Техническая эксплуатация свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. Тяговые свинцово-кислотные аккумуляторные батареи Контроль кислотного электролита свинцовых аккумуляторов
6.5.1. Устройство и принцип действия кислотного аккумуляторного элемента.
Электролитическая диссоциация – это распад молекул серной кислоты под действием молекул воды. H 2 ЅO 4 2Н + + ЅO 4 − − , в результате в воде образуются ионы независимо, есть ли в растворе пластины. В целом раствор электрически нейтральный. Если этот раствор - электролит, залить в конструкцию, состоящую из набора положительных и отрицательных пластин, разделенных секторами и помещенных в эбонитовую емкость, закрытую крышкой с выводами положительных пластин и отрицательных пластин, получим элемент положительного аккумулятора.
Образование ионов в электролите
В результате взаимодействия электролита с атомами свинца отрицательной пластины некоторое количество атомов свинца ионизируется. При этом двухзарядные положительные ионы свинца переходят в электролит, а на поверхности отрицательной пластины от каждого атома свинца остается по два электрона, поэтому отрицательная пластина заряжена отрицательно относительно электролита. В результате взаимодействия активного вещества пластины с электролитом на обеих пластинах образуются электрические заряды.
Рис.6.5. Устройство кислотного аккумулятора
На положительной - четырехзарядные ионы свинца, на отрицательной - электроны.
Такое состояние элемента может находиться теоретически сколь угодно долго, пока не будет замкнута цепь на потребитель электроэнергии. Как только замкнем цепь электроны с отрицательной пластины перемещаются к положительной пластине по внешней цепи. Каждый атом свинца отрицательной пластины отдает два электрона. Они переходят на положительную пластину и соединяются с (Pb++++), образуя ион свинца (Pb++) двухзарядный, который соединяясь с положительным остатком ЅO 4 ¯ ¯ образует молекулу сульфата свинца (PbЅO 4). Так как растворимость сульфата мала, то раствор становится перенасыщенным и сульфат выпадает на (+) пластине в виде кристаллов, одновременно около положительной пластины образуются молекулы воды PbO 2 + 4Н + ЅO 4 ¯ ¯ +2е- → PbЅO 4 +2Н 2 О
На отрицательной пластине Pb ++ + ЅO 4 ¯ ¯ −2е- → PbЅO 4
Каждый элемент обладает емкостью в АЧ. Это количество электричества, отдаваемого элементом до конечного разряда 1,8В. Емкость зависит от количества активных веществ. При прохождении количества электричества, равному одному фарадею на образование сульфата свинца у отрицательной пластины будет израсходовано 103,6 гр свинца. 1Фарадей-26,8 А.Ч. атомный и молекулярный вес свинца равен 207,21 а в реакции у отрицательных пластин участвуют два электрона, то грамм эквивалент свинца равен
а при отдаче 1 А.Ч. в 26,8 раза свинца будет меньше, т.е.3,6 г.
Таким же образом можно найти, что при отдаче 1 А.Ч. из положительной пластины на образование сульфата свинца будет израсходовано 4,46 г двуокиси свинца, а в электролите из 3,66 г образуется 0,672 г воды.
Номинальное напряжение 1 элемента составляет 2,1 В рабочее напряжение в начале разряда быстро достигает 2 В, затем постепенно снижается до конечного = 1,8 В. Если продолжать разряд, оно дойдет до 0.
6.5.2. Общие правила эксплуатации кислотных аккумуляторных батарей
1. Поддерживать уровень электролита 12÷15м
2. Не допускать разряд ниже 1,75 В.
3. Заряд производить до полной емкости
4. Регулярно производить перезаряды аккумулятора.
5. Не допускать пребывание аккумулятора в полуразряженном состоянии.
6. Регулярноочищать поверхность аккумулятора от грязи и окислов.
7. Не допускать загрязнения электролита.
8. Не допускать перезарядки и не заряжать током выше нормированного.
10. Не допускать во время заряда повышение температуры аккумуляторной батареи свыше +45ºС. Необходимо прерывать заряды и давать аккумулятору остыть до +30ºС.
11. Эксплуатационная плотность электролита определяется приведенной к +15ºС и должна отличаться не более чем на ±50.
12. После заливания электролита в аккумулятор дать ему постоять 4-6 часов.
13. Зарядный ток определяется по таблицам в зависимости от емкости аккумуляторной батареи.
14. При зарядке аккумуляторной батареи в судовых условиях предварительно включается вентиляция.
Техническая эксплуатация свинцово-кислотных аккумуляторных батарей
В процессе эксплуатации свинцово-кислотные аккумуляторные батареи заряжают, контролируют их текущую работу, выполняют операции технического обслуживания, подготавливают батареи к длительному хранению.
Заряжают аккумуляторные батареи после пропитки пластин электролитом (3 ч для сухозаряженных и 4…6 ч для незаряженных пластин) в одну или две ступени.
Сила зарядного тока при вводе в действие новой батареи выбирается в зависимости от состояния пластин. При сухо-заряженных пластинах зарядный ток должен составлять 0,1 от номинальной емкости батареи, при разряженных - на 25% меньше.
Одноступенчатая зарядка проводится током 0,1-10 до конца. При двухступенчатой зарядке сила зарядного тока на первой ступени составляет 1,5 Q10 (до 70… 100 А), а на второй снижается в два-три раза. Сила зарядного тока практически ограничивается нагревом электролита. Его температура в любых случаях не должна превышать 45 °С.
Конец зарядки определяется по такому основному признаку: в течение последних 3 ч наблюдается постоянство напряжения и плотности электролита, интенсивный электролиз воды в электролите приводит к бурному газовыделению (кипению).
При переходе от первой ступени зарядки ко второй аккумуляторной батарее дают отдых (отключают от зарядного устройства). Как только э. д. с. покоя аккумуляторов снизится до 2,11 В, а температура электролита станет 20 °С, батарею подключают на зарядку током второй ступени.
Полная разрядка аккумулятора характеризуется снижением плотности электролита на 0,16 г/см3.
