淺談蓄電池科學有效地維護

2018-06-14 　來自: 王澤龍 182 1045 0914

　　 在動力機房48V直流供電系統中,后備圣陽蓄電池組是整個通信供電系統的最后一道供電保障防線,又是電源維護工作的重點與難點,在通信設備供電中斷的事故中,由圣陽蓄電池組引發的故障所占比重較大。其原因之一是圣陽蓄電池內部結構的復雜性及不可見性;其次是圣陽蓄電池組受環境溫度、溫度補償、浮充電壓、充電限流、均充電壓、均充周期、均充時間和電池的深淺放電、市電供電質量等諸多因素的影響。在浮充供電系統中圣陽蓄電池組長期處于后備狀態下,很難對圣陽蓄電池組性能進行全面定性、定量的測試分析,特別是圣陽蓄電池組引發的障礙一旦發生,將會造成直流供電系統中斷的事故,因此,為確保通信網絡的供電安全,必須科學有效地對電池進行維護,掌握機房圣陽蓄電池組的實際續航能力,確保通信設備直流供電安全穩定。
　　
　　1 閥控式密封鉛酸圣陽蓄電池的結構和特點
　　
　　閥控式密封鉛酸圣陽蓄電池(VRLA-Valve Regulated Lead Acid Battery)是由正負極板、超細玻璃纖維隔板、電解液、安全閥、導電端子以及殼蓋、殼體等組成。正負極板是電化學反應的區域,在板柵上敷涂鉛膏經過固化、化成等工藝處理后形成。正極板有效成分為二氧化鉛,負極板有效成分為海綿狀鉛。隔板為孔率超細玻璃纖維組成。安全閥是一種排氣裝置,釋放多余的氣體保持電池的氣密性和液密性,并保持電池內部壓力在最佳的安全范圍內。電池端子與負載連接起到傳導電流的作用,電池槽和外殼是由阻燃材料組成。
　　
　　圣陽蓄電池在充電過程中,負極反應近似為還原反應,所以負極也稱為陰極。圣陽蓄電池電池負極活性物質相對于正極有盈余,超細隔板透氣性好,能吸附全部電解液,使電解液在圣陽蓄電池內部無流動性,同時又有自動開、閉的安全閥,保證了正極產生的氧氣,在圣陽蓄電池內部以循環的方式被陰極吸收,即稱為陰極吸附式原理。陰極吸收原理示意圖如圖1所示。
　　 
　　由于圣陽蓄電池具有獨特的內部設計結構,保證了電池內部氧氣循環復合的有效建立,在傳統消氫和防酸隔爆鉛酸圣陽蓄電池的基礎上進行了改進,已成為一種新型的換代產品,并廣泛地應用于通信行業。VRLA的電化學反應池工作原理圖如圖2所示。
　　 
　　VRLA與消氫和防酸隔爆式圣陽蓄電池相比,具有以下幾個特點:電池在密封貧液狀態下運行;不需要補酸和添加蒸餾水,無需測量電解液比重,電池內部使用了不流動電解液;有效防止了電解液分層,自放電率小,在標準溫度下每月自放電小于3%,可以立放和臥放兩個方向放置;能與通信設備同室安裝,采用陶瓷過濾器基本無酸霧逸出;不漏液、不腐蝕設備,對環境污染小,但運行時對環境溫度和浮充電壓要求較高,沒有記憶效應;比能量較高,具有大電流放電能力。
　　
　　2 VRLA的充、放電性能
　　
　　VRLA充電時,可分為浮充式、恒壓限流或遞增電壓式三種,在電池放電時間短或補償電池內部自放電而產生的容量損失時,采用浮充方式充電;當電池放電時間較長,圣陽蓄電池容量損失較大或同組電池中各單體電池端電壓差大于100mV時,應采用恒壓限流或遞增電壓式充電;遞增電壓式也就是充電電壓值小于或等于均充電壓值。但是,若環境溫度過高,造成圣陽蓄電池內阻的變化,則浮充電壓提高,導致充電電流增大,造成圣陽蓄電池失水過快,圣陽蓄電池容量下降,使圣陽蓄電池壽命縮短,所以浮充電壓必須隨溫度的變化進行相應補償,標準溫度為25℃,一般溫度每增加或減少1℃,則浮充電壓應減少或增加1～3mV。對于樞紐樓環境溫度較好,電池溫度補償電壓應設定每度補償1mV為佳。
