浅谈阀控铅酸蓄电池充放电技术

2018-04-13吴利军

电气技术与经济 2018年6期

关键词：酸蓄电池纹波端电压

吴利军

（中国能建江苏省电力建设第三工程有限公司）

0 引言

阀控式铅酸蓄电池是在普通铅酸蓄电池基础上发展起来的新型蓄电设备，随着高频开关电源的配套使用，阀控式铅酸蓄电池已开始被广泛应用。 “免维护”是相对于普通铅酸蓄电池而言的，主要用在无须添加电解液和较低要求的运行场所。

国内很多发电厂都使用了多组这种 “免维护”蓄电池，也曾出现过储存维护不当、放电不完全、充电模式选择不正确等原因而造成蓄电池性能降低以及个别电池报废的现象。

1 影响阀控式铅酸蓄电池使用寿命的主要因素

阀控式铅酸蓄电池浮充状态下正常使用寿命一般为10年，虽然其理论使用寿命可能达到20年，但实际情况是这些电池组常出现首充容量不足或者早期失效的现象。其实，影响蓄电池使用寿命的因素很多，主要有：

1.1 环境温度

当环境温度高于25℃时，蓄电池的栅板化学反应会加速，此过程将消耗更多的水，蓄电池的内阻将增大，这一过程将使电池寿命缩短，若长期运行电池寿命会降低得更快。因此许多蓄电池的厂家在产品说明书上均标明 “蓄电池在25℃的环境下可获得较长的运行寿命”。

1.2 充电装置输出纹波电压

纹波电压的存在，使电池在充电过程中伴随着纹波电压频率的轻微放电现象，即正半周充电负半周放电。纹波电压超标将导致电池内部发热，从而加速电池的老化，使之 “未用先衰”，纹波的存在还增加了电池反极的机会。

我们在测量充电装置直流输出电压中的纹波分量时，使用0.03级的GDM－8045型台式数字万用表，为的就是提高测量精度。同时还使用Tektronix222型数字式示波器观察输出直流电压中的纹波幅值和波形，以检测和判断充电装置性能异常对电池带来的可能影响。对于充电装置滤波元件的检查，我们使用数字式电容电感表进行测量，测得数值与元件的标称参数进行对比，误差较大的坚决要求制造厂更换。比如有的充电屏为相控式，在对屏内元件进行检查时，发现直流电压输出主滤波电解电容存在轻微漏电现象，但还没有影响到正常运行，为了防止电容进一步出现短路或失容，我们还是予以更换。

1.3 过度充电和放电（严重硫化）

根据不同电池的特性，不同的充电方式进行充电。恒流充电时，电池组端电压达到充电装置整定值时会自动转为恒压充电，当充电电流慢慢降低到装置整定值时再自动切换为浮充电方式。这就是蓄电池的正常运行充电程序。实际上蓄电池正常运行时由充电装置承担经常性负荷，并向电池补充充电，从而补偿电池的自放电，以便使电池组一直处于满容量备用状态。

虽然阀控铅酸蓄电池的正、负极板一般都要选用高等级的特种铅合金制造，但长期过充电状态下，蓄电池的正极因析氧反应，水被消耗，氢离子增加，正极附近酸度增加，电池板栅腐蚀加速，电池容量随即降低；即使是初充电，满充电后期因故延长充电，也会因水损耗加剧，将使蓄电池有干涸的危险，从而影响蓄电池寿命。电池的充电反应过程用化学式表示为：2PbSO4（晶体）＋2H2O→Pb＋PbO2＋2H2SO4。

蓄电池的过度放电主要是由于交流电源故障停运后，需直流电源即蓄电池长时间供电造成的。当蓄电池电压过低接近零时，会导致电池内部大量硫酸铅晶体被吸附到蓄电池的阴极表面或极板活性物质微孔内，即 “硫酸硫化”，阴极表面大量积聚的晶体还会使极板异常增厚，并通过纤维绝缘隔板对正极板挤压造成变形，使电池被永久性的机械损伤。硫酸铅是一种绝缘性质的硬性结晶体，它的形成会使电池内阻可能比正常放电状态高出很多（Power电池在正常放电状态下的内阻是满充状态下的5倍）。虽然硫酸铅在电池充电过程中还原成铅，但过度硫化很难还原，因此蓄电池的使用寿命就会缩短。

