工作建议与改进措施。

1 安徽地震监测台网概况

“十五”期间，安徽省地震监测台网新建、改造数字化台站24个（其中有人值守台站16个，遥测台站8个），其中六安地震台具有二虎山无人值守遥测台与有人值守台站。抽检其中13个台站，抽检率大于50%，使用数字电池容量检测仪到台站对UPS供电系统蓄电池运行状况在线检测与记录数据，并对检测数据（电压、内阻、内温、电流）进行统计分析。其中有人值守蒙城台、蚌埠台、合肥台供电有两组UPS系统配置已运行几年的两组蓄电池进行参数检测，应用定量化评估法，对安徽地震监测台网台站蓄电池运行质量与使用效率进行评估。

2 TES-33测试仪与检测方法

进行台站供电系统蓄电池运行状态与质量在线检测，使用专用蓄电池数字检测仪器，在线检测蓄电池在运行状态下的电池内阻、连线电导率、电池端电压、充放最大电流、电池内部温度、级联线情况等相关参数，了解检测台站蓄电池运行状态性能，通过记录数据分析，定量了解台站供电系统使用蓄电池组工作状态与内在质量，以便对台站供电蓄电池组进行有效维护。蓄电池检测仪也称TES-33数字式电池测试仪，见图1。图2为台站测震观测系统与供电及蓄电池检测图。

TES-33测试仪主要功能与技术参数为：在线测试蓄电池；检测电池内阻、电压、电流与温度；通过电流钳可测试电池容量；自动测量并锁定及数据自动存入；电池状态指示：正常pass、告警warning、故障fail；检测充电式电池、碱性电池及铅酸电池；解析度：内阻1 mΩ，电压1 mV，温度0.1℃。

图1 TES-33电池测试仪照片Fig.1 Photo of TES-33 digital battery test set and its function description

图2 测震台站仪器供电及蓄电池检测Fig.2 Description of battery checking and power supply of instrument at seismic station

使用TES-33数字式电池测试仪对测震台站供电UPS系统的蓄电池进行在线检测，将测试使用连接线红色夹与黑色夹端子分别插入测试仪标注红、黑色孔内，夹子按颜色标注紧夹住被测蓄电池正负极，红色对应正极，黑色对应负极；测试电流钳端子插入TES-33测试仪电流转换孔内（黄色），电流转换器夹钳夹在任意一根被测线环内；打开测试仪开关处于测试状态，数字显示屏显示被测蓄电池内阻、电压、电流值；2 s后显示测试蓄电池工作状态下内部温度值，可直接将测试数据记录下来；若启动自动测量功能，仪器可在1 min内连续测试10组参数数据并自动存入。TES-33测试仪允许最大测量端电压60 V。目前，测震台站UPS系统蓄电池组成一般为24 V/2节组、36 V/3节组两种，有人值守台站大多采用48 V/4节组。因此，TES-33测试仪适合于台站供电1 kV、2 kV、3 kV的UPS系统配置蓄电池组在线检测，评估蓄电池的运行质量与状态。

3 抽检测试分析

对“十五”安徽省地震监测台网的13个地震台站（xx1为有人值守监测室，xx2为无人值守摆房），共检测18组台站蓄电池组，主要工作参数见表1。

表1 安徽地震监测台网抽检台站供电蓄电池测试参数Table 1 Summary of sampling test parameters of the batteries for power supply of Anhui Monitoring Network

（1）UPS供电使用蓄电池品牌较多，型号达10余种，对区域地震监测台网台站蓄电池维护不利。

（2）有人值守台站多采用3 kV UPS系统、无人值守台站采用1 kV的UPS系统配置额定低压值的蓄电池组，台站供电系统的蓄电池在线运行较为安全。

（3）本次抽检台站的测试时间，一次在2014年10月10日—14日，一次在2015年1月4 日—7日，季节不同，温差在10℃左右。检测时间季节不同，气温差异会影响蓄电池检测数据，是因为温度影响蓄电池野外使用效率较大，蓄电池内温与检测当天日常温变化密切相关。有人值守台站蓄电池一般放置在机房，可以保持较好的温度状态。而无人值守台站的蓄电池运行常温状态受季节影响较大，夏季无人值守遥测仪器机房室温升高，导致蓄电池内温升高、内耗增加，影响蓄电池使用寿命及充放电效率，而有人值守台站情况较好。因此，改善遥测地震台仪器房环境温度是必要的，特别在建设或改造时，应考虑增加恒温与调温设计以及通风条件。