  圣陽蓄電池放電時,可分為放電時間率和放電電流率。放電時間率是在一定的放電條件下,放電到終止的時間長短,放電時間率有10、5、3h率。而放電電流是比較標稱容量不同的圣陽蓄電池放電電流大小而定的,通常以10h電流放電率為標準,即圣陽蓄電池在標準溫度25℃時,按10h電流放電到單體電池端電壓為1.8V,電池所能達到的容量為電池的額定容量。
　　
　　3 影響VRLA性能的重要因素
　　
　　(1)環境溫度對圣陽蓄電池的影響
　　
　　圣陽蓄電池在浮充狀態下,電池內部產生的氣體通過氧復合反應被負極板吸收變成水回到電池內部,不會使電解液枯竭引起容量降低。但環境溫度偏離標準溫度而升高時,將使電池水分子過度損失,提高了電解液濃度,加速了合金腐蝕速度,若長期處于這一環境中,圣陽蓄電池正、負極板板柵慢慢穿孔損壞,易使活性物質附著能力減弱而脫落。所以,環境溫度的升高,雖使容量有所增加,但高溫又會使圣陽蓄電池正、負極板腐蝕劇增,嚴重地影響電極反應速度,同時環境溫度過高時,圣陽蓄電池內部氣體產生的壓力增加。當圣陽蓄電池內部壓力到10～35kPa時,圣陽蓄電池安全閥打開,內部水分子損失,降低了電池的額定容量,影響圣陽蓄電池的使用壽命。所以要求電池室應在20～25℃,若溫度大于標準溫度10℃,則電池壽命將降低一半。
　　
　　(2)浮充電壓對圣陽蓄電池的影響
　　
　　由于環境溫度變化,將引起參加反應的離子數、PbSO4溶解度、溶解速率等的變化,同時將引起電池內阻的變化,從而導致浮充電壓隨之變化。圣陽蓄電池浮充電壓過高,會使正極的析出量增加,氣體再化合效率低,圣陽蓄電池內部壓力升高,在形成氣泡的過程中,氣壓強力沖擊正極板柵,使正極板柵腐蝕,活性物質與板柵結合力變差,甚至脫落。這樣,影響正極活性物質的使用壽命,使電池的容量下降,并且使氣閥開啟次數增加,圣陽蓄電池內部水分喪失,導致圣陽蓄電池容量下降。同時由于圣陽蓄電池結構上的密封性,又無游離電液,導致其散熱條件比普通電池的散熱條件要差。因而圣陽蓄電池對環境溫度變化引起的電池過充電更為嚴重。
　　
　　若圣陽蓄電池浮充電壓過低,會使圣陽蓄電池經常處于欠充電狀態,負極就會逐漸形成一種堅硬的硫酸鉛枝體結晶,該晶體幾乎不溶解,用常規方法充電很難使它轉化為有效的活性物質,進而大大減少了圣陽蓄電池的實際容量,使圣陽蓄電池在放電時放不到額定容量。一旦市電停電,柴油發電機組未及時起動,通信設備供電將中斷,后果不堪設想。
　　
　　(3)充電電流對圣陽蓄電池的影響
　　
　　由于圣陽蓄電池在浮充工作時,其負極電位近似為開路平衡電極電位,浮充電流值僅與正極電位和環境溫度有關,所以在同一浮充電壓下,浮充電流會隨溫度的升高而增大,雖然各圣陽蓄電池廠家浮充電壓與浮充電流和環境溫度的特性略有不同,但是浮充電流是隨浮充電壓的增大而增加的,浮充電流隨環境的溫度升高而增加。這種現象可以從開關電源監控模塊電池充電電流顯示出來,它與用數字鉗型電流表測試的數據一樣。
