[09-2011] Особенности эксплуатации свинцово-кислотных аккумуляторов

[Admin]

Особенности эксплуатации свинцово-кислотных аккумуляторов

С.А. ШУБИН, директор ЗАО «Акку-Фертриб»
О.С. СКРОЦКАЯ, начальник технического отдела

Оценивая условия эксплуатации резервных источников тока, применяемых в системах автоматики и телемеханики, основное внимание следует обращать на место их установки. Если свинцово-кислотные аккумуляторные батареи расположены в капитальном помещении, то условия их работы, как правило, мало чем отличаются от тех, которые предписывает производитель. Условия эксплуатации батарей в наружных шкафах, где практически нет разницы с температурой внешней среды, заслуживают отдельного внимания. В этом случае не всегда выполняются требования к режиму заряда аккумуляторов, они часто подвергаются экстремальным тепловым нагрузкам или эксплуатируются при низких и даже отрицательных температурах. Все это сокращает прогнозируемый срок службы и ограничивает доступную разрядную емкость батарей.

Для заряда аккумуляторных батарей в наружных шкафах зачастую применяют преобразователи с недостаточно стабильными выходными характеристиками выпрямителя при отсутствии интеллектуального управления режимом заряда. В частности, у них низкая точность стабилизации выходного напряжения (более 2 %); высокий уровень остаточных пульсаций и, как следствие, большая амплитуда наложенных переменных токов, протекающих через батарею. Также отсутствуют функции термокомпенсации напряжения заряда, а производимые раз в полгода сезонные уставки не решают проблемы.

Не всегда в полной мере удается оценить влияние этих факторов на процесс старения батареи. Каждый отдельно и в сочетании они могут приводить к перезаряду или недозаряду аккумуляторов, и, как следствие, к ускоренной деградации и выходу их из строя. Поскольку предотвратить негативные воздействия невозможно, следует внимательнее следить за состоянием батареи, чтобы своевременно ее заменить.

Еще одним фактором, сокращающим срок службы химических источников тока при эксплуатации в наружных шкафах, является широкий рабочий диапазон температур, выходящий за рамки стандартного допуска.

Все технические характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов, включая проектируемый срок эксплуатации, определены для эталонной температуры 20° или 25°С в зависимости от серии батарей. Поддерживать эту температуру в течение всего срока службы невозможно, поэтому рекомендуемая температура эксплуатации 10...30°С. Для многих типов аккумуляторов в этом диапазоне не требуется регулирование напряжения подзаряда.

Условия работы батареи в наружных шкафах существенно отличаются от рекомендуемых производителем. В зимний период температура в них может опускаться ниже -50°С, в летний - подниматься выше +60°С.

Рассмотрим влияние экстремальных температурных режимов на состояние и срок службы аккумуляторов. При эксплуатации в условиях повышенных температур фактический срок службы батареи по сравнению с расчетным сокращается. Превышение эталонной температуры на каждые 10 °С уменьшает этот период вдвое. Эта зависимость, подтвержденная практикой, лежит в основе методики испытаний батарей на долговечность в режиме ускоренного старения.

Производители свинцово-кис-лотных аккумуляторов не предусматривают их эксплуатацию при температуре выше 55°С, так как уже при температуре выше 45°С срок их службы многократно сокращается. Например, если батарею, рассчитанную на 12 лет работы при 25°С, непрерывно эксплуатировать при 60°С, то учитывая прочие негативно воздействующие факторы, она будет работоспособной не более года.

При эксплуатации свинцово-кислотных аккумуляторов при пониженной температуре их срок службы не сокращается, но ограничивается допустимая разрядная емкость. График зависимости отдаваемой емкости (Сразр ) от температуры в различных режимах разряда, приведенной к емкости разряда (С20.) при эталонной температуре 20°С, представлен на рис. 1. Кривая 1 соответствует режиму разряда длительностью 1 ч, кривая 2 - 3 ч, кривая 3 - 5 ч, кривая 4 - 10 ч.

