直流蓄電池[蒼松書屋]

1、蓄電池是電力電源系統(tǒng)中直流供電系統(tǒng)的重要組成部分,它作為直流供電電源,主要擔(dān)負(fù)著為電力系統(tǒng)中二次系統(tǒng)負(fù)載提供安全、穩(wěn)定、可靠的電力保障,確保繼電保護(hù)、通信設(shè)備的正常運(yùn)行。因此,蓄電池的穩(wěn)定性和在放電過程中能提供給負(fù)載的實(shí)際容量對(duì)確保電力設(shè)備的安全運(yùn)行具蓄電池組是變電站二次沒備電源系統(tǒng)的重要組成部分，可以說是變電站的心臟，所占的投資比例不小。若站用變系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，變電站二次設(shè)備電源全部由蓄電池供給，加強(qiáng)對(duì)蓄電池的管理，改善其使用狀況，從而有效地延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，具有重要的意義。目前，電力系統(tǒng)通信電源配套的蓄電池大多是先進(jìn)的閥控式密封鉛酸蓄電池，根據(jù)變電站的通信設(shè)備需求，其每節(jié)單體電壓為2V

2、，一般在變電站站，常采用壽命長(zhǎng)、可靠性高的2V電池，根據(jù)安裝要求，一、直流系統(tǒng)蓄電池運(yùn)行中存在的隱患當(dāng)前，作為后備電源的蓄電池組由于自身使用的特點(diǎn)（長(zhǎng)期處于浮充狀態(tài)下），加之目前充電技術(shù)的不完善，使得蓄電池組在實(shí)際運(yùn)行中存在諸多問題：1、 一段時(shí)間的運(yùn)行，蓄電池組就會(huì)出現(xiàn)個(gè)別電池落后、劣化，造成一致性差異。當(dāng)新投運(yùn)的蓄電池組運(yùn)行一段時(shí)間后，通過內(nèi)阻、容量等監(jiān)測(cè)或檢測(cè)手段，就會(huì)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)個(gè)別電池落后、劣化等問題。這在實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)，甚至當(dāng)新電池運(yùn)行初期，這種落后就存在。這是當(dāng)用戶采購規(guī)定配置的蓄電池組后，蓄電池廠家就應(yīng)根據(jù)用戶選定的容量、電壓，對(duì)組成蓄電池組的各個(gè)單電池，進(jìn)行一定程度的篩選，將

3、其中性能差異較大的單電池（即性能太高、太低的電池）剔除，采用一致性較好的電池配組。但由于蓄電池組在配組過程中對(duì)于一致性的要求較低，致使投運(yùn)的電池組中已經(jīng)存有一致性問題。在一段時(shí)間的使用后，該差異由于充電機(jī)無法區(qū)別對(duì)待各個(gè)電池，造成一致性差異較大電池開始出現(xiàn)落后、劣化。而圖1，是一組投運(yùn)3個(gè)月蓄電池組的電壓、內(nèi)阻直方圖。按照常規(guī)，通過電壓數(shù)值，應(yīng)該說這組蓄電池一致性較好，但通過內(nèi)阻數(shù)值，已經(jīng)可以看出，蓄電池組存在一定的差異。此可見，如果僅僅通過電壓表征蓄電池狀況，至少是不充分的，而通過蓄電池的內(nèi)阻參數(shù)表征蓄電池性能，將更為可靠。2、個(gè)別蓄電池出現(xiàn)漏液，當(dāng)蓄電池運(yùn)行一段時(shí)間后，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)個(gè)別電池自

4、安全閥處出現(xiàn)白色結(jié)晶物，這是由于電池中電解液出現(xiàn)外溢，究其原因：是由于充電時(shí)安全閥開啟頻繁，或安全閥動(dòng)作壓力閾值較低，造成電解液外漏。3、電池出現(xiàn)落后，造成整組蓄電池性能下降的惡性循環(huán)。當(dāng)電池組中蓄電池出現(xiàn)落后電池時(shí)，由于充放電機(jī)制無法對(duì)其進(jìn)行區(qū)別對(duì)待，如：充電機(jī)輸出依然按照最初設(shè)定電壓值進(jìn)行浮充，但各個(gè)電池接受能力不一致，致使個(gè)別落后電池造成惡性循環(huán)，并加劇一致性差異，因而造成整組蓄電池性能下降的加劇，嚴(yán)重影響蓄電池使用年限。4、蓄電池實(shí)際運(yùn)行使用壽命無法達(dá)到設(shè)計(jì)年限。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，目前幾乎沒有蓄電池組可以達(dá)到廠商承諾的使用年限，出現(xiàn)這個(gè)問題有幾個(gè)方面的技術(shù)原因：其一蓄電池廠家在配組中一