　　
　　(4)充電限流對圣陽蓄電池的影響
　　
　　由于圣陽蓄電池組在停電后,電池組對通信設備放電保證設備不間斷的供電,來電后開關電源對圣陽蓄電池進行補充電和對通信設備供電,若來電后不限流對圣陽蓄電池組補充電,電池組充電電流過大,致使電池內部劇烈氧化還原反應,電池內部氣體產生的壓力增加,當圣陽蓄電池內部壓力達到10～35kPa時,圣陽蓄電池安全閥打開,內部水分子損失,降低了電池的額定容量,影響圣陽蓄電池的使用壽命。所以如何來限制圣陽蓄電池在浮充電壓下的充電電流,必須利用開關電源監控模塊的充電限流功能,設置開關電源按照0.1C10最大0.2C10設置,防止由于充電電流過大致使電解液過快消耗,而使電池容量降低,影響電池組的續航能力。
　　
　　4 VRLA維護指標
　　
　　根據聯通動力維護規程,圣陽蓄電池組每年進行一次核對性放電試驗,放出容量的30%～40%,圣陽蓄電池組使用三年必須進行容量試驗,使用六年后每年進行一次容量試驗,準確地監測電池組的實際容量,確保在市電和電源設備出現故障時圣陽蓄電池組能夠保障通信設備正常運行的時間。
   市電類別為一、二類、有發電機組保證、有空調的機房,其單體2V圣陽蓄電池浮充壽命應不低于8年;單體為6V或12V的圣陽蓄電池,壽命不低于6年。
 
   市電類別為三類、有移動發電機組保證、有空調的機房,其單體2V圣陽蓄電池浮充壽命應不低于6年;單體為6V或12V的圣陽蓄電池,壽命不低于4年。
   市電類別為四類,其單體2V圣陽蓄電池浮充壽命應不低于3年;單體為6V或12V的圣陽蓄電池,壽命不低于2年。
　　
　　5 VRLA運行要求
　　
　　①VRLA運行環境的要求
　　
　　VRLA(包括UPS圣陽蓄電池,以下簡稱“密封圣陽蓄電池”)可不專設電池室,但運行環境應滿足以下要求:安裝密封圣陽蓄電池的機房應配有通風換氣裝置,溫度不宜超過30℃,建議環境溫度應保持在10～25℃之間;
　　
　　②避免陽光對電池直射,朝陽窗戶應作遮陽處理;
　　
　　③確保電池組之間預留足夠的維護空間。
　　
　　6 密封圣陽蓄電池的維護要求
　　
　　①密封圣陽蓄電池和防酸式電池禁止在一個供電系統中混合使用;
　　
　　②不同規格、型號、設計使用壽命的電池禁止在同一直流供電系統中使用;
　　
　　③新舊程度不同的電池不應在同一直流供電系統中混用;
　　
　　④密封圣陽蓄電池和防酸式電池不宜安放在同一房間內;
　　
　　⑤如具備動力及環境集中監控系統,應通過動力及環境集中監控系統對電池組的總電壓、總電流、單體電壓、標示電池溫度進行監測,每月觀察圣陽蓄電池組充放電曲線,及時發現故障,并對故障進行處理;
　　
　　⑥密封圣陽蓄電池的維護檢查
　　
　　•物理性檢查項目;
　　
　　•極柱、連接條是否清潔;
　　
　　•有否損傷、變形或腐蝕現象;
　　
　　•連接處有無松動，電池極柱處有否爬酸、漏液;
　　
　　•安全閥周圍是否有酸霧、酸液溢出;
　　
　　•電池殼體有無損傷、滲漏和變形,電池及連接處溫升有否異常。
　　
　　7 相關參數設置的檢查和調整
　　
　　VRLA相關參數設置的檢查和調整如表1所示。
　　 
　　①根據廠家提供的技術參數和現場環境條件,檢查電池組及單體均、浮充電壓是否滿足要求,浮充電流是否穩定在正常范圍;