Контроль работы аккумуляторных батарей включает в себя такие операции: проверку уровня электролита, проверку плотности электролита с целью определения степени разрядки, испытание под нагрузкой более 100 А включением стартера либо нагрузочной вилкой.
В процессе эксплуатации из состава электролита вследствие электролиза теряется вода, поэтому для восстановления уровня электролита (10…15 мм выше верхнего края пластин) в аккумуляторы доливают дистиллированную воду.
Испытанием батареи под нагрузкой проверяют наличие внутренних дефектов (образование на поверхности и в порах активной массы пленки крупнокристаллического сульфата свинца - явление сульфатации, выкраивание активной массы, разрушение сепараторов, короткое замыкание пластин и др.).
Техническое обслуживание аккумуляторной батареи включает в себя такие операции, как очистку от пыли и грязи, удаление разбрызганного электролита с поверхности крышек, перемычек и пленки, зачистку окислившихся клемм и наконечников проводов, прочистку вентиляционных отверстий, проверку целостности баков и т. п.
Подготовка аккумуляторных батарей к хранению заключается в создании условий, при которых максимально замедляются химические реакции в аккумуляторах. Новые сухие батареи следует хранить герметически закрытыми в неотапливаемых помещениях. При подготовке таких батарей к хранению проверяют наличие герметизирующих прокладок и шайб под пробками. Бывшие в эксплуатации батареи с залитым электролитом перед постановкой на хранение полностью заряжают и хранят в неотапливаемых помещениях при температуре ниже 0 °С. Саморазрядка батареи тем меньше, чем ниже температура окружающего воздуха. Однако хранение аккумуляторных батарей допускается при температуре не ниже минус 30 градусов С.
Работа с свинцово-кислотными аккумуляторами чревата отравлениями свинцовой пылью и соединениями серной кислоты и взрывами выделяющихся газов.
При обслуживании аккумуляторов необходимо пользоваться спецодеждой, защитными очками и приспособлениями для безопасной работы. Приготовление электролита связано с интенсивным выделением теплоты и возможным разбрызгиванием серной кислоты. Это учитывается при выборе материала емкостей для электролита (рекомендуется использовать нехрупкие пластмассовые сосуды) и технологии смешивания серной кислоты с дистиллированной водой (тяжелая кислота тонкой струей наливается в более легкую воду при непрерывном помешивании).
В настоящее время аккумуляторные батареи применяются в различных отраслях народного хозяйства, а также в Вооруженных силах РФ (ВС РФ). Батареи главным образом предназначены для накопление электроэнергии и поддержания энергобаланса в системе энергоснабжения объекта на требуемом уровне.
Самое широкое применение находят свинцово-кислотные аккумуляторные батареи, ввиду своей низкой стоимости, простоты обслуживания, приемлемых сроков службы и высоких энергетических характеристик. Конструкции свинцово-кислотных батарей постоянно совершенствуются. В таблице 1 представлены основные характеристики аккумуляторов, наиболее часто используемых на объектах связи ВС РФ.
Таблица 1 – Основные характеристики аккумуляторов, наиболее часто используемых на объектах связи ВС РФ.
|
Характеристики |
Тип аккумулятора |
|||
|
никель-кадмиевые |
никель-металл-гидридные |
свинцово-кислотные |
литий-ионные |
|
| Рабочее напряжение, В | ||||
| Диапазон рабочих температур, °С |
–20 (40)…50 (60) |
|||
| Удельная энергия: весовая, Втч/кг (объёмная, Втч/дм3) |
30…60 (100…170) |
25…50 (55…100) |
100…180 (250…400) |
|
| Коэффициент отдачи по емкости, % | ||||
Температуры, указанные в скобках, достигнуты только для продукции некоторых зарубежных компаний.
Из таблицы 1 следует, что по энергетическим характеристикам современные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи вполне сопоставимы со щелочными. Исключение составляют литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы, стоимость которых в несколько раз, а иногда и на порядок, превышает стоимость щелочных. Современные подвижные комплексы связи комплектуются стартерными свинцово-кислотными аккумуляторными батареями той же номенклатуры, что и входящие в состав комплексов связи шасси. В случае аварийных ситуаций эти же батареи работают уже как резервные источники тока, однако основной режим их работы – буферный. В целях унификации, удешевления, простоты обслуживания и упрощения логистики замена щелочных батарей на стартерные свинцово-кислотные выглядит оправданной.
Свинцовые стартерные AGM батареи с регулирующими клапанами характеризуются высокой вибростойкостью, непроливаемостью электролита и малым газовыделением при заряде и повышенной цикличностью.
Своевременное и достоверное определение технического состояния свинцовых стартерных аккумуляторных батарей производится в ходе их диагностирования, что позволяет повысить эффективность использования батарей и продлить их срок службы .
Возможность определить в любой момент величину остаточной емкости и спрогнозировать ресурс батареи является достаточно трудоемкой задачей. Полученные данные представляют большую ценность для обслуживающего персонала и позволяют принимать оперативные решения. В стандарте указаны основные диагностические параметры, характеризующие техническое состояние стартерных батарей.
Основными задачами диагностирования являются :
Контроль технического состояния;
Поиск места и определение причин отказа (неисправности);
Прогнозирование технического состояния.
Под контролем технического состояния понимается проверка соответствия значений параметров объекта требованиям технической документации и определение на этой основе одного из заданных видов технического состояния в данный момент времени.
На рисунке 1 представлены виды технического состояния свинцовой стартерной батареи.
Рисунок 1 – Виды технического состояния свинцовой стартерной батареи
Для решения задач диагностирования необходимо:
Определить параметры аккумуляторных батарей, позволяющие с требуемой точностью произвести оценку их состояния;
Минимизировать разброс значений параметров у однотипных батарей;
Выбрать методики проведения диагностирования;
Подобрать аппаратуру, позволяющую провести контроль технического состояния батарей требуемой достоверности.
Согласно работе дефекты по механизму влияния на аккумулятор классифицируются следующим образом:
Дефекты, уменьшающие площадь истинной поверхности электродов;
Дефекты, увеличивающие ток утечки.
