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阀控式铅酸蓄电池的运行与维护

发布时间:2022-05-06 21:56:43点击量:247

蓄电池是石化行业供电系统中的重要组成部分,本文主要介绍了阀控式铅酸蓄电池的特点及失效机理、影响阀控式蓄电池使用寿命的主要因素、运行维护技术以及定期维护方法措施和应注意的问题。

电池是UPS及直流系统的重要组成部分,其好坏直接决定供电系统停电后能否不间断供电,其作用显而易见,所以,电池维护非常重要。特别是,近些年阀控式铅酸蓄电池(俗称免维护电池)在石化企业的普遍使用。阀控式铅酸蓄电池从一开始使用便被称为免维护电池,而生产厂家又承诺该电池的使用寿命为10 -20年(最少为8年),这样开始就给企业的维护人员一种误解,似乎这种电池既耐用又完全不需要维护,装上电池后就基本不用进行维护和管理,因而在使用阀控式酸电池过程中暴露出许多问题,例如,容量不足、电池端电压不均匀、电池内阻升高等,甚至有的电池寿命很短。经过查阅相关文献和实际应用维护,使我对阀控式铅酸蓄电池有了一定认识,下面对阀控式铅酸蓄电池的结构及失效机理进行简单阐述,并就蓄电池运行维护及检测方法等方面的认识,提出我的一些看法。


1.阀控式铅酸电池的特点及失效机理


1.1阀控式铅酸电池的结构特点

阀控式铅酸蓄电池的英文名称为Valve Regulated Lead Battery(简称VRLA电池),其基本特点是使用期间不用加酸加水维护,电池为密封结构,不会漏酸,也不会排酸雾,电池盖子上设有单向排气阀(也叫安全阀),该阀的作用是当电池内部气体量超过一定值(通常用气压值表示),即当电池内部气压升高到一定值时,排气阀自动打开,排出气体,然后自动关阀,防止空气进入电池内部。构成阀控铅酸蓄电池的主要由正负极板、电解液、隔膜、电池壳和安全阀,此外还一些零件如连接条、极柱等组成。与以往的开口式铅酸蓄电池相比,阀控铅酸蓄电池有以下主要的特点:1)VRLA电池实现了电池的密封,电池密封的关键技术是氧在电池内部的再复合实现氧的循环,氧的复合原理如下图所示:

 氧循环原理图

从看出,正极充电过程中因电解水析出的氧气,扩散到负极,与负极铅发生反应生成氧化铅(PbO),负极表面的PbO遇到电解液H2SO4发生化学反应生成PbSO4和H2O,其中PbSO4再充电而转变为Pb,生成的H2O又回到电解液,因氧气的再复合,避免了水的损失,从而实现了电池的密封。2)采用密封式阀控滤酸结构,酸雾不能逸出,达到安全、保护环境的目的。由于阀控铅酸蓄电池密封的特点,单向安全阀有一定的动作压力,电解液或水分不能溢出,因此阀控铅酸蓄电池在一定时期内可免加水维护。这是被称为免维护电池的由来,也是相对于富液式电池需要经常加酸加水而言的。

1.2阀控式铅酸电池的失效机理阀控铅酸蓄电池故障机理是非常复杂的,主要的故障机理有:电解液失水、负极板硫化、腐蚀和热失控等。1) 失水:虽然阀控式铅酸蓄电池一般情况下不会轻易失水或者说失水量很少,但它也并不是全密闭的。阀控式铅酸蓄电池顶部设有单向“放气阀”。在充电电流或放电电流过大的情况下,蓄电池内部化学反应,会产生气体,或在蓄电池内部有故障的情况下,气体也会增多,这样蓄电池内部压力就会增大。放气阀就是为了在内部压力过大时,为保护蓄电池不会炸裂而设计的。当内部压力达到一定值,这些阀就会打开,向外放气。而这些气体中就有正极上放出氧气和负极上放出的氢气,如此电池便“失水”了。蓄电池的失水会导致电池内部活性物质的减少,蓄电池容量下降,蓄电池内阻增大。2) 负极板硫化:当阀控式密封铅酸蓄电池的电荷不足时,在电池的负极栅板上就有PbSO4 存在,PbSO4 长期存在会失去活性,不能再参与化学反应,这一现象称为活性物质的硫酸化,硫酸化使电池的活性物质减少,降低电池的有效容量,久之就会使电池失效,蓄电池内阻增大。3) 极板腐蚀:由于电池失水,造成电解液比重增高,过强的电解液酸性加剧正极板腐蚀。极板腐蚀会造成活性物质的减少,蓄电池容量降低,蓄电池内阻增大。4) 热失控:热失控是指蓄电池在充电时,充电电流和电池温度发生一种累积性的相互增强作用,并逐步损坏蓄电池的现象。电池内部温度的增加使充电电流增加,充电电流增加即反应速度增大使电池内部温度升高,如此恶性循环,最终造成电池的热失控。热失控的直接后果是蓄电池的外壳鼓胀、漏气,电池容量下降,最终导致电池失效。极端的情况下由于电流过大、温度过高、使电池极柱、外壳和内部毁坏。