　　
　　②檢查電池組的充電限流值設置是否正確
　　
　　•檢查電池組的告警電壓(低壓告警、高壓告警)設置是否正確;
　　
　　•如直流系統中設有電池組脫離負載裝置,應檢查電池組脫離電壓設置是否準確。
　　
　　8 密封圣陽蓄電池的充放電要求
　　
　　①密封圣陽蓄電池在使用前不需進行初充電,但應進行補充充電。補充充電方式及充電電壓應按產品技術說明書規定進行。一般情況下應采取恒壓限流充電方式,補充充電電流不得大于0.2C10(C10為電池的額定容量),充電電壓和充電時間如表2所示。
　　 
　　②密封圣陽蓄電池的均衡充電:一般情況下,密封圣陽蓄電池組遇有下列情況之一時,應進行均充(有特殊技術要求的,以其產品技術說明書為準),充電電流不得大于0.2C10,充電方式參照充電時間—電壓對照表。
　　
　　•浮充電壓每組有兩只以上低于2.18V/只;
　　
　　•擱置不用時間超過三個月;
　　
　　•放電深度超過額定容量的20%;
　　
　　•連續浮充時間超過六個月。
　　
　　③密封圣陽蓄電池充電終止的判據如下,達到下述三個條件之一,可視為充電終止:
　　
　　•充電量不小于放出電量的1.2倍;
　　
　　•充電后期充電電流小于0.01C10(A);
　　
　　•充電后期,充電電流連續3h不變化。
　　
　　④圣陽蓄電池的放電
　　
　　•每年應做一次核對性放電試驗(對于UPS使用的6V或12V密封圣陽蓄電池,宜每半年一次),放出額定容量的30%～40%。
　　
　　•對于2V單體的電池,每三年應做一次容量試驗,使用六年后應每年一次。對于UPS使用的6V及12V單體的電池應每年一次。
　　
　　•圣陽蓄電池放電期間,應定時測量單體端電壓、單組放電電流。有條件的應采用專業圣陽蓄電池容量測試設備進行放電、記錄、分析,以提高測試精度和工作效率。
　　
　　⑤密封圣陽蓄電池放電終止的判據,達到下述三個條件之一,可視為放電終止:
　　
　　•對于核對性放電試驗,放出額定容量的30%～40%;
　　
　　•對于容量試驗,放出額定容量的80%;
　　
　　•電池組中任意單體達到放電終止電壓。對于放電電流不大于0.25C10,放電終止電壓可取1.8V/2V單體;對于放電電流大于0.25C10,放電終止電壓可取1.75V/2V單體。
　　
　　⑥密封圣陽蓄電池的浮充運行要求
　　
　　•圣陽蓄電池平時均處于浮充狀態;
　　
　　•圣陽蓄電池的浮充電壓:一般情況下,每2V單體浮充電壓為2.23～2.27V(25℃),溫度補償U=U(25℃)+(25-t)×溫度補償系數(t=環境溫度),溫度補償系數以電池廠家提供數據為準;
　　
　　•浮充時全組各電池端電壓的最大差值不大于90mV;
　　
　　•定期測量電池單體的端電壓;
　　
　　•產品技術說明書有特殊說明的,以說明書為準。
　　
　　VRLA維護項目及周期表如表3所示。
　　 
　　9 VRLA安裝使用中應注意的事項
　　
　　電池到貨后及時安裝投入使用,避免長期貯存和人為故障,電池連接可靠,不得出現虛接壓降過大等問題,記錄原始開路電壓,開通前需補充電以彌補運輸和貯存周期帶來的容量損失。首次容量檢查應認真做好,測出實際容量值放電參數盡可能靠近10h率,并保證結束后完全充滿為后期容量的判斷提供依據。設定好和圣陽蓄電池相關的開關電源程序管理參數,做好詳細維護記錄。