Для объективной оценки состояния аккумуляторных батарей необходимо определить степень заряженности аккумуляторов. Все диагностические параметры условно можно систематизировать по трем направлениям:
Определение степени заряженности;
Поиск дефектов, уменьшающих площадь истинной поверхности электродов;
Поиск дефектов, увеличивающих ток утечки.
Диагностирование свинцовых стартерных аккумуляторных батарей в настоящее время осуществляется согласно . Для выпускаемых промышленностью аккумуляторных батарей устанавливаются испытания:
Приемо-сдаточные;
Периодические;
На надежность;
Типовые.
Методы этих испытаний достаточно трудоемки, требуют специального дорогостоящего оборудования, высококвалифицированного персонала, и для диагностирования батарей при их эксплуатации в войсках практически неприемлемы. Классификация стартерных аккумуляторных батарей, применяемых в ВС РФ представлена в источнике , однако она не учитывает герметизированных GEL или AGM аккумуляторных батарей. В Руководстве не предусмотрены методы диагностирования батарей с регулирующими клапанами. Поэтому в настоящее время учеными и промышленностью активно ведутся работы по созданию и внедрению принципиально новых методов и способов диагностирования свинцовых стартерных аккумуляторных батарей. Связано это прежде всего с тем, что имеющиеся на сегодняшний момент способы и средства диагностирования герметизированных AGM аккумуляторных батарей не позволяют оперативно и с достаточной достоверностью оценить их состояние и спрогнозировать их ресурс.
Основные методы диагностирования свинцовых стартерных аккумуляторных батарей представлены на рисунке 2.
Рисунок 2 – Основные методы диагностирования свинцовых стартерных аккумуляторных батарей
Разрушающие методы диагностирования в основном применяются в исследовательских работах с целью определить процессы, протекающие в свинцовом аккумуляторе, приводящие к его отказу. Иными словами выявить природу дефектов, которые уменьшают площадь активной поверхности электродов, увеличивают ток утечки и повышают внутреннее сопротивление аккумулятора.
Масс-спектроскопия – один из методов исследования вещества аккумуляторных электродов путем определения масс атомов, входящих в его состав и их количества под воздействием электрических и магнитных полей. Некоторые результаты его применения указаны в работе . Данный метод обладает очень высокой достоверностью определения атомного состава исследуемого образца, но применение спектрометров ограничено стационарными условиями из-за их массо-габаритных показателей и высоких требований к квалификации обслуживающего персонала. Самым неприемлемым при эксплуатации батарей является то, что применение масс-спектроскопии подразумевает полное разрушение аккумуляторной батареи.
Под неразрушающими методами следует понимать способы и средства не нарушающие целостность объекта диагностирования . Очевидно, что при эксплуатации свинцовых аккумуляторных батарей именно эти методы целесообразно использовать для контроля их состояния. Работа неразрушающих методов основана на регистрации изменения параметрических характеристик батарей в различных условиях эксплуатации. ГОСТ классифицирует диагностирование по типу и времени воздействия: рабочим, тестовым и экспресс. Рабочим и тестовым диагностированием называют диагностирование при котором на батарею подаются, соответственно, рабочие и тестовые воздействия, а экспресс – диагностирование по ограниченному числу параметров за заранее установленное время.
Рабочее воздействие зависит от режима работы аккумуляторной батареи, а следовательно работоспособность может быть оценена по внутренним приборам контроля объекта вооружения и военной техники (ВВТ), на котором установлена батарея, например: амперметру, вольтметру, либо сигнальным лампам. Используя эти методы можно достоверно определить лишь как батарея принимает заряд и, довольно грубо, заряжена она или разряжена.
Основными параметрами, характеризующими технического состояния свинцовых стартерных батарей, являются их номинальная и резервная емкости , то есть количество электричества, которое может отдать батарея в заданных условиях. Именно по этой величине производится оценка технического состояния батареи и степень деградации ее аккумуляторов.
Методы тестового диагностирования, по типу воздействия условно можно классифицировать как периодические и внеплановые, которые предусматривают заведомо известное внешнее воздействие, чаще всего, в течение определенного времени. Время тестового воздействия в зависимости от его типа и способа варьируется в широких пределах, может достигать нескольких десятков часов.
Все диагностические мероприятия начинаются с визуального осмотра, и только после его проведения принимается решение о целесообразности дальнейшего диагностирования батарей. Визуальные методы позволяют выявлять явные неисправности на первых этапах диагностирования. Оценивается состояние выводов (наличие коррозии и износ), моноблока и общей крышки (наличие на них трещин и загрязнений). По результатам осмотра дается оценка о внешнем состоянии аккумуляторной батареи и целесообразности ее дальнейшего диагностирования без учета прямых измерений параметров, определяющих техническое состояние батарей.
Методы периодического контроля регламентированы инструкциями, приказами, руководствами и стандартами, основаны на измерениях параметров аккумуляторных батарей непосредственно на выводах, таких как электродвижущая сила (ЭДС), рабочее напряжение, разрядный ток, плотность электролита и его температура.
ЭДС является одним из основных параметров, характеризующих состояние батареи. Она зависит от химических и физических свойств активных веществ и концентрации их ионов в электролите. Величина равновесной ЭДС батареи зависит от количества последовательно соединенных аккумуляторов, плотности их электролита и, в меньшей степени, от его температуры . ЭДС не дает точную оценку о состоянии разряженности батареи, так как ЭДС ее аккумуляторов зависит только от физической природы элементов химической системы, но не от их количества Зависимость ЭДС батареи Е б описывается эмпирической формулой
E б = n (0,84+ρ)
где n – количество последовательно соединенных аккумуляторов;
ρ – плотность электролита, приведенная к 25 о С, используется при определении степени заряженности аккумуляторов в батарее.
Измерение ЭДС проводится вольтметром с большим входным сопротивлением, чтобы не разряжать батарею. На рисунке 3 представлено изменение равновесной ЭДС и электродных потенциалов аккумулятора в зависимости от плотности электролита.
1 – ЭДС; 2 – потенциал положительного электрода; 3 – потенциал отрицательного электрода
Рисунок 3 – Изменение равновесной ЭДС и электродных потенциалов свинцового аккумулятора в зависимости от плотности электролита
Из рисунка 3 по зависимости 1 видно, что зная плотность электролита в конце заряда или плотность заливаемого электролита при приведении сухозаряженных батарей, можно на приемлемом уровне оценивать их техническое состояние при дальнейшей эксплуатации. Явным недостатком данного метода является невозможность определить емкость батареи.
