淺談通信機(jī)房閥控密封鉛酸蓄電池科學(xué)有效地維護(hù)
在動力機(jī)房48V直流供電系統(tǒng)中,后備蓄電池組是整個通信供電系統(tǒng)的最后一道供電保障防線,又是電源維護(hù)工作的重點與難點,在通信設(shè)備供電中斷的事故中,由蓄電池組引發(fā)的故障所占比重較大。其原因之一是蓄電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及不可見性;其次是蓄電池組受環(huán)境溫度、溫度補(bǔ)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(zhì)量等諸多因素的影響。在浮充供電系統(tǒng)中蓄電池組長期處于后備狀態(tài)下,很難對蓄電池組性能進(jìn)行全面定性、定量的測試分析,特別是蓄電池組引發(fā)的障礙一旦發(fā)生,將會造成直流供電系統(tǒng)中斷的事故,因此,為確保通信網(wǎng)絡(luò)的供電安全,必須科學(xué)有效地對電池進(jìn)行維護(hù),掌握機(jī)房蓄電池組的實際續(xù)航能力,確保通信設(shè)備直流供電安全穩(wěn)定。
1 閥控式密封鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)和特點
閥控式密封鉛酸蓄電池(VRLA-Valve Regulated Lead Acid Battery)是由正負(fù)極板、超細(xì)玻璃纖維隔板、電解液、安全閥、導(dǎo)電端子以及殼蓋、殼體等組成。正負(fù)極板是電化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域,在板柵上敷涂鉛膏經(jīng)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(fù)極板有效成分為海綿狀鉛。隔板為孔率超細(xì)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(nèi)部壓力在最佳的安全范圍內(nèi)。電池端子與負(fù)載連接起到傳導(dǎo)電流的作用,電池槽和外殼是由阻燃材料組成。
蓄電池在充電過程中,負(fù)極反應(yīng)近似為還原反應(yīng),所以負(fù)極也稱為陰極。蓄電池電池負(fù)極活性物質(zhì)相對于正極有盈余,超細(xì)隔板透氣性好,能吸附全部電解液,使電解液在蓄電池內(nèi)部無流動性,同時又有自動開、閉的安全閥,保證了正極產(chǎn)生的氧氣,在蓄電池內(nèi)部以循環(huán)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。
由于蓄電池具有獨特的內(nèi)部設(shè)計結(jié)構(gòu),保證了電池內(nèi)部氧氣循環(huán)復(fù)合的有效建立,在傳統(tǒng)消氫和防酸隔爆鉛酸蓄電池的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),已成為一種新型的換代產(chǎn)品,并廣泛地應(yīng)用于通信行業(yè)。VRLA的電化學(xué)反應(yīng)池工作原理圖如圖2所示。
VRLA與消氫和防酸隔爆式蓄電池相比,具有以下幾個特點:電池在密封貧液狀態(tài)下運(yùn)行;不需要補(bǔ)酸和添加蒸餾水,無需測量電解液比重,電池內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(shè)備,對環(huán)境污染小,但運(yùn)行時對環(huán)境溫度和浮充電壓要求較高,沒有記憶效應(yīng);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(bǔ)償電池內(nèi)部自放電而產(chǎn)生的容量損失時,采用浮充方式充電;當(dāng)電池放電時間較長,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(yīng)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(huán)境溫度過高,造成蓄電池內(nèi)阻的變化,則浮充電壓提高,導(dǎo)致充電電流增大,造成蓄電池失水過快,蓄電池容量下降,使蓄電池壽命縮短,所以浮充電壓必須隨溫度的變化進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償,標(biāo)準(zhǔn)溫度為25℃,一般溫度每增加或減少1℃,則浮充電壓應(yīng)減少或增加1～3mV。對于樞紐樓環(huán)境溫度較好,電池溫度補(bǔ)償電壓應(yīng)設(shè)定每度補(bǔ)償1mV為佳。