1.4 轻负荷放电

工程实践告诉我们，蓄电池放电时的不同放电率会使电池有不同的放电时间，小电流放电率可以得到较长的放电时间，而且电池经过长时间的放电，端电压的降低也很缓慢。这是因为蓄电池在大电流条件下晶体形成的速度要比小电流条件下慢，晶体来不及生长就很快被氧化还原了，因而颗粒比较小，容易阻塞极板活性物质细孔；而在小电流条件下，较大的硫酸铅晶体就不容易被还原。

1.5 压力阀动作次数

铅酸蓄电池刚从放电状态转入充电状态时，电池内部的电化学反应转换效率比较高，产生的气体就比较少；当电池接近满充状态时，电化学反应逐渐趋于平衡，效率降低，此时基本上为电解水反应，气体产生增多（氧气和氢气），使电池的内部压力略微上升，电池的外壁也随之出现鼓胀现象（即 “胀肚子”），这是一种正常现象且随着充电程度的变化而变化。在鼓胀达到平衡时，电池的这种特性将有助于提高电池的气体复合反应效率。

不管是何种外壳，如果电池满充后仍继续充电，而且外壳鼓胀也达到极限，那么内部压力将可能超过阀门的启动压力值。实际上阀门的经常开启，也意味着电池内部水的消耗。所以在均充电期间，对电池的外壳进行监视和测量也是必须的，这也是为什么要防止电池过度充电的原因之一。

1.6 热失控现象

阀控铅酸蓄电池采用贫液设计，充电电流增大时需要通过安全阀来释放气体，造成了蓄电池水量减少、内阻增大，充、放电过程中产生大量的热量，若来不及扩散就会使温度积累剧增，形成热失控。

由于阀控铅酸蓄电池无法象对普通铅酸蓄电池那样添加电解水，因此对于有热失控现象的电池，一般内部故障也就非常严重，如果得不到及时控制，将造成电池容量的大幅度降低，甚至报废。

1.7 长期浮充电

蓄电池在长期浮充电状态下，会造成蓄电池的阳极极板钝化，内阻增大，容量降低，使用寿命缩短。比如有的中压配电站6kV系统，由于平时操作少（指断路器分合闸与储能），保护和控制直流电源每个间隔仅消耗0.1A电流，25个间隔也仅有2.5A，在充电器交流不停电的状态下，其直流电源几乎均由充电器提供。因此，此系统基本上是处于满充后的长期浮充状态。

配电站的蓄电池在首次初充放电结束浮充一周后，检查浮充电流值基本稳定在0.15A，是满足要求的。

2 提高阀控式铅酸蓄电池使用寿命的措施

通过以上因素分析，我们知道只要严格按照电池的特性要求，是可以提高电池的使用寿命的：

2.1 严把设备定货质量关

蓄电池选购过程中，要充分了解蓄电池技术特点和质量控制手段等，可在出厂前要求厂家进行首次容量实验。

合理选择充电设备。开关电源具有实时监控和智能化管理维护功能，只要设置和整定正确，就能使电池时刻工作在最佳状态下，因此选用高质量的开关电源作为充电设备显得尤为重要

2.2 严格控制安装质量

安装质量包括储存、安装、容量实验等多个方面，在安装前的运输、储存的过程中杜绝碰撞，在安装过程中要尽量采用制造厂配供的专用工器具，电池连接板与电极间应完整贴合，不平的电极面应细心锉平。连接处太紧会使电极铅金属缓慢变形，接触压力降低，连接处变松，甚至永久性损坏电极；连接处太松又会使汇流条与电极接触不良，电能消耗大，电极温度升高，导致电池容量损失，甚至造成人员伤害、设备破坏。

蓄电池投用前一定要进行补充电，因为所有铅酸电池在开路状态下都存在自放电。蓄电池到达现场若不能及时安装并充电，经过长期的自放电，硫酸会溶解极板物质，在极板上形成硬质硫酸铅晶体，容量必定大量损失，靠单纯的浮充是难以恢复其初始容量的。

从电池开路电压对应剩余容量关系曲线可以看出，阀控铅酸电池在到达现场仓库或安装后充电前，在开路端电压为1.98V（指单体2V电池）及以下时几乎没有剩余容量。如不及时充电，那么过度的自放电会造成电池极板的永久性损坏。为了避免这种情况发生，现场要定期检查单体电池开路端电压，当电池开路电压降到50%容量对应的电压值时就要及时对其充电，这个电压值对于2V单节电池为2.07V，6V电池为6.20V，12V电池则为12.40V。通过电池的开路电压来判断其剩余容量还有一定的局限性，但如果电池保持72小时以上没有充放电且在开路状态，那么精确程度可以达到＋2.5%。

