铅酸蓄电池维护及修复方案的研究

邹剑坤 上海铁路局供电处

铅酸蓄电池维护及修复方案的研究

邹剑坤 上海铁路局供电处

通过分析铅酸蓄电池的构造原理和充电、放电过程与原理，结合牵引、电力变配电所铅酸蓄电池的实际运行情况，找出蓄电池失效的真实原因，经过实际修复试验，提出了切实可行的铅酸蓄电池维护及修复方案。

铅酸蓄电池；维护；修复

1 背景

目前，承担着铁路牵引、信号和站场等供电任务的牵引变电所（AT所、分区所、开闭所）和电力变配电所，基本上采用了铅酸蓄电池作为断路器机构的操作电源或综合自动化系统、SCADA系统的后备电源，以保障断路器机构正常分合闸操作或在电源线路停电时综合自动化系统、SCADA系统的可靠运行。而牵引变电所和电力变配电所的实际运行情况是断路器机构操作并不频繁、电源线路供电可靠性较高，从而使得铅酸蓄电池长期处于浮充状态，其使用寿命大大缩短，甚至在需要使用时发挥不了作用。因此，有必要对铅酸蓄电池维护及修复方案进行研究，延长铅酸蓄电池的使用寿命，减少成本支出，减少废旧电池对环境的污染，保障铁路供电安全，减少对铁路交通运输安全的影响。

2 技术分析

2.1 铅酸蓄电池的构造原理

铅酸蓄电池是采用稀硫酸液做电解液，用二氧化铅和绒状铅分别作为电池的正极和负极，放完电以后用充电的方法获得复原并能再次使用的电池。虽然各牵引变电所、电力变配电所和信号基站箱变采用的蓄电池大小不一、容量从12Ah到200Ah不等，但是它们的结构是基本相同的，每组由2节、9节或18节组成，每节都是由正极板、负极板、隔板、电解液、接线端子、安全阀等部分组成。每节蓄电池额定电压均为12V，由6个单格串联组合而成，每个单格由若干片正极板和若干片负极板间隔重叠，正负极板中间用超细玻璃纤维隔板隔离。

2.2 铅酸蓄电池的放电过程及原理

当极板浸入电解液时，在负极板，有少量铅溶入电解液生产Pb2+，从而在负极板上留下两个电子2e-，使负极板带负电，此时负极板具有0.1 V的负电位。

在正极处，少量PbO2溶入电解液，与水反应生产Pb（OH）4再分离成四价铅离子和氢氧根离子。一部分Pb4+沉附在正极板上，使极板呈正电位，约为+2.0V。故当外路未接通时，蓄电池的静止电动势E0=2.0-（-0.1）=2.1 V，若接通外电路，在电动势的作用下，使电路产生电流If，在正极板处Pb4+和负极板来的电子结合，生产二价铅离子Pb2+，Pb2+再与电解液中的SO42-结合，生成PbSO4而沉附在正极板上，使得正极板电位降低。在负极板处Pb2+与SO42-结合，生PbSO4而沉附在负极板上。则放电反应原理如公式1所示：

整个放电过程可归纳为图1所示：

图1 蓄电池放电过程

2.3 铅酸蓄电池的充电过程及原理

充电时，蓄电池接直流电源，因直流电源端电压高于蓄电池电动势，故电流从正极流入，负极流出。这时，正、负极发生的反应与放电过程相反。正极板处有少量PbSO4溶于电解液变成Pb2+和SO42-，Pb2+在电源力作用下失去两个电子变成Pb4+，它又和电解液中OH-结合，生成Pb（OH）4，Pb（OH）4又分解成PbO2和H2O，PbO2沉附在正极板上，而SO42-与电解液中的H+结合成H2SO4。负极板上有少量PbSO4溶入电解液中，变成Pb2+和SO42-，Pb2+在电源力作用下获得两个电子变成Pb，沉附在负极板上，SO42-与电解液中的H+结合成H2SO4。则充电

反应原理如式2.2所示：

整个充电过程可归纳为图2所示：

图2 蓄电池充电过程

2.4 铅酸蓄电池失效的原因分析

由于牵引变电所和电力变配电所的铅酸蓄电池长期处于浮充状态，极板上的PbSO4有一部分溶解于电解液中，其溶解度随温度变化而变化。环境温度升高，溶解度变大，环境温度降低，溶解度减小，溶解的PbSO4就会重新析出，长期运行下来就形成了硫化，在负极板表面上附着一层不能剥离转化为活性物质的硫酸铅（硫酸盐）。硫化的电池就像给负极板罩上一层薄膜，导致负极板反应面积大幅下降，从而导致蓄电池失效。而且充电过程中正、负极板析出的氧气和氢气除一部分“氧合”还原为水外，一部分则通过安全阀排出电池，失去氧气和氢气就等于失去了水。失水后的电池电解液中酸的比重逐渐增大，促使电池硫化现象加重，降低负极板氧循环的能力，使电池的容量逐渐降低。

据不完全统计，铅酸蓄电池失效的原因90%以上都是硫化和失水引起的。主要表现为充电时电池发热、膨胀、容量变低，一充就满，一放就光，严重时影响断路器机构操作、综合自动化系统和SCADA系统的运行安全。因此，需要改善维护方式来延缓蓄电池的失水和硫化，采取相应措施来修复失效的蓄电池，延长蓄电池的使用寿命，减少成本支出，减少废旧电池对环境的污染，保障铁路供电安全，减少对铁路交通运输安全的影响。