2.影响蓄电池寿命的因素


影响蓄电池寿命的因素相当复杂,而在使用过程中,温度和电压对蓄电池寿命的影响最大。

2.1环境温度对蓄电池的影响

蓄电池的寿命和性能与电池内部产生的热量密切相关,电池内部的热源是电池内部的功率损耗,在浮充工作时,电池内部的功率损耗可以简单地看作是浮充电压和浮充电流的乘积。在氧的再化合反应中,浮充电流会增大因而产生较多的热量。在恒压充电时,浮充电流随温度上升而增大,增大了的浮充电流又会产生更多的热量,从而使温度进一步上升。如果电池内部产生的热量超过蓄电池的散热能力,蓄电池的温度将会持续上升,以至使电池的塑料壳子变软熔化,放气阀堵塞时就会导致塑料壳子破裂,这就是所谓热失控。一般来讲,环境温度25℃时每升高6-10 ℃,蓄电池寿命减少一半。阀控式铅酸蓄电池正常情况下限制了内部水的蒸发,这样可以免去了向电池内部加液的麻烦。然而,也是这一特点使得蓄电池内部热量不能够由水蒸气蒸发而被带走,因此对于阀控式铅酸蓄电池,控制电池温度就显得格外重要。VRLA 蓄电池温度与寿命关系曲线见下图。

图2 VRLA蓄电池温度与寿命关系曲线2.2浮充电压对蓄电池的影响在系统中,电池是在线备用状态,这样电池基本上处于浮充状态中。在理论上要求浮充电压产生的电流量是以补偿电池的自放电。浮充电压的选取对电池的长期可靠运行起着至关重要的作用,是影响电池寿命至关重要的因素。偏高的浮充电压会造成电池缓慢失水并发生热失控而使电池失效;偏低的浮充电压会造成电池长期处于欠充电的状态,使电池发生硫酸化而导致电池失效。


3.电池的维护


根据以上电池失效的机理和电池寿命影响因素,加强对电池日常维护保证电池寿命显得非常重要,根据多年的经验主要有以下几方面应注意。

3.1蓄电池的充放电时应注意的问题

3.1.1充电

充电分为初充电、正常充电、浮充电、均衡充电等几种。1) 新蓄电池的首次充电称为初充电,目的在于使电池在装配过程中被氧化的极板活性物质还原,增加活性物质含量,提高蓄电池的放电性能。蓄电池安装好后都要进行初充电。从理论上来说,浮充充电不能替代初充电。2) 在用蓄电池在正常工作中,工作放电后进行充电称为正常充电。当电源系统输入交流电源中断时,蓄电池组立即承担起主要负荷。交流电源恢复送电时,充电装置将自动或手动进入恒流充电-恒压充电-浮充电,并恢复到正常运行状态。3) 一般情况下,电池组与整流电源并联连接到负载上,当交流电源正常时,整流器将交流电整流为直流电后,一面给蓄电池充电,一面为负载供电。当交流电源中断时,蓄电池的直流电立即给负载供电,以保证供电的连续性。这种蓄电池充电称为浮充电。4) 蓄电池在使用的过程中,往往会产生容量、电压等不均衡现象。导致蓄电池组输出电压过低,输出电量过小。为此,对电池组进行过充电,使蓄电池组中的每个蓄电池都处于充足电状态,这一充电过程称为均衡充电。一般均充电流选在电池Ah数的1/10,而时间一般为10小时左右。无论使用哪种充电方法,都应该按照厂家产品说明,控制充电电压和电流,以防欠充和过充造成蓄电池性能下降和寿命缩短。特别是浮充,浮充电压的选取很关键。国内一般选择2.23V~2.27V的浮充电压。不同厂家对浮充电压的具体规定不完全一样,所以实际中应根据具体厂家的电池要求及具体的环境温度选取浮充电压。一般情况下浮充电压定为2.23V/单体(25℃)比较合适。如果不按此浮充范围工作,而是采用2.35V/单体(25℃),则连续充电4个月就会出现热失控;或者采用2.30V/单体(25℃),连续充电6 ~ 8个月就会出现热失控;要是采用2.28V/单体(25℃),则连续12 ~ 18个月就会出现严重的容量下降,进而导致热失控。热失控的直接后果是蓄电池的外壳鼓包、漏气,电池容量下降,最后失效。另外,应注意不同环境温度浮充电压的选择,下图是某厂家电池浮充电压同,温度的关系曲线。