5、致性指標(biāo)控制不力，目前國(guó)內(nèi)大多蓄電池廠家僅僅以蓄電池靜止電壓、動(dòng)態(tài)電壓差異，作為一致性判斷標(biāo)準(zhǔn)，缺乏內(nèi)阻等指標(biāo)的衡量；其二，目前蓄電池的工作方式大都以后備電源使用，而目前的充電機(jī)幾乎都是高頻開關(guān)電源，其充電機(jī)理無外乎均充、浮充等方式，沒有針對(duì)蓄電池運(yùn)行的后備特點(diǎn)，做出相應(yīng)的調(diào)整。二、蓄電池失效模式的分析對(duì)于閥控式鉛酸電池，通常的性能變壞機(jī)制有：正極板群的腐蝕、活性性質(zhì)的脫落、深放電引起的鈍化和深度放電后的恢復(fù)等等，以下是幾種性能變壞的情況：（1） 熱失控?zé)崾Э厥侵感铍姵卦诤銐撼潆姇r(shí)，充電電流和電池溫度發(fā)生一種累積性的增強(qiáng)作用，并逐步損壞蓄電池。造成熱失控的根本原因是：普通富液型鉛酸蓄電池由于在

6、正負(fù)極板間充滿了液體，無間隙，所以在充電過程中正極產(chǎn)生的氧氣不能到達(dá)負(fù)極，從而負(fù)極未去極化，較易產(chǎn)生氫氣，隨同氧氣逸出電池。因?yàn)椴荒芡ㄟ^失水的方式散發(fā)熱量，VRLA電池過充電過程中產(chǎn)生的熱量多于富液型鉛酸蓄電池。浮充電壓是蓄電池長(zhǎng)期使用的充電電壓，是影響電池壽命至關(guān)重要的因素。一般情況下，浮充電壓定為2.232.25V/單體（25）比較合適。如果不按此浮充范圍工作，而是采用2.35V單體（25），則連續(xù)充電4個(gè)月就可能出現(xiàn)熱失控；或者采2.30V/單體（25），連續(xù)充電68個(gè)月就可能出現(xiàn)熱失控；要是采用2.28V/單體（25），則連續(xù)1218個(gè)月就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的容量下降，進(jìn)而導(dǎo)致熱失控。熱失控的

7、直接后果是蓄電池的外殼鼓包、漏氣，電池容量下降，最后失效。為此業(yè)界一直將降低蓄電池浮充電壓，作為延長(zhǎng)蓄電池壽命的手段，目前我國(guó)已經(jīng)有一些廠家，將蓄電池浮充電壓降低到2.20 V/單體（25），這幾十個(gè)毫伏的降低，可以延長(zhǎng)蓄電池使用壽命2050。 （2） 硫酸鹽化電池負(fù)極柵板的主要活性物質(zhì)是海棉狀鉛，電池充電時(shí)負(fù)極柵板發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：PbSO4 + 2e = Pb + SO4 2-正極上發(fā)生氧化反應(yīng)：PbSO4 + 2H2O = PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e放電過程發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是這一反應(yīng)的逆反應(yīng)，當(dāng)閥控式密封鉛酸蓄電池的荷電不足時(shí)，在電池的正負(fù)極柵板上就有PbSO4 存在，