Напряжением аккумуляторной батареи является разность потенциалов на полюсных выводах при зарядных или разрядных процессах при наличии тока во внешней цепи. Напряжение аккумуляторной батареи естественно отличается от ее ЭДС. При разряде оно будет меньше ЭДС, а при заряде больше. На рисунке 4 изображены разрядная и зарядная характеристики. Из рисунка 4 видно, что плотность электролита уменьшается, а при заряде увеличивается. Плотность электролита изменяется по линейному закону до напряжения конца разряда U кр (рисунок 4 а). При достижении этого значения сернокислым свинцом закрываются поры активного вещества, доступ электролита прекращается, сопротивление увеличивается. Напряжение начинает резко падать. В соответствии со стандартом U кр ограничено значением 1,75 В, а по стандарту , в зависимости от величины разрядного тока, может достигать 1,6 В на один аккумулятор. Дальнейший разряд ведет к разрушению аккумулятора.
Рисунок 4 – Характеристики свинцового аккумулятора: а – разрядная; б – зарядная
Метод диагностирования по рабочему напряжению заключается в подключении к батарее низкоомной нагрузки известной величины. Далее через определенный промежуток времени (как правило на пятой секунде) фиксируют величину рабочего напряжения и, используя табличные величины, производят оценку технического состояния батареи (в зависимости от производителя измерительного устройства рабочее напряжение должно составлять, как правило, не менее 8,5-9 В). Недостатком данного метода является то, что к батарее подключается большая нагрузка (в зависимости от номинальной емкости батареи составляет 100-200 А), что негативно сказывается на фактической емкости батареи и ее сроке службы, если после измерения батарею сразу не отправить на заряд. Температуры, отличные от 25 ± 2 о С ведут к искажению результатов измерений. Данный метод не дает оценки емкости и прогноза срока службы диагностируемой батареи.
Согласно Руководству и приказу установлена следующая емкость в конце гарантийного срока службы батарей (в процентах к номинальной): для танковых – 90-100 (в зависимости от модификации), для автомобильных – 70. В свою очередь емкость, отдаваемая стартерными батареями в конце минимального амортизационного срока службы, составляет (в процентах к номинальной): для танковых – 70, для автомобильных 50. Причем срок службы батарей должен быть не менее пяти лет. По истечении этих сроков предписывается оценить величину отдаваемой фактической емкости по отношению к номинальной и принять решение о списании или продлении срока службы батареи на год.
В ВС РФ емкость батарей определяется в ходе проведения контрольно-тренировочного цикла (КТЦ) током десятичасового разряда .
КТЦ включает в себя:
Предварительный полный заряд батареи;
Контрольный разряд током десятичасового разряда;
Окончательный полный заряд.
Согласно ГОСТ емкость свинцовых стартерных батарей батарей определяется в режиме двадцатичасового режима разряда, причем должно быть соблюдено постоянство температуры (25 ± 2 о С) на протяжении 20-ти часов. На практике, в обычных условиях эксплуатации возникают трудности в поддержании температуры в заданных границах продолжительное время. Величина разрядного тока должна быть постоянной и составлять I ном 20 ± 2% (I ном 20 – номинальный ток 20-ти часового разряда) до падения напряжения на полюсных выводах батареи до величины 10,50 ± 0,05 В. Время разряда должно быть измерено и зафиксировано для дальнейших расчетов емкости батареи.
Очевидно, что при реализации данного метода возникает необходимость в стабилизированных источниках напряжения или тока, так как, согласно , предварительно нужно полностью зарядить батарею, подвергаемую контролю. Также необходим контроль температуры электролита аккумуляторов, причем измерять ее необходимо в одном из центральных аккумуляторов (температура должна находиться в пределах 25 ± 2 о С) в течение всего разряда. При конечной температуре отличной от 25 ± 2 о С следует воспользоваться температурной поправкой:
С 20 25 о С = С 20Т ,
где С 20 25 о С - расчетная емкость в режиме 20-ти часового режима разряда с учетом температурной поправки;
С 20Т – фактическая емкость батареи в режиме 20-ти часового режима при конечной температуре, отличной от 25 ± 2 о С;
Контроль резервной емкости осуществляется аналогично вышеописанному методу с отличием лишь в том, что величина разрядного тока составляет 25А ± 1%, а формула температурной поправки имеет следующий вид:
С р 25 о С = С р Т ,
где С р 25 о С – расчетная резервная емкость с учетом температурной поправки;
С рТ – фактическая резервная емкость батареи при конечной температуре, отличной от 25 ± 2 о С;
Т – фактическая температура электролита в центральном аккумуляторе в конце разряда.
Кроме того, со стороны обслуживающего персонала необходим контроль напряжения на полюсных выводах и регулировки разрядных токов, так как при разрядных процессах снижается плотность электролита и, соответственно, увеличивается внутреннее сопротивление аккумуляторов батареи.
Данный метод дает самую точную оценку емкости и состоянию батареи в целом, но требует наличия специального оборудования, больших временных, энергетических и трудовых затрат. Большие трудности вызывает и то, что для применения данного метода батарею предварительно нужно отключить от нагрузки и заменить подменным фондом. В то же время измерение температуры электролита аккумуляторов герметизированных батарей вообще невозможно, что в свою очередь ведет к существенному снижению достоверности полученных результатов. Вместе с тем в источнике говорится, что приемлемый критерий точности таких измерений должен составлять 3% и выше. В Руководстве вообще не представлена информация по способам контроля технического состояния герметизированных батарей и определения их емкости, несмотря на то, что поставки таких батарей в войска уже начались.
В последнее время, в связи с массовым производством герметизированных свинцовых аккумуляторных батарей с иммобилизованным электролитом и их широким применением в телекоммуникационных системах, большую значимость получили исследования в области разработки и создания новых способов определения технического состояния именно этих батарей.