每节蓄电池个体存在自放电大小的差异，造成电池端电压出现不均衡，若不能及时补充电，个别电池会变成落后电池甚至出现反极现象，这类情况还要进行均充程序处理。均充实际上是靠提高电池充电电压来实现。

使用均充程序，要弄清楚当前状态是否为正常浮充，如果是，那么最好不要转到均充模式。由于均充电压较高，充电时要先找出端压最低的电池并适时监测，当其电压连续3小时不再上升，且相同时间内充电电流连续不下降，即可认为均充结束，应该将充电模式切换到浮充状态。

2.3 提高运行维护质量的一些建议

阀控铅酸电池有与普通铅酸蓄电池不同的特点，运行、维护人员要充分了解蓄电池产品说明书，了解电池特性，提高运维质量。

2.3.1 大容量蓄电池室最好安装空气温度调节设备，尽量按说明书要求控制在22℃～25℃之间。这样就能够延长蓄电池的寿命，而且还能发挥蓄电池的最佳容量。环境温度对蓄电池影响较大，虽然高频开关电源有温度补偿功能，但其灵敏度和调整幅度有限。另外，电池在高温环境下，某种原因暂时不能安装充电时也要定期检查单体电池电压，防止过度自放电造成过度 “硫化”，进而导致极板的永久性损坏。

2.3.2 电池的初始充放电循环非常重要，这个工作往往决定了电池今后的 “命运”。因为阀控蓄电池出厂后，制造厂虽然已经对其充足了电能，但电池的电极板并没有彻底 “活化”，一般都是在现场完成的。初始充放电不正确对电池造成的伤害很难在今后的运行过程中恢复，对电极板的损害更是永久性的。电池制造厂家往往在其产品使用说明书上会具体介绍初始充放电的方法和要求。运行后出现异常的 “落后电池”，可选用脉冲充电的方式进行充电，往往能使蓄电池被重新 “激活”。

2.3.3 考虑到不均衡性对阀控铅酸蓄电池的影响，浮充电压应按下限值设定。在蓄电池深度地放电后，或经过3－4个月运行后，应采用均衡充电方式进行补充电。均充时要注意环境温度变化，同时应随环境温度的升高降低充电电压值。

2.3.4 定期检查充电设备运行参数是否在合格范围内，有无故障信号。正常蓄电池的浮充电压不应超过制造厂给定的浮充值，并利用电压调节系数＋0.005V／℃来调整浮充电压的数值。为了避免纹波超标，应经常检查充电装置的滤波元件并及时更换。

2.3.5 定期检查电池单体端电压及整组电压是否异常。电池端电压在浮充和放电状态都要测量。浮充状态是因外加电压的存在，测量出的电池端电压有可能是假象。有些电池反极或开路也能测量出正常电压值，这实际上是外加电压在该电池两端造成的电压差。定期在放电时测量端电压可以避免这种情况的发生。

2.3.6 每年要进行一次容量恢复试验，即 “大充大放”，让电池内的活化物质（铅绵）活化，恢复容量。将电池组充电至满充状态并脱离充电器后，静置1～2h，待电池温度与环境温度基本一致再进行放电，这时应监测环境温度并保持在5℃～35℃之间。在电池组两端加上可调负载，使电池组的放电电流为10小时放电率（I10），放电过程中电流波动不得超过＋1%。定时（一个小时一次）记录电池端电压、放电电流、放电时间及环境温度，直到单体电池电压降至1.8V（2V电池），应停止放电，并记录时间，计算电池容量。

特别注意的是放电期末应随时测量并记录，以便确定电池放电到终止电压的准确时间。放电时如电池所处的环境温度偏离25℃，则需要用将实测容量Ct换算成25℃基准温度的实际容量C25。

静置2小时后，再用10小时率电流进行恒流充电，使单节电池电压上升到2.35V，保持8小时均衡充电后，将恒压充电电压改为2.25V进行浮充电。

2.3.7 阀控铅酸蓄电池运行到使用寿命的一半时，应增加检测频次，尤其是对单体12V以上的电池。若发现电池内阻突然增加或电压有数值不稳，应立即进行活化处理。

2.3.8 在电池实际使用中往往忽略外观的检查，其实应当定期检查。具体应检测电池外壳有无异常变形或发热现象，检查释压阀周围是否有喷射污点，检测安全阀是否拧紧或损坏。同时，定期清洁蓄电池外壁，尤其是正负电极间有导电性的胀污时会造成电池“爬电”现象，同时外壳的胀污也会降低直流回路的绝缘电阻。

2.3.9 蓄电池运行环境不能出现过急的温度变化，夏天应加强排风，冬天应适当保温，使电池能有适宜的运行环境。