浮充电压和温度的关系曲线

阀控式密封铅酸蓄电池在使用中应注意观察电池的温度情况,随时注意观察浮充电压,若充电设备没有补偿温度的功能,就应按温度每上升1℃,每单体电池浮充电压下降3mV进行修正。均衡充电电压较高,不宜频繁使用。在石化停电不频繁的电源系统,可以采用每年4次,如果停电比较频繁的电源系统则再增加1~2次或电池组遇有下列情况之一时进行:有两只以上的电池在浮充状态下,电压低于2.18V(12V系统为13.08V);电池组搁置不用时间超过3个月。3.1.2放电核对性放电:即将蓄电池按照10h放电率进行放电,放电时要求及时监测每个单体电压和总电压,防止过放电,蓄电池端电压不要低于终止电压(最低1.8V/2V单体或10.8V/12V单体)。放电完后,静置2小时后,再用同样大小的电流对蓄电池进行恒流充电,使电池电压上升到2.35V/只或14.1V/只,保持该电压对电池进行8小时的均衡充电后将恒压充电电压改为2.25V/只或13.5V/只,进行浮充充电。上述方法,可以放出蓄电池容量的80%。但一般情况下,放出蓄电池容量的30~50%左右就可以了。通过核对性放电,可以计算出电池组的容量,活化落后的电池,恢复电池的容量。一般要求一年至少一次。放电时需要注意的是:放电电流不宜过大,更要避免短路放电。一般放电电流选在电池Ah数的1/10;放电时,蓄电池端电压不要低于终止电压,以防蓄电池过度放电导致蓄电池性能下降和寿命缩短;放电后,应该及时充电。不允许蓄电池在放电状态下长时间搁置。容量严重下降的电池,在浮充电状态下,其浮充电压的区别不足以用来判断电池是否因容量降低而失效,因此日常维护中需加强对电池的充放电活化管理。在电池组进行核对性放电过程中,容量严重下降的电池端电压就会很快跌落,这时从电池的端电压的变化上可以很容易的发现他们,以下是我们对直流屏的,一组直流电源蓄电池进行核对性放电的电压数值,其规格为100Ah/12V(18只),放电电流10A。一般情况下,放出蓄电池容量的30~50%左右就可以了,所以只记录四小时。

其中18号电池的放电电压曲线如下:

从放电电压看所有电池电压变化较一致,没有电压突降现象。容量校核:即判断蓄电池的实际容量,一般要求每三年进行一次。使用六年以后最好每年作一次。当输出容量低于额定容量的80%,则认为该电池失效。3.2蓄电池的检测预测蓄电池状态性能的一般方法有:蓄电池的电压变化监测和内阻检测。监测放电时的电压变化,是检测阀控铅酸电池的故障的一种方法之一,但是要想检测结果准确,就必须与放电试验结合进行。因此,这种试验必须在市电正常时带假负载或在,市电停电时电池带真负载放电过程中,才能检出故障电池,但检出故障电池时,蓄电池组已不能再提供可靠的电源,这样对供电系统造成严重影响,失去了备用电源的作用。各种电池失效最后都能引起蓄电池内阻的增大。可见根据电池内阻的大小可以检测出电池性能的好坏。不过需要注意的是,电池的内阻值在不同的状态及环境下,其内阻值也有很大的差异。电池内阻的比较尽量在同一状态下比较,且明显的内阻变化才表明蓄电池有大的性能改变,超过30%的变化即可认为明显,但这个变化幅度可能跟不同厂家的电池有关。以下是在运行中通过检测的实例。浮充状态下1组电池组,通过检测端电压和内阻数据如表2;电池规格为100Ah/12V,18只。


去除No9、No10电池后的内阻平均值为6.08,其中No9电池内阻偏离平均值31.9%,No10电池内阻偏离平均值28.5%。可以认为这两块电池有问题。对No9、No10单独恒流放电,测试实际容量。放电电流10A,记录放电电压和环境温度。测得No9电池的实际容量67.7%、No10电池的实际容量74.3%,均低于80%应更换。