摘 要:针对铅酸蓄电池在使用过程中出现的各种故障以及使用寿命大大缩短等问题, 简要地介绍了阀控密封铅酸蓄电池(VRLA)工作原理及相关特性, 详细地分析了这些故障的存在原因, 并在此基础上提出了阀控密封铅酸蓄电池最佳性能的实现方法。
关键词:阀控式密封铅酸蓄电池;充电;放电;最佳性能
阀控密封铅酸蓄电池(VRLA)通常又被称为“免维护蓄电池” , 常常被误认为是一种不需要维护的蓄电池, 以致于在运行中忽视了必要的维护, 导致产品性能达不到设计要求的效果和设计寿命, 还可能出现障。本文准备就提高V RLA 性能和延长它的使用寿命提出一些建议。
1 工作原理
阀控式密封铅蓄电池可以采用玻璃纤维隔板(AGM)或硅凝胶来“固定”硫酸电解液, 没有游离的电解液, 而且都是利用阴极吸收原理使电池得以密封的[ 1] 。电池充电时, 当充电量达到70 %后正极开始析氧, 充电到90 %后负极开始析氢, 正极析出的氧扩散到达负极并在负极发生反应后被吸收。氧在负极上的还原作用及负极本身较高的氢过电位可避免负极的大量析氢。
AGM 密封铅蓄电池采用硫酸溶液作电解液, 玻纤隔膜保持10 %的孔隙, 正极生成的氧通过孔隙到达负极。胶体型密封铅蓄电池的电解液由硅溶胶和硫酸配成, 作为隔膜的硅溶胶凝固后, 骨架收缩出现贯穿于正负极板之间的裂缝, 给正极析出的氧提供了到达负极的通道。另外, 为了保证电池有足够的寿命及正极气体释放的过电位, 常常在板极的材料及结构方面进行了优化。
2 影响阀控式密封铅酸蓄电池性能的因素
2. 1 电池的设计及制造
(1) 耐腐蚀性能考虑板栅耐腐蚀性能及正极更易腐蚀的特点, VRLA 的正极板通常设计得较厚(一般情况下正负极板的厚度之比=6 ∶4), 同时采用了pb-Ca-Sn-Al 四元耐蚀合金, 根据板栅腐蚀速度推算, 电池的设计寿命可达10 ～ 15 年。
(2) 析气问题板栅材料是影响板极析气的因素之一, 由于BRLA 的正板栅合金大部分采用pb-Ca-Sn-Al 四元等合金, 在25 ℃工作环境下一般单体充电电压在2. 35 V 以上时才开始释放气体, 相对其他蓄电池而言, 减少了气体释放量。(3) 水损耗速度在电池实际使用中水损耗速度是影响密封电池使用寿命的最关键因素之一[ 2] 。AGM 密封铅蓄电池的电解液全部吸附在电池的隔膜中, 没有游离的电解液, 是一种典型的贫液式电池, 电池的正极和负极活性物质的量及电解液的量处于最佳匹配状态。贫液式电池容量受电解液量的影响极为敏感。由于电池装配紧密, 这种电池的内部散热困难, 如不及时将热量排除造成热失控;电池内失水10 %, 电池的电容量将降低20 %;而一旦损失25 %水份电池寿命结束。胶体密封铅蓄电池电解液的硫酸浓度比AGM 密封铅蓄电池低, 板栅合金腐蚀速度本来就较慢, 电解液量又多15 %～ 20 %, 近似富液式设计[ 3] , 因此对失水的敏感性较低, 所含的水量足以使电池运行12 ～14 年。AGM 和胶体密封铅蓄电池两者在重量有较大区别, 对运行环境的要求也有区别, 但由于设计的优化, 目前的AGM 密封铅蓄电池已能达到理想效果, 应用也更普遍。
2. 2 用户使用和维护方式
(1) 数量设计变电站在新使用阀控密封铅酸蓄电池时, 受过去铅蓄电池蓄电池运行的影响,其个数选择往往偏多, 导致蓄电池长期处于“欠冲”状态。这也是导致其性能下降的原因之一。
(2) 环境温度环境温度过高, 蓄电池的极板腐蚀就会加剧, 同时将消耗更多的水, 从而使电池寿命缩短。
(3) 过度充电充电时如果不适当地提升浮充电压, 那么随着充电电流剧增电极反应中氢氧再化合的效率将变小。设C 为额定容量与小时率的比值(例如, 200 Ah , 10 小时率电池, 则C =20 A), 在电池充电状态为0. 05 C 时复合率为90 %, 而在0. 1 C时气体再化合效率将近似为零, 如图1 所示。这时聚集在负极的氧气和负极表面析出的氢气都很多, 导致电池内压徒升、排气阀开启, 以及蓄电池严重缺水。长期过充过多的氢离子将导致正极附近酸度增加, 板栅因腐蚀加速迅速变薄, 电池容量降低,从而影响到蓄电池的寿命。
(4) 过度放电或小电流放电一旦蓄电池被过度放电就会在阴极造成"硫酸盐化"。其中的硫酸铅作为一种绝缘体, 它的形成必将使蓄电池的内阻增加, 电池的充、放电性能变差, 蓄电池的使用寿命缩短。小电流放电条件下形成的硫酸铅氧化还原十分困难, 若硫酸铅晶体长期得不到清理, 必然会影响蓄电池的容量和使用寿命。
(5) 长期浮充电对阀控式蓄电池而言, 直流系统的开关电源提供的浮充电流供日常性负载电流、补充蓄电池自放电的损失和维持蓄电池内氧循环;若蓄电池在长期浮充电状态下只充电而不放电, 蓄电池的阳极极板将钝化, 内阻增大、容量大幅下降,使用寿命下降[ 4] 。
3 阀控式密封铅酸蓄电池最佳性能的实现模式
3. 1 数量的确定