Из-за резко возросших требованиями к аккумуляторным батареям, возникла необходимость в контроле их состояния при минимизации времени его проведения, а в некоторых случаях и в масштабе реального времени. В свою очередь это обуславливает проведение контроля технического состояния вне предписанных руководящими документами временных рамках. Очевидно, что данный контроль должен проводится оперативно, с максимальной достоверностью и минимальным временем. Важным аспектом еще является и то, что такие методы должны исключать отключение батареи от потребителей и перерывы в работе средств связи.
Методы внепланового контроля должны проводиться за минимальное время, ведь его основное предназначение – оценка состояния батарей в межрегламентные сроки. Очевидно, что именно измерение функциональных зависимостей и расчет на их основе величины емкости необходимо применять при внеплановом контроле.
Внутреннее сопротивление батареи является важным диагностическим параметром . Зная его величину в начальный момент и ее изменение в процессе эксплуатации можно с приемлемой достоверностью сделать прогноз остаточного ресурса. Однако остаточный ресурс зависит от множества характеристик, в числе основных: режим работы батареи, величины разрядных и зарядных токов, глубина циклирования, температурные условия эксплуатации, повышенная вибрация, воздействие других внешних факторов. Поэтому прогнозирование остаточного ресурса батареи является довольно сложной задачей.
Измерение внутреннего сопротивления представляет определенные трудности, ввиду его малой величины. Но при больших величинах разрядных токов имеет существенное значение. При расчете учитывают сопротивления пластин, сепараторов и электролита. Для ее регистрации применяют методы измерений постоянным и переменным током.
Методы измерения постоянным током основаны на применении закона Ома. На рисунке 5 представлено сопротивление свинцово-кислотной аккумуляторной батареи из 12 элементов емкостью 3 А×ч при разных режимах разряда.
Рисунок 5 – Сопротивление аккумуляторной батареи из 12 элементов емкостью
3 А×ч при разных режимах разряда.
Из рисунка 5 видно, что величина сопротивления источника тока не является истинным омическим и зависит от состояния заряда батареи и разрядного тока.
В ГОСТ описана методика измерения сопротивления применительно к свинцово-кислотным химическим источникам тока, которая заключается в регистрации изменения напряжения по двум разрядным величинам тока в заданных временных условиях по следующей формуле:
R полное = R Ω + R пол = (U 1 – U 2)/(I 2 – I 1), где
R Ω – активное сопротивление;
R пол – сопротивление поляризации;
U 1 , U 2 – регистрационные напряжения соответственно на 20 и 5 секундах разрядных токов I 1 , I 2 ;
I 1 , I 2 – соответственно величины разрядных токов 4С 10 и 20С 10 .
На рисунке 6 изображен отклик химического источника тока на разрядный импульс постоянного тока.
Рисунок 6 – Отклик химического источника тока на разрядный импульс постоянного тока
К недостаткам данного метода можно отнести невозможность определения R пол, а также то, что достоверность результатов достигается лишь на батареях со степенью разряженности не более 90% . При большей разряженности батарей для определения нижней границы ΔU Ω , возникает острая необходимость в применении приборов, способных регистрировать отклик с высокой скоростью.
На рисунке 7 представлен резонансный мост для измерения сопротивления аккумуляторов переменным током, где В – батарея, подвергаемая измерениям. Согласно данная схема позволяет измерять величину внутреннего сопротивления 0,004 Ом с точностью 2%.
Рисунок 7 – Резонансный мост для измерения сопротивления аккумуляторов
Анализ работ показал, что методы измерения сопротивления переменным током применяются только для щелочных аккумуляторов и батарей на частоте 1 ± 0,1 кГц. Согласно измеренное переменным током сопротивление содержит как активную так и реактивную составляющую. Импеданс (полное сопротивление электрической цепи) для различных типов электрохимических систем и даже однотипных батарей будет различным. Хотя величина импеданса большинства зарубежных производителей оценивается на 1 ± 0,1 кГц и для довольно широкой номенклатуры импеданс будет равен R Ω . Сопротивление, полученное методом переменного тока будет всегда меньше измеренного при постоянном токе, так как исключает величину R пол. При частотной зависимости (кроме частот менее 3 Гц) переход к сопротивлению на постоянном токе крайне затруднителен из-за специфики электрохимических процессов.
Внутреннее сопротивление свинцово-кислотных батарей, полученное на переменном токе, нельзя использовать при расчете тока короткого замыкания и оценки чувствительности и селективности защитных аппаратов сети постоянного тока.
Величина тока короткого замыкания, рассчитанная по сопротивлению на постоянном токе, будет меньше, чем при переменном токе, что, в свою очередь, может привести к ошибочным результатам как при оценке технического состояния свинцово-кислотных батарей, так и при обеспечении требуемого уровня напряжения у потребителей постоянного тока при резком возрастании нагрузки.
В работе автором была доказана справедливость данного метода применительно к свинцово-кислотным батареям. Для этого им была рассмотрена эквивалентная схема в виде последовательной RLC-цепочки. По мнению автора, можно считать, что такой метод вычисления параметров эквивалентной схемы аккумулятора позволяет оценить значения их емкости с относительной погрешностью вычисления не более 15 %.
Экспресс-диагностирование как уже отмечалось выше основано на определении состояния батарей по ограниченному числу параметров за установленное время. Из рисунка 2 видно, что методы тестового и экспресс-диагностирования могут не только взаимозаменять друг друга при условии минимизации времени измерений и регистрации диагностических параметров, но и дополнять.
Статистические методы находят применение большей частью в научно-исследовательской деятельности, а также при построении различных систем мониторинга и основываются на обработке и систематизации различных данных, полученных в ходе наблюдения за изменениями в работе исследуемых батарей. На основании полученных данных строятся определенные зависимости, производится моделирование процессов и прогнозирование состояния батарей в различных условиях эксплуатации.
Таким образом можно сделать вывод, что существующая система диагностирования аккумуляторных батарей в ВС РФ не в полной мере отвечает современным требованиям по эксплуатации поступающих в войска герметизированных аккумуляторных батарей.