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(biāo)稱容量不同的蓄電池放電電流大小而定的,通常以10h電流放電率為標(biāo)準(zhǔn),即蓄電池在標(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(huán)境溫度對蓄電池的影響
蓄電池在浮充狀態(tài)下,電池內(nèi)部產(chǎn)生的氣體通過氧復(fù)合反應(yīng)被負(fù)極板吸收變成水回到電池內(nèi)部,不會使電解液枯竭引起容量降低。但環(huán)境溫度偏離標(biāo)準(zhǔn)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(huán)境中,蓄電池正、負(fù)極板板柵慢慢穿孔損壞,易使活性物質(zhì)附著能力減弱而脫落。所以,環(huán)境溫度的升高,雖使容量有所增加,但高溫又會使蓄電池正、負(fù)極板腐蝕劇增,嚴(yán)重地影響電極反應(yīng)速度,同時環(huán)境溫度過高時,蓄電池內(nèi)部氣體產(chǎn)生的壓力增加。當(dāng)蓄電池內(nèi)部壓力到10～35kPa時,蓄電池安全閥打開,內(nèi)部水分子損失,降低了電池的額定容量,影響蓄電池的使用壽命。所以要求電池室應(yīng)在20～25℃,若溫度大于標(biāo)準(zhǔn)溫度10℃,則電池壽命將降低一半。
(2)浮充電壓對蓄電池的影響
由于環(huán)境溫度變化,將引起參加反應(yīng)的離子數(shù)、PbSO4溶解度、溶解速率等的變化,同時將引起電池內(nèi)阻的變化,從而導(dǎo)致浮充電壓隨之變化。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,蓄電池內(nèi)部壓力升高,在形成氣泡的過程中,氣壓強(qiáng)力沖擊正極板柵,使正極板柵腐蝕,活性物質(zhì)與板柵結(jié)合力變差,甚至脫落。這樣,影響正極活性物質(zhì)的使用壽命,使電池的容量下降,并且使氣閥開啟次數(shù)增加,蓄電池內(nèi)部水分喪失,導(dǎo)致蓄電池容量下降。同時由于蓄電池結(jié)構(gòu)上的密封性,又無游離電液,導(dǎo)致其散熱條件比普通電池的散熱條件要差。因而蓄電池對環(huán)境溫度變化引起的電池過充電更為嚴(yán)重。
若蓄電池浮充電壓過低,會使蓄電池經(jīng)常處于欠充電狀態(tài),負(fù)極就會逐漸形成一種堅硬的硫酸鉛枝體結(jié)晶,該晶體幾乎不溶解,用常規(guī)方法充電很難使它轉(zhuǎn)化為有效的活性物質(zhì),進(jìn)而大大減少了蓄電池的實際容量,使蓄電池在放電時放不到額定容量。一旦市電停電,柴油發(fā)電機(jī)組未及時起動,通信設(shè)備供電將中斷,后果不堪設(shè)想。
(3)充電電流對蓄電池的影響
由于蓄電池在浮充工作時,其負(fù)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(huán)境溫度有關(guān),所以在同一浮充電壓下,浮充電流會隨溫度的升高而增大,雖然各蓄電池廠家浮充電壓與浮充電流和環(huán)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(huán)境的溫度升高而增加。這種現(xiàn)象可以從開關(guān)電源監(jiān)控模塊電池充電電流顯示出來,它與用數(shù)字鉗型電流表測試的數(shù)據(jù)一樣。
(4)充電限流對蓄電池的影響
由于蓄電池組在停電后,電池組對通信設(shè)備放電保證設(shè)備不間斷的供電,來電后開關(guān)電源對蓄電池進(jìn)行補(bǔ)充電和對通信設(shè)備供電,若來電后不限流對蓄電池組補(bǔ)充電,電池組充電電流過大,致使電池內(nèi)部劇烈氧化還原反應(yīng),電池內(nèi)部氣體產(chǎn)生的壓力增加,當(dāng)蓄電池內(nèi)部壓力達(dá)到10～35kPa時,蓄電池安全閥打開,內(nèi)部水分子損失,降低了電池的額定容量,影響蓄電池的使用壽命。所以如何來限制蓄電池在浮充電壓下的充電電流,必須利用開關(guān)電源監(jiān)控模塊的充電限流功能,設(shè)置開關(guān)電源按照0.1C10最大0.2C10設(shè)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(xù)航能力。
4 VRLA維護(hù)指標(biāo)
根據(jù)聯(lián)通動力維護(hù)規(guī)程,蓄電池組每年進(jìn)行一次核對性放電試驗,放出容量的30%～40%,蓄電池組使用三年必須進(jìn)行容量試驗,使用六年后每年進(jìn)行一次容量試驗,準(zhǔn)確地監(jiān)測電池組的實際容量,確保在市電和電源設(shè)備出現(xiàn)故障時蓄電池組能夠保障通信設(shè)備正常運(yùn)行的時間。
市電類別為一、二類、有發(fā)電機(jī)組保證、有空調(diào)的機(jī)房,其單體2V蓄電池浮充壽命應(yīng)不低于8年;單體為6V或12V的蓄電池,壽命不低于6年。