（4）舒城遥测台站供电蓄电池组检测参数基本正常，但在加负载放电试验时，电池组降压明显异常，3节电池进行分节检测，发现第2节内阻有明显增大趋势，补充电测试，蓄电池额定电压达不到正常值，检查发现蓄电池外观左侧下部有微细裂缝及液汁渗出。台站供电蓄电池定期动态检测，对排查蓄电池故障隐患，保证台站供电正常具有实际工作意义。

（5）在进行无人值守遥测台供电蓄电池组与单节检测时，发现台站电池组内阻与单节电池内阻检测值存在差异，约mΩ或十几mΩ，直接测试电池连接线阻值，发现不同连线均有1—5 mΩ的阻值。因此，电池连接线制作必须规范（或使用原厂线），与蓄电池接线柱连接时，应使用专用工具将连接螺丝固紧。

（6）在对豹子崖无人值守遥测台供电蓄电池组（36 V）进行自动放电15 min测试时，实时检测负载电压达37.85 V，内阻达19.69 mΩ，说明豹子崖遥测台站的UPS系统蓄电池运行正常。所以，应该在农村用电非高峰期（秋冬季）进行台站监控，定期对遥测台站蓄电池进行自动充放电检测，以延长蓄电池使用寿命，并提高使用效率。

（7）在UPS蓄电池组测试中，主要对石家河、豹子崖、烂泥坳、舒城、定远、二虎山6个无人值守遥测台进行中断交流供电，蓄电池组放电15 min，系统运行检测额定电压及内阻参数，结果见表2。

表2 抽检遥测台充放电状态检测蓄电池额定电压及内阻参数Table 2 Rated voltage and internal resistance parameters of sampling testing of charge and discharge states of the batteries at telemetering station

4 有效评估法与评估指标体系

有效评估法称为定量化最小优化极值求和法。最小优化极值求和法，是通过定期对一定规模的地震监测台网，采取抽检一定比例（数量大于50%）台站供电的蓄电池组，对抽检台站蓄电池工作参数进行在线检测与运行状况检查。根据评估台站供电系统蓄电池（测试、运行）工作质量而建立起来的两级评价指标体系（赵建和等，2009；何康等，2009），对测试检查内容赋予不同的定量化评估分值，其中核心评估指标进行系数加权和数值优化，即对被检测台站蓄电池的每一项测试结果赋予分值后再优化，由抽检台站蓄电池测试指标得分后进行两级求和，用评估总分值之和评价一个地震监测台网供电系统蓄电池运维效率。100分为满分发。评价标准：P≥90分，则台网供电系统蓄电池运行效率为优； 75分≤P ＜ 90分，则台网供电系统蓄电池运行效率为良，个别测试指标需要完善； 60分≤P ＜ 75分，则台网供电系统蓄电池运行效率为及格，测试核心指标亟待改进；P ＜ 60分，台网台站供电蓄电池运维工作内容与方式需作重大调整。

真实评价一个地震监测台网供电系统蓄电池使用效率的可信度，一般需要有相当的抽检比例，认为抽检台站比例大于50%为适宜（罗词建等，2010）。评价体系总和称为P，分别设置测试指标（η）、运行指标（ξ），评分各占50分，具体见表3。显然，评价体系的最小优化求和法，在很大程度上能够较好反映一个监测台网在运维中供电系统蓄电池的使用效率（张玲等，2010）。

表3 区域台网蓄电池评价指标及评分值Table 3 Evaluation index and scoring list for the batteries in regional netwark

表3中评分求极值和公式为

式中，P为台网供电系统蓄电池运行效率描述值；η = Σ｛蓄电池内阻、检测电压、检测最大负载电流、内部温度、连线阻值、负载试验、检测运行时间｝的测试指标评分均值和；ξ = Σ｛有/无人值守台及观测手段、UPS配置与负载时间、电池配置、电池品牌、电池容量及价格、产品寿命、电池组级联方式、预计更新周期｝的测试指标评分均值和。