Одним из самых важных параметров батарей является ее резервная или номинальная емкость. Наиболее точным и быстро измеримым параметром батареи, способным дать достаточно точную оценку ее состояния является внутреннее сопротивление. Данный параметр может быть использован для прогнозирования состояния и остаточного ресурса батареи в режиме эксплуатации. Можно считать, что на настоящий момент еще не найдено путей достоверного определения внутреннего сопротивления батарей.
Наиболее точными и оперативными являются методы измерения параметров батареи с применением воздействия переменным и (или) постоянным током.
http://docs.cntd.ru/document/gost-20911-89 .Стационарные кислотные аккумуляторные батареи на подстанциях и в производственных цехах промышленных и других предприятий должны устанавливаться в соответствии с требованиями ПУЭ. Устанавливать кислотные и щелочные аккумуляторные батареи в одном помещении запрещается .
Стены, потолки, двери, оконные переплеты, металлические конструкции, стеллажи и другие части помещения, предназначенного для установки кислотных аккумуляторных батарей, должны быть окрашены кислотостойкой краской. Вентиляционные короба должны быть окрашены с наружной и внутренней стороны.
Для освещения таких помещений применяются светильники, установленные во взрывозащищенной арматуре. Выключатели, штепсельные розетки и предохранители должны располагаться вне аккумуляторного помещения. Осветительная электропроводка выполняется проводом в кислотостойкой оболочке.
Напряжение на шинах оперативного постоянного тока в нормальных эксплуатационных условиях поддерживается на 5 % выше номинального напряжения токоприемников.
Аккумуляторная установка должна быть укомплектована: принципиальными и монтажными электрическими схемами соединений; денсиметрами (ареометрами) и термометрами для измерения плотности и температуры электролита; переносным вольтметром постоянного тока с пределами измерения 0—3 В; переносной герметичной лампой с предохранительной сеткой или аккумуляторным фонарем; кружкой из химически стойкого материала с носиком (или кувшином) вместимостью 1,5—2 л для приготовления электролита и доливки его в сосуды; предохранительными стеклами для покрытия элементов; кислотостойким костюмом, резиновым фартуком, резиновыми перчатками и сапогами, защитными очками; раствором соды для кислотных батарей и борной кислоты или уксусной эссенции для щелочных батарей; переносной перемычкой для шунтирования элементов батареи.
Для установок без постоянного оперативного персонала допускается все вышеперечисленное иметь в привозимом комплекте.
При приемке вновь смонтированной или вышедшей из капитального ремонта аккумуляторной батареи проверяются: наличие документов на монтаж или капитальный ремонт аккумуляторной батареи (технического отчета); емкость батарей (током 3— 5 А или 10-часовым режимом разряда); качество электролита; плотность электролита и напряжение элементов в конце заряда и разряда батарей; сопротивление изоляции батареи относительно земли; исправность отдельных элементов; исправность приточно-вытяжной вентиляции; соответствие строительной части аккумуляторных помещений требованиям ПУЭ.
Кислотные батареи, работающие по методам постоянного подзаряда или «заряд—разряд», подвергаются уравнительному заряду (перезаряду) 1 раз в 3 мес напряжением 2,3—2,35 В на элемент до достижения установившегося значения плотности электролита во всех элементах 1,2—1,21 г/см3. Продолжительность дозаряда зависит от состояния батареи, но не менее 6 ч.
Заряжать и разряжать батарею допускается током не выше максимального, гарантированного для данной батареи. Температура электролита в конце заряда должна быть не выше +40 °С. Во время уравнительного заряда батарее необходимо сообщить не менее трехкратной номинальной емкости. Кроме того, на подстанциях 1 раз в 3 мес проверяется работоспособность батарей по падению напряжения при кратковременном включении тока.
Приточно-вытяжная вентиляция помещения включается перед началом заряда аккумуляторной батареи и отключается после полного удаления газов не ранее чем через 1,5 ч после окончания заряда, а при работе по методу постоянного подзаряда — по мере необходимости в соответствии с местной инструкцией.
Измерения напряжения, плотности и температуры электролита каждого элемента стационарных аккумуляторных батарей выполняются не реже 1 раза в месяц.
При понижении напряжения на элементах кислотной аккумуляторной батареи до 1,8 В разряд батареи прекращают, а батарею ставят на заряд. Оставлять батарею разряженной более чем на 12 ч нельзя, так как при этом понижается емкость аккумуляторов.
Приступая к заряду аккумуляторной батареи сначала включают приточно-вытяжную вентиляцию помещения и проверяют ее действие, затем батарею подсоединяют к зарядному агрегату, соблюдая полярность полюсов. Значение зарядного тока в начале процесса заряда батареи берут из таблиц, рекомендованных в инструкции заводом-изготовителем (примерно на 20 % больше номинального значения зарядного тока). При этом режиме зарядка продолжается до тех пор, пока напряжение на аккумуляторах не станет равным 2,4 В. Затем зарядный ток уменьшают вдвое, процесс зарядки продолжается до его окончания. Зарядку считают законченной, если напряжение на элементах достигает 2,6—2,8 В и больше не увеличивается, а плотность электролита 1,20—1,21 г/см3 не изменяется в течение часа. В это время наблюдается «кипение» электролита обеих полярностей.
При зарядке кислотной аккумуляторной батареи контролируют температуру электролита. При достижении +40 °С заряд прекращают и дают электролиту остыть до +30 °С. Одновременно измеряют плотность электролита и напряжение на зажимах отдельных элементов. Высокая температура электролита ускоряет износ элементов и увеличивает их саморазряд. Низкая температура повышает вязкость электролита, которая ухудшает процесс разряда и уменьшает емкость элементов. Поэтому температуру в элементах аккумуляторной батареи поддерживают на уровне не менее +10 При зарядке может оказаться, что отдельные элементы кислотной аккумуляторной батареи заряжены не полностью; такие элементы подлежат дозарядке отдельно.
Кислотную аккумуляторную батарею нельзя разряжать до глубокого разряда, который вызывает сульфатацию. При сульфатации на пластинах свинцового аккумулятора образуются сплошные массы сульфата свинца, которые закупоривают поры в пластинах. В связи с этим затрудняется прохождение электролита, что препятствует восстановлению аккумулятора в условиях нормального заряда. При нормальном разряде на пластинах образуется мелкозернистый сульфат свинца, который не препятствует последующему восстановлению аккумуляторов при заряде. Плотность электролита в конце заряда достигает значения 1,15— 1,17 г/см3.