8、PbSO4 長(zhǎng)期存在會(huì)失去活性，不能再參與化學(xué)反應(yīng)，這一現(xiàn)象稱為活性物質(zhì)的硫酸鹽化。極板的硫酸鹽化也成為不可逆硫酸化，這種現(xiàn)象是由于使用維護(hù)不當(dāng)造成的。所謂硫酸鹽化，是活性物質(zhì)在一定條件下生成堅(jiān)硬而粗大的硫酸鉛，它不同于鉛和二氧化鉛在放電時(shí)生成的硫酸鉛，它幾乎不溶解，所以在充電時(shí)不能轉(zhuǎn)化為活性物質(zhì)，使電池減少了容量，堅(jiān)硬而粗大的硫酸鉛常常是在電池組長(zhǎng)期充電不足或是在半放電狀態(tài)長(zhǎng)期儲(chǔ)存的情況下，加上溫度的波動(dòng)使硫酸鉛再結(jié)晶而形成的。硫酸鹽化的根本原因是電解液中有表面活性物質(zhì)之類的雜質(zhì)，如果它們吸附在硫酸鉛表面上，則將使硫酸鉛溶解緩慢，因而限制了在充電時(shí)二價(jià)鉛離子的陰極還原，如果表面活性物質(zhì)吸附在

9、金屬鉛上，則在充電時(shí)提高了鉛在鉛表面形成晶核的能量，即提高了鉛析出的過電位，因而充電不能正常進(jìn)行。正極硫酸鹽化比較困難，這是因?yàn)檎龢O充電時(shí)進(jìn)行陽極極化，其電位值較正，足以把表面活性物質(zhì)氧化掉，所以正極不容易發(fā)生硫酸鹽化。因此，當(dāng)電池放電時(shí)，由于硫酸鹽覆蓋與活性物質(zhì)表面，因而影響了活性物質(zhì)的有效反應(yīng)面積，致使可用的放電安時(shí)容量減小，大大降低了蓄電池容量。（3） 正極板群的腐蝕和脫落閥控式鉛酸電池中，這種形式的性能變壞本來就更加嚴(yán)重。由于氧循環(huán)反應(yīng)，負(fù)極活性物質(zhì)被持續(xù)氧化生成硫酸鉛，有效地維持了放電狀態(tài)，因此降低了負(fù)極板的電位。而對(duì)于給定的浮充電壓正極板群的電位則相應(yīng)較高。因而氧化氣氛加劇了，引起

10、了更多的氧氣的析出，使活性物質(zhì)的腐蝕與脫落加劇。由于板柵是活性物質(zhì)附著的載體，板柵一旦腐蝕，就會(huì)帶來活性物質(zhì)的脫落，從而帶來蓄電池容量的下降。（4） 電解液及隔膜的變化鉛酸蓄電池失水會(huì)導(dǎo)致電解液比重增高、導(dǎo)致電池正極柵板的腐蝕，使電池的活性物質(zhì)減少，從而使電池的容量降低而失效。VRLA蓄電池的隔膜具有多孔結(jié)構(gòu)和很強(qiáng)的吸液能力，不但可以吸附電解液，而且可以保證氧的擴(kuò)散和再化合。隔膜在初始安裝時(shí)承受一定壓力，以使隔膜與極板緊密接觸，為正、負(fù)極板間的離子流動(dòng)提供良好的通路。VRLA蓄電池在長(zhǎng)期工作中，由于隔膜與電解液間的表面張力的相互作用，隔膜的玻璃纖維分子會(huì)重新排列成緊湊的結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致隔膜的收縮、厚

11、度變薄、失去彈性，隔膜原來承受的壓力減小。隔膜收縮會(huì)導(dǎo)致內(nèi)阻增大，容量降低。三、蓄電池充放電機(jī)制的改進(jìn)通過以上的分析，實(shí)際運(yùn)行中，發(fā)生蓄電池運(yùn)行故障或問題，是正常的，至少在當(dāng)前和未來一段時(shí)間內(nèi)，在蓄電池技術(shù)沒有取得較大突破情況下。如何提高蓄電池運(yùn)行效率，減少以上問題的發(fā)生，鑒于后備電源的特點(diǎn)，其充放電機(jī)制可以一些改進(jìn)?，F(xiàn)有的蓄電池充電機(jī)制是：當(dāng)蓄電池組出現(xiàn)放電或初充電等時(shí)，首先采用恒流充電方式，即均充模式；而充至一定電壓后，電源自動(dòng)轉(zhuǎn)化限壓限流充電模式，之后自動(dòng)轉(zhuǎn)為為浮充下（即涓流模式），此后蓄電池組長(zhǎng)期處于該浮充狀態(tài)下，以補(bǔ)充蓄電池組自放電帶來的電量損失，即蓄電池組在線運(yùn)行99的時(shí)間是處于后