5 台站蓄电池运行质量评估

5.1 质量评分

由表1、表2及公式（1）分别给出安徽省地震监测台网抽检台站蓄电池运行检测参数对应指标与运行指标评估评分值并计算相应均值。

（1）指标评分。①抽检台站13个，18组100 A ·h蓄电池12 V共计70节，检测内阻R1＜ 8 mΩ的有43节，分值9分；R2＞15 mΩ的有3节，分值2分；10 Ω ＜ R3≤15 mΩ的7节，分值4分；8 mΩ ＜ R4≤10 mΩ的有17节，分值6分，求比例均值后得7.47分；②检测蓄电池电压V＞13.0 V的有58节，分值9分；12.7 V≤V≤13.0 V有11节分值6分；12.0 V≤V ＜ 12.7 V有1节分值4分；检测V ＜ 12.0 V的蓄电池无，求比例均值后得8.46分；③检测蓄电池最大负载电流I ＜ 5 A有28节，分值2分；5.0 A≤I≤10.0 A有38节分值4.5分；I ＞ 10 A的有6节，分值5.5分，求比例均值后得3.71分。但在线检测输出最大电流时发现大功率UPS系统配置蓄电池输出电流未能达到满负载状态；④抽检的70节蓄电池组节间内部温差0.1℃≤|ΔC|的有7节分值6分；0.1℃＜ |ΔC|≤0.5℃有38节，分值4.5分；|ΔC| ＞ 0.5℃的有25节，分值2分，求均值后得3.76分；⑤抽检台站5个，检测连接线18根，r ＜ 2 mΩ有5根，分值5.5分；2 mΩ≤r ＜ 5 mΩ有8根，分值4分；r ＞ 5 mΩ有5根，分值2分；求均值得3.86分；⑥在2个检测台站UPS系统蓄电池进行放电试验，检测时间与电压符合要求，得分值6分；⑦抽检台站蓄电池已使用时间T ＜ 1年无；1≤T≤3年有17组蓄电池，检测部分参数差异较大，分值4分；T ＞ 3年仅有蚌埠台1组蓄电池，检测参数稳定性符合要求，分值6分，求均值后得4.11分。

（2）运行指标评分。⑧抽检有人值守台8个，台站测项均为3个观测手段以上，分值5分；无人遥测台5个，均为测震手段，六安台有强震动观测手段，分值3分，求均值后得4.23分；⑨1 kV的UPS电源设计不间断时间4小时有7组，分值4分；3 kV的UPS电源设计不间断时间8小时有9组，分值6分；5 kV的UPS电源设计不间断时间大于8小时有1组，分值10分；求均值后得5.41分；10 UPS功率与电池组电压配置基本合理，分值5分；但蒙城台配置偏低；11抽检13个台站蓄电池品牌杂多，仅达十余种型号，不利于台站电池更换调配；招标采购100 A·h免维护蓄电池价格均在1 000元/节内，仅个别台站使用高于1 000元/节，根据抽检检查综合评分值7分；12抽检品牌蓄电池提供使用寿命参数，t＜5年无，5年≤t＜8年占8种型号分值5分；t＞8年占2种型号分值6分；求均值后得5.2分；13抽检台站UPS系统配置电池容量均为100 A·h，分值5分；14抽检台站有合肥台3 kV在线UPS电源采取4节两组蓄电池并联方式，运行蓄电池内阻不均匀性会影响整电池组使用寿命，分值2.83分；15从抽检台站蓄电池数据参数分析，13个台站蓄电池使用寿命有3组预期3≤F≤5年，7组预期5＜F≤8年，3组预期F≥8年，求均值后得3.00分。

由公式（1）得到评价结果

5.2 遥测台抽检充放电测试指标评分

（1）抽检6个遥测台，在线检测台站蓄电池6组内阻，R1＜ 8 mΩ，有3组，分值9分；8 mΩ≤R ＜ 10 mΩ，有2组，分值6分；10 Ω≤R≤15 mΩ，有1组，分值4分；均值7.17分。

（2）抽检6个遥测台，在线检测台站1 kV UPS电源蓄电池组电压＞ 39.0 V，单节电压均V ＞ 13.0 V，分值9分。

（3）检测放电15 min电压参数，12.7 V≤V≤13.0 V，有4组，分值6.0分；12.0 V≤V＜12.7 V，有1组，分值4.5分；V＜12.0 V，有1组，分值3分；均值5.25分。

（4）检测放电15 min电池内阻参数，R ＜ 8 mΩ，有2组，分值9分；8 mΩ≤R ＜10 mΩ，有3组，分值6分；10 Ω≤R≤15 mΩ，有1组，分值4分；均值6.67分。

（5）检测放电过程可最大输出电流，5.0 A≤I≤10.0 A，有5组，分值4.5分；I ＜5 A，有1组，分值2分，均值4.08分。

（6）抽检台站检测蓄电池内部温差，分值3.76分。

（7）抽检地震台站蓄电池已使用1≤T≤3年，分值取4分。由计算公式（1）得到：η = ｛R.V.I.ΔC.r.Y.T ｝ = 7.17 + 9.0 + 5.25 + 6.67 + 4.08 + 3.76 + 4.0 = 39.93分。折合百分比：η = 79.86分。