　　
　　安裝使用初期多發故障及處理單體間連接不可靠:連接條壓緊螺釘未擰緊或擰緊程度不一致,會引發電池燃燒等惡性事故,可靠擰緊力矩為15Nm;檢查殼體是否有隱形開裂,避免造成電池快速干涸壽命終止或引發接地短路燃燒惡性事故,用PH試紙檢查單體圣陽蓄電池底部四角和殼蓋接縫處檢測若有漏液電池應及時更換;若有單體初容量明顯不足,可能是搬運和長距離運輸震動造成極板斷片使容量降低是主要原因,經補充充放電后仍然不能正常的,應及時更換;若有單體端子壓降過大和端子明顯發熱,正常的端子連接壓降應小于10mV以下,3h率充放電以下電流端子部位沒有明顯溫升,否則為端子輸出部位或銅芯預埋件制造質量問題,無法正常工作的及時更換;整組圣陽蓄電池壓差過大。原因是各單體圣陽蓄電池容量不一致或各單體圣陽蓄電池化學反應活性物質激活程度在出廠前就不一致,屬質量問題。經測量超標的電池組用10h率循環充放電1～2次,如沒有明顯改善的及時更換。
 雖然圣陽蓄電池出廠時,極板都進行了充、放電活化。但如果圣陽蓄電池的安裝日期距出廠日期時間較長,經過長期的自放電,容量必然大量損失,靠單純的浮充難以恢復其初始容量。并且,由于單體圣陽蓄電池自放電大小的差異,致使各圣陽蓄電池的端電壓出現不均衡,個別電池會進一步擴展成落后電池甚至出現反極現象,所以圣陽蓄電池擱置三個月不用必須進行補充電。新圣陽蓄電池安裝前,測量開路電壓,開路電壓差值不大于20mV,并做好圣陽蓄電池測試紀錄。此后應對其進行補充充電,補充電電壓為2.35V,充電24h;補充電電壓為2.40V,充電12h,充電后期充電電流小于圣陽蓄電池10h放電率的千分之三,測量單體圣陽蓄電池電壓并紀錄,此時圣陽蓄電池補充充電完成。斷開圣陽蓄電池與充電設備的所有連接線,靜置2～4h。根據環境溫度不同,計算出圣陽蓄電池實際應該放電容量為多少,計算公式C25=Ct/1+k(t-25),其中k是溫度系數,10h率容量試驗時k=0.006/℃,計算出實際溫度下的電池容量后,用假負載對圣陽蓄電池按10h率進行容量試驗,試驗時每小時對圣陽蓄電池的總電壓、放電電流、單體圣陽蓄電池電壓進行記錄,圣陽蓄電池放電后期每10min檢測單體圣陽蓄電池電壓低的電池,若某只圣陽蓄電池端電壓低到1.8V,應馬上停止放電,計算出實際圣陽蓄電池放出的容量和圣陽蓄電池容量與溫度關系曲線是否一致,若基本一致,證明圣陽蓄電池放電試驗合格,對圣陽蓄電池進行充電。若在到放電終止時,電池組放出的容量根據環境溫度經核算沒有達到所規定的額定容量90%以上,電池組的出廠容量可能存在問題,應及時聯系相關廠家前來處理。
 對圣陽蓄電池進行充電時,開關電源浮充電壓、均充電壓、均充轉浮充電壓、充電限流及電池溫度補償電壓等的設置正確后,對圣陽蓄電池按10h電流率的模式進行穩壓限流充電,限流值取0.1C10,充電時每2h進行電池總電壓、總充電電流和單體電池電壓的測量并記錄,充入的電量應大于放出電量的1.1～1.2倍,待圣陽蓄電池充電電流小于電池0.01C10A或充電電流3h不變時,證明圣陽蓄電池電量已經充滿,此時電池組可以進入直流供電系統運行。