市電類別為三類、有移動發(fā)電機(jī)組保證、有空調(diào)的機(jī)房,其單體2V蓄電池浮充壽命應(yīng)不低于6年;單體為6V或12V的蓄電池,壽命不低于4年。
市電類別為四類,其單體2V蓄電池浮充壽命應(yīng)不低于3年;單體為6V或12V的蓄電池,壽命不低于2年。
5 VRLA運(yùn)行要求
①VRLA運(yùn)行環(huán)境的要求
VRLA(包括UPS蓄電池,以下簡稱“密封蓄電池”)可不專設(shè)電池室,但運(yùn)行環(huán)境應(yīng)滿足以下要求:安裝密封蓄電池的機(jī)房應(yīng)配有通風(fēng)換氣裝置,溫度不宜超過30℃,建議環(huán)境溫度應(yīng)保持在10～25℃之間;
②避免陽光對電池直射,朝陽窗戶應(yīng)作遮陽處理;
③確保電池組之間預(yù)留足夠的維護(hù)空間。
6 密封蓄電池的維護(hù)要求
①密封蓄電池和防酸式電池禁止在一個供電系統(tǒng)中混合使用;
②不同規(guī)格、型號、設(shè)計使用壽命的電池禁止在同一直流供電系統(tǒng)中使用;
③新舊程度不同的電池不應(yīng)在同一直流供電系統(tǒng)中混用;
④密封蓄電池和防酸式電池不宜安放在同一房間內(nèi);
⑤如具備動力及環(huán)境集中監(jiān)控系統(tǒng),應(yīng)通過動力及環(huán)境集中監(jiān)控系統(tǒng)對電池組的總電壓、總電流、單體電壓、標(biāo)示電池溫度進(jìn)行監(jiān)測,每月觀察蓄電池組充放電曲線,及時發(fā)現(xiàn)故障,并對故障進(jìn)行處理;
⑥密封蓄電池的維護(hù)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(xiàn)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(guān)參數(shù)設(shè)置的檢查和調(diào)整
VRLA相關(guān)參數(shù)設(shè)置的檢查和調(diào)整如表1所示。
①根據(jù)廠家提供的技術(shù)參數(shù)和現(xiàn)場環(huán)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(wěn)定在正常范圍;
②檢查電池組的充電限流值設(shè)置是否正確
?檢查電池組的告警電壓(低壓告警、高壓告警)設(shè)置是否正確;
?如直流系統(tǒng)中設(shè)有電池組脫離負(fù)載裝置,應(yīng)檢查電池組脫離電壓設(shè)置是否準(zhǔn)確。
8 密封蓄電池的充放電要求
①密封蓄電池在使用前不需進(jìn)行初充電,但應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)充充電。補(bǔ)充充電方式及充電電壓應(yīng)按產(chǎn)品技術(shù)說明書規(guī)定進(jìn)行。一般情況下應(yīng)采取恒壓限流充電方式,補(bǔ)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密封蓄電池的均衡充電:一般情況下,密封蓄電池組遇有下列情況之一時,應(yīng)進(jìn)行均充(有特殊技術(shù)要求的,以其產(chǎn)品技術(shù)說明書為準(zhǔn)),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(xù)浮充時間超過六個月。
③密封蓄電池充電終止的判據(jù)如下,達(dá)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(xù)3h不變化。
④蓄電池的放電
?每年應(yīng)做一次核對性放電試驗(對于UPS使用的6V或12V密封蓄電池,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(yīng)做一次容量試驗,使用六年后應(yīng)每年一次。對于UPS使用的6V及12V單體的電池應(yīng)每年一次。
?蓄電池放電期間,應(yīng)定時測量單體端電壓、單組放電電流。有條件的應(yīng)采用專業(yè)蓄電池容量測試設(shè)備進(jìn)行放電、記錄、分析,以提高測試精度和工作效率。
⑤密封蓄電池放電終止的判據(jù),達(dá)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(dá)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密封蓄電池的浮充運(yùn)行要求
?蓄電池平時均處于浮充狀態(tài);