Плотность электролита измеряется с помощью денсиметра (ариометра). В процессе эксплуатации уровень электролита постепенно понижается и время от времени его доливают.
Дежурный персонал осуществляет систематическое наблюдение за условиями эксплуатации кислотной аккумуляторной батареи (все данные о токе, напряжении, плотности электролита, температуре заносят в протоколы в соответствии с заводской инструкцией).
Осмотр аккумуляторной батареи производится: дежурным персоналом — 1 раз в сутки; мастером или начальником подстанции — 2 раза в мес; на подстанциях без постоянного дежурного персонала — эксплуатационным персоналом одновременно с осмотром оборудования, а также специально выделенным лицом — по графику, утвержденному главным энергетиком предприятия.
Для увеличения срока службы кислотных аккумуляторных батарей их эксплуатацию осуществляют в режиме постоянного подзаряда (подключение заряженной батареи параллельно с зарядным устройством). Это обусловлено тем, что при работе кислотной аккумуляторной батареи по методу заряд — разряд (питание нагрузки заряженной аккумуляторной батареей с последующим зарядом ее после разрядки) износ положительных пластин аккумуляторов происходит значительно быстрее, чем при режиме постоянного подзаряда.
Преимуществом режима постоянного подзаряда является то, что аккумуляторная пластина постоянно находится в состоянии полного заряда и может в любой момент обеспечить нормальное питание нагрузки.
При эксплуатации кислотных батарей не все аккумуляторы имеют одинаковый саморазряд. Причиной этого могут быть неодинаковые температурные условия (различное расстояние от отопительных приборов), а также разная степень загрязнения электролита в аккумуляторах. Аккумуляторы, имеющие большой саморазряд (отстающие), подвержены более глубокой сульфатации. Поэтому кислотные батареи 1 раз в 3 мес подвергают уравнительному заряду.
Текущий ремонт аккумуляторной батареи проводится по системе ППТОР, но не реже 1 раза в год.
При текущем ремонте аккумуляторной батареи осуществляются: проверка состояния пластин и замена их в отдельных элементах (при необходимости); замена части сепараторов; удаление шлама из элементов; проверка качества электролита; проверка состояния стеллажей и их изоляции относительно земли; устранение других неисправностей аккумуляторной батареи; проверка и ремонт строительной части помещения.
Все работы при эксплуатации кислотных аккумуляторных батарей в период операции с кислотой и электролитом проводят в резиновых сапогах, фартуке, перчатках и шерстяной спецодежде. Для защиты глаз обязательны предохранительные очки. Возле рабочего места всегда должен находиться 5 %-ный раствор питьевой соды для промывки пораженных кислотой или электролитом участков кожи.
Капитальный ремонт батареи проводится по системе ППТОР, но не реже 1 раза в 3 года.
В статье рассмотрены вопросы применения и эксплуатации кислотно-свинцовых герметичных аккумуляторных батарей, наиболее широко используемых для резервирования аппаратуры охранно-пожарной сигнализации (ОПС)
Появившиеся на российском рынке в начале 90-х годов кислотно-свинцовые герметичные аккумуляторные батареи (далее - аккумуляторы), предназначенные для использования в качестве источников постоянного тока для электропитания или резервирования аппаратуры ОПС, связи и видеонаблюдения, в короткий срок завоевали популярность у пользователей и разработчиков. Наиболее широкое применение получили аккумуляторы, производимые фирмами: «Power Sonic», «CSB», «Fiamm», «Sonnenschein», «Cobe», «Yuasa», «Panasonic», «Vision».
Аккумуляторы такого типа имеют следующие достоинства:
Рисунок 1 - Зависимость времени разряда аккумулятора от тока разряда
- герметичность, отсутствие вредных выбросов в атмосферу;
- не требуются замена электролита и доливка воды;
- возможность эксплуатации в любом положении;
- не вызывает коррозии аппаратуры ОПС;
- устойчивость без повреждений к глубокому разряду;
- малый саморазряд (менее 0,1%) от номинальной ёмкости в сутки при температуре окружающей среды плюс 20 °С;
- сохранение работоспособности при более чем 1000 циклов 30% разряда и свыше 200 циклов полного разряда;
- возможность складирования в заряженном состоянии без подзаряда в течение двух лет при температуре окружающей среды плюс 20 °С;
- возможность быстрого восстановления ёмкости (до 70% за два часа) при заряде полностью разряженного аккумулятора;
- простота заряда;
- при обращении с изделиями не требуется соблюдение каких-либо мер предосторожности (так как электролит находится в виде геля, отсутствует утечка кислоты при повреждении корпуса).
Рисунок 2 - Зависимость емкости аккумулятора от температуры окружающей среды
Одной из основных характеристик является ёмкость аккумулятора С (произведение тока разряда А на время разряда ч). Номинальная ёмкость (значение указано на батарее) равна ёмкости, которую отдает аккумулятор при 20-часовом разряде до напряжения 1,75 В на каждой ячейке. Для 12-вольтового аккумулятора, содержащего шесть ячеек, это напряжение равно 10,5 В. Например, аккумулятор с номинальной ёмкостью 7 Ач обеспечивает работу в течение 20 ч при токе разряда 0,35 А. При расчете времени работы аккумулятора при токе разряда, отличном от 20-часового, реальная ёмкость его будет отличаться от номинальной. Так, при более 20-часовом токе разряда реальная ёмкость аккумулятора будет меньше номинальной (рисунок 1 ).
Ёмкость аккумулятора также зависит от температуры окружающей среды (рисунок 2
).
Все фирмы-производители выпускают аккумуляторы двух номиналов: 6 и 12 В с номинальной ёмкостью 1,2 … 65,0 А*ч.
ЭКСПЛУАТАЦИЯ АККУМУЛЯТОРОВ
При эксплуатации аккумуляторов необходимо соблюдать требования, предъявляемые к их разряду, заряду и хранению.