根据浮充电压确定蓄电池个数, 以220V 额定电压直流为例, 当浮充电压为2. 25 V 时, 取102 个。n =1. 05 ×额定电压/ 浮充电压=1. 05 ×220 /2. 25 =102. 673. 2 浮充电压与充放电对于供电质量高、很少发生停电的电源来说, 所使用的蓄电池应该定期对进行活化放电, 每隔一定周期(2 ～ 3 个月)人为地中断交流电, 让电源系统中的蓄电池放电一次, 放电的幅度在30 %～ 50 %之间(避免过度放电), 然后再重新充电。正常运行时浮充电压应等于开路电压与极化电压之和, 或用下列计算方法估算:浮充电压:U =(电解液比重+0. 85) +(0. 10 ～ 0. 18)V例如, 美国圣帝公司的电池电解液比重为1. 240 g /cm3 , 所以它的浮充电压为2. 19 V 。日本YUASA 公司的浮充电压为2. 23 V 。
3. 3 工作温度
研究表明:蓄电池在25 ℃的环境下可获得较长的寿命, 但如果在35 ℃的环境下长期运行, 蓄电池
的使用寿命将降低约一半。因此如果条件允许, 可以把蓄电池安放在有空调的环境中, 使工作温度保持在15 ～ 20 ℃间。充电时采用温度补偿措施也可以延长电池寿命, 这时温度采样点的选取直接关系着补偿的效果:把蓄电池附近的空气温度作为采样点在技术上最容易实现(目前基本都采用此法), 但采样温度不能准确反映蓄电池的工作温度, 特别是因种种原因引起的蓄电池自身的温升, 不能得到准确的采集;在蓄电池内部采集温度数据最能反应蓄电
池的实际情况, 但较难实现;在外壳上采集温度数据可以基本反映蓄电池的工作情况, 而且也较容易实现, 目前已有生产商采用这种方式来设计温度补偿单元。另外, 阀控式蓄电池的容量是随着温度的变化而变化的, 维护人员必须认真做到根据实际温度的变化合理地调整蓄电池的放电电流。
3. 4 容量与类型
在实际应用中, 根据具体情况选择适当的电池类型和容量是提高电源性能和延长电池寿命的重要措施。例如100 Ah /220 V 日本汤浅电池:一组36节电池, 10 小时率100 Ah 或1 小时率时60 Ah , 15年寿命;另一组18 节电池, 20 小时率100 Ah 或1小时率时56 Ah , 3 年寿命。可见在容量上有差别,在寿命上亦有差别。变电站蓄电池全部采用10 小时率类型, 其容量选择由此决定。例如某220 kV 变电所220 V 直流负荷为:经常负荷16. 0 A , 事故照明18. 2 A , 通信电源9. 1 A , 远动电源4. 5 A , 电流统计47. 8 A , 1 小时容量统计47. 8 Ah 。蓄电池容量= 可靠系数×放电容量容量系数=1. 4 ×47. 80. 656=102(Ah) 故选择蓄电池的标称容量200 Ah 。可靠系数这里取1. 4 , 其中已考虑低温对蓄电池的影响、电池的参数不一致的影响及当电池容量低80 %时为寿命终止;容量系数可查表, 这里取0. 656 。
3. 5 定期检验
运行中的蓄电池每隔2 ～ 3 年必须进行一次全核对性实验, 用电流恒流放电, 当蓄电池组端电压下降到蓄电池放电终止电压Uz 后停止放电。Uz 的确定如下:
Uz ≥0. 85 ×额定电压/nUz ≥0. 85 ×220 102 =1. 83 V以220 V 额定电压102 个电池为例:当Uz 靠近1. 83 V 时停止放电, 隔1 ～ 2 h 后采用分级充电方式进行充电, 即在充电初期用恒流限压均充, 充到均充电压并恒压一定时间后改用常规的恒压浮充方式。浮充电压应为1. 05 Un , 均充电压应为1. 1 Un(Un 为蓄电池组的额定电压)。若经过3 次全核对性放充电, 蓄电池组容量均达不到额定容量的80 %以上, 可认为此组阀控蓄电池使用年限已到, 应安排更换。
3. 6 在线监测
为蓄电池配置在线监测管理技术, 对蓄电池进行内阻在线测量与分析, 以便及时了解蓄电池的运行数据并发现蓄电池的缺陷, 对蓄电池及时进行维护。在以上措施中, 除定期检验属铅酸蓄电池一般维护外, 其他均为阀控式蓄电池要特别注重的地方,其他的常规维护还有保持电池房清洁, 检查电池极柱, 安全阀是否有渗液和酸雾溢出。每半年检查连接部分是否有松动, 重新拧紧连接处的螺钉, 正确设置电池的运行管理参数, 新旧电池组不能混用等。
4 结束语
综上所述, 要想使阀控密封铅酸蓄电池更好地发挥其性能, 使其工作年限得以延长, 在实际使用的过程中就需要做好工作温度及均浮充电压等相关参数的设置, 考虑工作环境及工作场地等因素, 做好在线监测及运行周期维护等相关工作, 并根据产品特点制定一套科学的维护措施, 基本上能够实现阀控密封铅酸蓄电池能的最佳性能。该模式经变电站长期实践运行表明, 在减少蓄电池性能故障以及延长蓄电池使用寿命等方面, 取得了明显的效果, 证明该
模式确实可行。
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