?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(bǔ)償U(kuò)=U(25℃)+(25-t)×溫度補(bǔ)償系數(shù)(t=環(huán)境溫度),溫度補(bǔ)償系數(shù)以電池廠家提供數(shù)據(jù)為準(zhǔn);
?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(chǎn)品技術(shù)說明書有特殊說明的,以說明書為準(zhǔn)。
VRLA維護(hù)項目及周期表如表3所示。
9 VRLA安裝使用中應(yīng)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(xiàn)虛接壓降過大等問題,記錄原始開路電壓,開通前需補(bǔ)充電以彌補(bǔ)運(yùn)輸和貯存周期帶來的容量損失。首次容量檢查應(yīng)認(rèn)真做好,測出實際容量值放電參數(shù)盡可能靠近10h率,并保證結(jié)束后完全充滿為后期容量的判斷提供依據(jù)。設(shè)定好和蓄電池相關(guān)的開關(guān)電源程序管理參數(shù),做好詳細(xì)維護(hù)記錄。
安裝使用初期多發(fā)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(fā)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(fā)接地短路燃燒惡性事故,用PH試紙檢查單體蓄電池底部四角和殼蓋接縫處檢測若有漏液電池應(yīng)及時更換;若有單體初容量明顯不足,可能是搬運(yùn)和長距離運(yùn)輸震動造成極板斷片使容量降低是主要原因,經(jīng)補(bǔ)充充放電后仍然不能正常的,應(yīng)及時更換;若有單體端子壓降過大和端子明顯發(fā)熱,正常的端子連接壓降應(yīng)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(yù)埋件制造質(zhì)量問題,無法正常工作的及時更換;整組蓄電池壓差過大。原因是各單體蓄電池容量不一致或各單體蓄電池化學(xué)反應(yīng)活性物質(zhì)激活程度在出廠前就不一致,屬質(zhì)量問題。經(jīng)測量超標(biāo)的電池組用10h率循環(huán)充放電1～2次,如沒有明顯改善的及時更換。
雖然蓄電池出廠時,極板都進(jìn)行了充、放電活化。但如果蓄電池的安裝日期距出廠日期時間較長,經(jīng)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(fù)其初始容量。并且,由于單體蓄電池自放電大小的差異,致使各蓄電池的端電壓出現(xiàn)不均衡,個別電池會進(jìn)一步擴(kuò)展成落后電池甚至出現(xiàn)反極現(xiàn)象,所以蓄電池擱置三個月不用必須進(jìn)行補(bǔ)充電。新蓄電池安裝前,測量開路電壓,開路電壓差值不大于20mV,并做好蓄電池測試紀(jì)錄。此后應(yīng)對其進(jìn)行補(bǔ)充充電,補(bǔ)充電電壓為2.35V,充電24h;補(bǔ)充電電壓為2.40V,充電12h,充電后期充電電流小于蓄電池10h放電率的千分之三,測量單體蓄電池電壓并紀(jì)錄,此時蓄電池補(bǔ)充充電完成。斷開蓄電池與充電設(shè)備的所有連接線,靜置2～4h。根據(jù)環(huán)境溫度不同,計算出蓄電池實際應(yīng)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(shù),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(fù)載對蓄電池按10h率進(jìn)行容量試驗,試驗時每小時對蓄電池的總電壓、放電電流、單體蓄電池電壓進(jìn)行記錄,蓄電池放電后期每10min檢測單體蓄電池電壓低的電池,若某只蓄電池端電壓低到1.8V,應(yīng)馬上停止放電,計算出實際蓄電池放出的容量和蓄電池容量與溫度關(guān)系曲線是否一致,若基本一致,證明蓄電池放電試驗合格,對蓄電池進(jìn)行充電。若在到放電終止時,電池組放出的容量根據(jù)環(huán)境溫度經(jīng)核算沒有達(dá)到所規(guī)定的額定容量90%以上,電池組的出廠容量可能存在問題,應(yīng)及時聯(lián)系相關(guān)廠家前來處理。
對蓄電池進(jìn)行充電時,開關(guān)電源浮充電壓、均充電壓、均充轉(zhuǎn)浮充電壓、充電限流及電池溫度補(bǔ)償電壓等的設(shè)置正確后,對蓄電池按10h電流率的模式進(jìn)行穩(wěn)壓限流充電,限流值取0.1C10,充電時每2h進(jìn)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(yīng)大于放出電量的1.1～1.2倍,待蓄電池充電電流小于電池0.01C10A或充電電流3h不變時,證明蓄電池電量已經(jīng)充滿,此時電池組可以進(jìn)入直流供電系統(tǒng)運(yùn)行。