3 维护及修复方案

通过查找资料、解剖失效电池，分析讨论和实际修复试验，牵引变电所和电力变配电所的铅酸蓄电池维护及修复方案主要包括以下4个方面的内容。

3.1 定期检测蓄电池电压

运行、检修人员定期进行巡视检测，检查外观有无鼓胀、氧化和发热等现象，并在断开充电回路后，利用万用表检测整组和单节蓄电池的开路电压，根据串联电池节数的不同，整组蓄电池的电压应控制在设定电压值上下不超过2V，而单节电池电压应在10.8 V～14 V以内，最高与最低电池间的压差不超过1 V。如有异常，需及时汇报调度，对蓄电池进行充放电或脉冲除硫修复。

3.2 定期进行整组放电、充电修复

除巡视发现铅酸蓄电池异常时需进行整组充电、放电外，检修人员每半年利用放电负载仪按照电池标称的放电电流进行一次整组放电、充电修复。放电时测量各节电池端电压，如果电池电压下降较缓慢，说明蓄电池失水或硫化程度较轻，单节电池一般放电至10.5 V即停止放电，然后根据整组蓄电池额定电压进行均充，最后转为浮充，一般放电、充电循环1～3次即可。如果放电过程中电压下降较快，可判断该节电池发生了严重的失水和硫化，需单独进行脉冲除硫修复。

3.3 失效蓄电池进行脉冲除硫修复

蓄电池脉冲除硫修复原理是：任何绝缘层在足够高的电压下都可以击穿。一旦绝缘层被击穿，就会由绝缘状态转变为导电状态，如果对电导差阻值大的硫酸盐层施加瞬间的高电压，就可以击穿大的硫酸铅结晶，只要这个高电压足够短，并且进行限流，在打穿硫化层的情形下，控制充电电流适当，就不会引起电池析气。电池析气量取决于电池的端电压以及充电电流的大小，如果脉冲宽度足够短，占空比够大，就可以在保证击穿粗大硫酸铅结晶的条件下，同时发生的微充电来不及形成析气，如果含有负脉冲去极化，就更能保证在击穿硫酸盐层时极板的气体析出，这样就实现了脉冲消除硫化。

经过放电、充电方法不能修复的铅酸蓄电池，可以单节进行脉冲除硫法修复。修复前利用容量测试仪进行容量测试，做好记录；修复时应根据蓄电池容量的不同选择合适的脉冲电流，电流太大易导致电池彻底报废，电流太小易导致修复时间延长，脉冲电流一般不可超过0.6 A，如发现蓄电池有发热、鼓胀等现象，必须降低脉冲电流。同时注意观察电压变化，待电压升至14.7 V时，除硫结束。

对于除硫结束的蓄电池，还需利用容量测试仪进行容量测试，做好记录，与修复前电池容量进行比对。根据比对结果，有三种处理方法：

（1）修复后达到额定容量的70%以上，可以认为修好，修好的电池及时进行充电，配组后投入使用。

（2）对于修复有效果，但没有达到额定容量的70%以上，需进行第二次脉冲除硫修复。

（3）对于修复无效的电池，进行报废处理。

3.4 铅酸蓄电池配组运行

对于进行放电、充电和脉冲除硫修复的铅酸蓄电池，需做好详细的修复记录，按照每节电池开路电压误差不大于0.3 V，容量误差不大于5%以内，制作厂家一致的原则进行配组，投入使用。防止使用一段时间后又因为某节蓄电池影响整组蓄电池的使用。

4 试用效果与推广前景

江山、衢州、龙游、义乌和诸暨10 kV配电所自2006年开通运行以来，各采用18节一组的100Ah铅酸蓄电池，已连续运行6年，2012年上半年相继发生多节电池电压偏低的情况，在经过放电、充电和脉冲除硫修复后，已配组2套蓄电池投入使用，目前运行情况良好，完全报废的蓄电池有24节，其余电池等待下一次的配组运行。

长兴和德清10 kV配电所自2005年开通运行以来，采用18节一组的63Ah铅酸蓄电池，已连续运行7年，2012年上半年相继发生多节电池电压偏低的情况，在经过放电、充电和脉冲除硫修复后，完全报废的蓄电池仅有4节。

随着铅酸蓄电池维护及修复方案的贯彻实施，能够在保障断路器机构正常分合闸操作、综合自动化系统和SCADA系统的可靠运行的基础上，将大部分铅酸蓄电池的使用寿命从6～7年延长到8～10年，减少了蓄电池更换成本的支出，减少了废旧电池对环境的污染，保障了铁路供电安全，具有较大的经济和社会效益。

5 结束语

本文提出的铅酸蓄电池维护及修复方案能够及时有效的发现、处理铅酸蓄电池存在的缺陷隐患，有效的提高铅酸蓄电池的使用寿命，但在实际工作中，特别是在采用脉冲除硫修复时，其脉冲电流一般在0.6 A以内，完成一次铅酸蓄电池的充电、放电时间较长，给铅酸蓄电池的修复工作造成了一定的困难，下步将对整组活化修复及多节同时活化修复展开进一步的研究。

[1]杭州供电段.高压变配电所运行、检修和故障应急抢修管理等资料：2012.

[2]杭州得康蓄电池修复仪有限公司.蓄电池修复流程：2009.

责任编辑：宋 飞

来稿时间：2015-02-27