12、備浮充狀態(tài)下。雖然該種充電機(jī)制可以保證蓄電池正常的工作狀態(tài)，在實(shí)際使用中，這種充電機(jī)制，無法有效抑制蓄電池的劣化，同時(shí)由于在浮充中沒有對(duì)蓄電池組各劣化電池進(jìn)行分別對(duì)待，反而容易引起蓄電池組一致性差異，造成蓄電池劣化的加劇，造成蓄電池組使用壽命的提前終止。為此可以在充電機(jī)制方面，可以采用如脈沖間歇式充電方式、通過電流、電壓的變化，做到間歇式充電；同時(shí)還可采用浮充與靜止交替的方法；對(duì)于每三個(gè)月或一定時(shí)間，將蓄電池投運(yùn)到負(fù)載上，使其產(chǎn)生放電動(dòng)作，放電深度可以控制在30左右，然后使其充滿。等等的充放電機(jī)制的改進(jìn)，對(duì)于開關(guān)電源技術(shù)而言，特別是單片機(jī)控制技術(shù)，完全可以實(shí)現(xiàn)。四、蓄電池活化維護(hù)活化在實(shí)際使用

13、中，由于一組蓄電池的容量是由其中最小落后單體電池容量決定的，所以首先需要找到最小落后單體電池，以便在日后維修中，給予特別關(guān)注。當(dāng)找到一組電池中的落后電池后，傳統(tǒng)處理方法是將整組電池進(jìn)行均充，但實(shí)際情況證明，這種做法不僅對(duì)提高該落后電池的性能沒有效果，而且容易造成正常情況下電池因過度充電而失水。蓄電池的常見失效模式大致有四種：活性物質(zhì)硫酸鹽化、蓄電池失水、極板腐蝕、熱失控。其中60以上的蓄電池劣化是由于蓄電池活性物質(zhì)硫酸鹽化造成的。因此如何有效的降低硫酸鹽化程度，提高活性物質(zhì)，無疑解決蓄電池組性能失效問題的關(guān)鍵。為此，我們開發(fā)出LM-100脈沖蓄電池活化儀，采用獨(dú)創(chuàng)的正負(fù)脈沖活化技術(shù)，通過電源循

14、環(huán)技術(shù)及變頻共振原理，激化蓄電池極板失效的活性物質(zhì)，提高蓄電池組性能的一致性，延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。采用自動(dòng)控制原理對(duì)電池進(jìn)行在線活化性能檢測(cè)，再通過控制面板的液晶顯示屏進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)其獨(dú)特的脈沖活化以及變頻激勵(lì)技術(shù)，向結(jié)果層面輸送特定的變頻激勵(lì)信號(hào)，這激勵(lì)信號(hào)不但使陳舊的硫酸鹽層得以轉(zhuǎn)化，而且還使新形成的硫酸鹽層不可能堆積和硬化，使電池徹底擺脫硫酸鹽化趨勢(shì)，使硫酸化層保持不穩(wěn)定的離子狀態(tài)，從而使蓄電池始終處于全新狀態(tài)。該技術(shù)不但可以消除蓄電池極板活性物質(zhì)的硫酸化，降低蓄電池內(nèi)阻，提高蓄電池性能；同時(shí)對(duì)于蓄電池失水、極板腐蝕、熱失控等失效模式，具有積極的抑止作用。為驗(yàn)證蓄電池在線診斷與智能活化技術(shù)的實(shí)際效果，我們?cè)诩质∧彻镜?218組蓄電池，進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，從中選擇240只電池，進(jìn)行活化前后的比對(duì)，如圖2所示。通過圖2，可以看出，活化前后蓄電池容量都呈現(xiàn)不同程度的增長(zhǎng)，證明該活化技術(shù)對(duì)于電池性能恢復(fù)的有效性：，蓄電池容量可以恢復(fù)1035%。同時(shí)通過眾多蓄電池活化前后容量的比對(duì)，可以看出：對(duì)于活化前容量低于標(biāo)稱容量40以下的蓄電池，活化后容量的恢復(fù)程度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如活化前容量在40以上的蓄電池容量提升的程度高；由此