1. Разряд аккумулятора
При разряде аккумулятора температура окружающей среды должна поддерживаться в пределах от минус 20 (для некоторых типов аккумуляторов от минус 30 °С) до плюс 50 °С. Такой широкий температурный диапазон позволяет устанавливать аккумуляторы в неотапливаемых помещениях без дополнительного подогрева.
Не рекомендуется подвергать аккумулятор «глубокому» разряду, так как это может привести к его порче. В таблице 1
приведены значения допустимого напряжения разряда для различных значений тока разряда.
Таблица 1
Аккумулятор после разряда следует немедленно зарядить. Это особенно касается аккумулятора, который был подвергнут «глубокому» разряду. Если аккумулятор в течение длительного периода времени находится в разряженном состоянии, то возможна ситуация, при которой восстановить полностью его ёмкость будет невозможно.
Некоторые разработчики источников питания со встроенным аккумулятором устанавливают напряжение отключения батареи при ее разряде предельно низким (9,5…10,0 В), пытаясь увеличить время работы в резерве. На самом деле увеличение продолжительности ее работы в этом случае незначительно. Например, остаточная ёмкость батареи при ее разряде током 0,05 С до 11 В составляет 10% от номинальной, а при разряде большим током это значение уменьшается.
2. Соединение нескольких аккумуляторов
Для получения номиналов напряжений свыше 12 В (например, 24 В), используемых для резервирования приемно-контрольных приборов и извещателей для открытых площадок, допускается последовательное соединение нескольких аккумуляторов. При этом следует соблюдать следующие правила:
- Необходимо использовать одинаковый тип аккумуляторов, производимых одной фирмой-изготовителем.
- Не рекомендуется соединять аккумуляторы с разницей даты времени изготовления больше чем 1 месяц.
- Необходимо поддерживать разницу температур между аккумуляторами в пределах 3 °С.
- Рекомендуется соблюдать необходимое расстояние (10 мм) между батареями.
3. Хранение
Рисунок 3 - Зависимость изменения емкости аккумулятора от времени хранения при различной температур Допускается хранить аккумуляторы при температуре окружающей среды от минус 20 до плюс 40 °С.
Аккумуляторы, поставляемые фирмами-изготовителями в полностью заряженном состоянии, имеют достаточно малый ток саморазряда, однако при длительном хранении или использовании циклического режима заряда возможно уменьшение их емкости (рисунок 3 ). Во время хранения аккумуляторов рекомендуется перезаряжать их не реже 1 раза в 6 месяцев.
4. Заряд аккумулятора
Рисунок 4 - Зависимость срока службы аккумулятора от температуры окружающей среды
Заряд аккумулятора можно осуществлять при температуре окружающей среды от 0 до плюс 40 °С.
При заряде аккумулятора нельзя помещать его в герметично закрытую емкость, так как возможно выделение газов (при заряде большим током).
ВЫБОР ЗАРЯДНОГО УСТРОЙСТВА
Рисунок 5 - Зависимость изменения относительной емкости аккумулятора от срока службы в буферном режиме заряда
Необходимость правильного выбора зарядного устройства продиктована тем, что чрезмерный заряд будет не только уменьшать количество электролита, а приведет к быстрому выходу из строя элементов аккумулятора. В то же время уменьшение тока заряда приводит к увеличению продолжительности заряда. Это не всегда желательно, особенно при резервировании аппаратуры ОПС на объектах, где часто происходят отключения электроэнергии,
Срок службы аккумулятора существенно зависит от методов заряда и температуры окружающей среды (рисунки 4, 5, 6
).
Буферный режим заряда
Рисунок 6 - Зависимость количества циклов разряда аккумулятора от глубины разряда* % показывает глубину разряда на каждый цикл номинальной емкости, взятой как 100%
При буферном режиме заряда аккумулятор всегда подключен к источнику постоянного тока. В начале заряда источник работает как ограничитель тока, в конце (когда напряжение на батарее достигает необходимого значения) - начинает работать как ограничитель напряжения. С этого момента ток заряда начинает падать и достигает величины, компенсирующей саморазряд аккумулятора.
Циклический режим заряда
При циклическом режиме заряда производится заряд аккумулятора, затем он отключается от зарядного устройства. Следующий цикл заряда осуществляется только после разряда аккумулятора или через определенное время для компенсации саморазряда. Характеристики заряда аккумулятора приведены в таблице 2 .
Таблица 2
Примечание - Температурный коэффициент не следует принимать во внимание, если заряд протекает при температуре окружающей среды 10…30° С.
На рисунке 6 показано количество циклов разряда, которым можно подвергнуть аккумулятор в зависимости от глубины разряда.
Ускоренный заряд аккумулятора
Допускается проведение ускоренного заряда аккумулятора (только для циклического режима заряда). Для данного режима характерно наличие цепей температурной компенсации и встроенных температурных защитных устройств, так как при протекании большого тока заряда возможен разогрев аккумулятора. Характеристики ускоренного заряда аккумулятора приведены в таблице 3.
Таблица 3
Примечание - следует использовать таймер, чтобы предотвратить заряд аккумулятора.
Для аккумуляторов, имеющих ёмкость более чем 10 Ач, начальный ток не должен превышать 1C.
Срок службы кислотно-свинцовых герметичных аккумуляторов может составлять 4…6 лет (при соблюдении требований, предъявляемых к заряду, хранению и эксплуатации аккумуляторов). При этом в течение указанного срока их эксплуатации никакого дополнительного обслуживания не требуется.
* Все рисунки и технические характеристики, использованные в данной статье, приведены из документации для аккумуляторов фирмы «Fiamm», а также полностью соответствуют техническим характеристикам параметров аккумуляторов, производимых фирмами «Cobe» и «Yuasa».
Продолжить чтение
Какая емкость АБ Вам нужна? При расчете системы автономного электроснабжения очень важно правильно выбрать емкость аккумуляторной батареи. Специалисты компании "Ваш Солнечный Дом" помогут Вам правильно рассчитать необходимую емкость АБ для вашей энергосистемы. Для предварительного расчета Вы можете руководствоваться следующими простыми…