抽检6个遥测台站仪器供电蓄电池在充放电试验过程检测结果为良好状态，经仔细分析实验数据，发现舒城遥测台供电蓄电池组存在着检测参数部分异常，存在安全隐患，需要尽快更换维护。

6 台站蓄电池运行效率评估

由75.04分可知，安徽地震监测台网台站蓄电池配置与运行状态，处于良好状态的下限，所抽检50%台站蓄电池检测运行质量评价结果基本反映台网现状。其中抽检的6个遥测台蓄电池进行充放电试验检测数据，评分结果79.86分，检测结果状态良好，但从检测记录数据分析可知，似存在一定安全隐患，有必要采取措施进一步改进与完善检测台站蓄电池维护相关技术环节。

具体如下：①蓄电池采购品牌杂多，不利于地震监测台网蓄电池运维调配与更换；②蓄电池更新更换时存在部分连接线制作不规范，连接紧固安装不牢靠，一些台站未使用原厂连接线，易引起电池内阻增加、加大内耗；③多组蓄电池并联方式连接影响蓄电使用寿命，原则上不可取；④无人值守遥测台站蓄电池放置位置不合适，不利通风、干燥，易潮湿、漏电，存在安全隐患，直接影响使用寿命；⑤无人值守遥测台站有必要增加远程监控方式，可定期对台站供电蓄电池充放电检测维护，有利于台站蓄电池在供电非高峰期的秋冬季定时充放电，使蓄电池保持良好电荷存储状态，延长蓄电池使用寿命。

7 结束语

通过抽检方式对安徽地震监测台网台站供电系统台站蓄电池进行工作状态、电池参数测试，一定程度上了解我国地震监测台网目前运行的供电蓄电池性能状态，通过运行效率评价体系，分析存在薄弱环节的原因，从而在台网运维中，不断改进措施，建立规范的购置蓄电池购置产品统一型号原则；根据不同台站特点、观测手段与设备功耗估计，合理配置UPS电源的电池容量；规范放置蓄电池位置及连接线；建立台网定期（每年）抽检台站蓄电池运行参数与工作状态机制，增加无人值守台监控功能，消除电池在运行存在的故障与安全隐患，提高台站供电系统蓄电池使用效率和地震台网监测效益的目的。

供鉴抽检地震台站供电系统蓄电池测试参数与运行状况设备评估效率方式，可运行到定期抽检监测台网台站其他设备（专业设备在线检测、蓄电池测试、供电电源检测、防雷设备检测）的工作参数、运行状态参数现场测试与检查，并建立相应的专业设备质量评估体系，这样能够及时发现问题，不断改善运维工作方式，提高工作效率，降低运维成本，使我国地震监测台网系统运行质量稳步上升，促进中国防震减灾事业的可持续发展。

本研究课题得到安徽省地震监测中心张学应高级工程师等老师的技术指导，在此表示感谢。

何康，等.安徽省地电监测能力综合评价.地震地磁观测与研究［J］，2009，28（3）：62-66.

罗词建，李媛媛，韩晓飞.陕西省“十五”形变台网数据质量评价［J］.华北地震科学，2010，28（4）：41-46.

张玲，梁向军，等.山西省数字地震台网监测能力分析［J］.山西地震，2010，4：11-16.

赵建和，戈宁，张学应.区域测震台网检测效能评估方法研究及应用［J］.地震地磁观测与研究，2009，30（5）：78-85.

Operation efficiency evaluation and improvement and perfection of the batteries for the power supply of station seismograph

Zhao Nan1），Zhao Xilei2），Luo Jiaji2），Shi Yingjie1）and Fei Panpan1）
1） Lu′an city Seismic Station，Auhui Province 237000，China
2） Anhui Province Earthquake Monitoring Center，Hefei 230031，China

Using online test method with digital buttery test set，the batteries used in UPS power supply systems of Anhui Seismic Monitoring Network，which is constructed during “the tenth-five year plan” era，are sampling checked.The checking parameters，including internal resistance，capacity and voltage，are summarized and analyzed in this article.The quality and operating efficiency of the batteries running in UPS system of stations are evaluated with quantitative evaluation method.Some practical methods and measures are put forward for improving and perfecting the effective usage and maintenance of the batteries running in seismic stations.

batteries，checking parameter，efficiency estimating

10.3969/j.issn.1003-3246.2015.05.020

赵楠（1986—），男，湖南人，从事台站地震监测与数据分析工作。E-mail：121227746@qq.com

中国地震局“三结合”课题资助（课题编号：141201）

本文收到日期：2015-03-20