Такое поведение свинцово-кис-лотного аккумулятора объясняется обратной зависимостью его внутреннего сопротивления от температуры. Величина сопротивления возрастает прежде всего за счет ухудшения проводимости электролита, а также по мере разряда аккумулятора.

Динамика снижения напряжения аккумулятора при разряде зависит от изменения ЭДС элемента, динамики роста его внутреннего сопротивления, а также величины тока разряда. Иными словами, чем ниже температура аккумулятора и больше ток разряда, тем быстрее упадет напряжение на его выводах и, соответственно, меньше окажется снятая емкость. Возникает эффект так называемой «кажущейся» потери емкости, когда запас непрореагировавших активных веществ еще достаточен, а разряд приходится прекращать из-за недопустимого снижения напряжения на выводах батареи. График зависимости напряжения разряда от времени показан на рис. 2. Кривая 1 соответствует температуре +25°С, кривая 2 - -18°С, кривая 3 —32°С.

Таким образом, если предполагается эксплуатировать свинцово-кислотные аккумуляторы при пониженной температуре, то при расчете и выборе батареи необходимо предусмотреть запас по емкости.

Работа аккумуляторной батареи при отрицательной температуре связана с опасностью замерзания электролита. График зависимости температуры замерзания электролита от его плотности показан на рис. 3.

Электролит свинцово-кислотного аккумулятора представляет собой водный раствор серной кислоты и непосредственно участвует в токообразующих реакциях. Из-за того, что при разряде расходуются молекулы серной кислоты и образуются молекулы воды, плотность электролита постепенно снижается. Оценивая работоспособность аккумулятора при отрицательных

температурах, необходимо учитывать не только номинальную (начальную) плотность его электролита, но и плотность в конце разряда при снятии расчетной емкости. Пример зависимости температуры замерзания жидкого электролита от остаточной емкости аккумулятора показан на графике рис. 4.

Начальная плотность электролита полностью заряженного аккумулятора зависит от его конструкции и технологии производства. Например, аккумуляторы со свободным электролитом в зависимости от модели могут иметь номинальную начальную плотность: 1,22; 1,24; 1,26 кг/л. Температуры замерзания электролита этих полностью заряженных батарей составляют: -32; -42 и -54°С,

т.е. аккумулятор с электролитом плотностью 1,24 кг/л нельзя разряжать при температуре -40°С из-за угрозы его замерзания. Аккумуляторы с желеобразным электролитом имеют начальную плотность 1,28 кг/л с температурой замерзания-54°С. Максимальная начальная плотность батарей с электролитом, впитанным в сепаратор (AGM-технология) -1,29—1,3 кг/л. Температура их замерзания не ниже -70°С.

Однако не следует считать, что аккумуляторы с максимальной начальной плотностью электролита наиболее пригодны для работы на морозе. Конечная плотность электролита определяется его начальной плотностью и объемом в аккумуляторе, а также требуемой глубиной разряда батареи. Таким образом, при одинаковой глубине разряда наибольшая конечная плотность электролита будет у аккумулятора, имеющего высокую начальную плотностью и больший его запас. Это характерно для батарей с желеобразным электролитом, начальная плотность которого достаточно высока, а объем сравним с аккумуляторами, имеющими жидкий электролит.

AGM-аккумуляторы отличаются малым запасом электролита, и при сравнении со сходным по емкости гель-элементом соотношение оказывается примерно 1,5 в пользу гель-технологии. Поэтому их нежелательно использовать при отрицательных температурах, особенно когда предполагаются разряды со снятием емкости, близкой номинальной.
При расчете батареи, выборе и оценке режимов эксплуатации аккумуляторов должна быть полностью исключена вероятность замерзания электролита, поскольку это может вызвать наружные и внутренние повреждения в их конструкции. Это приводит к полному выходу батареи из строя или к необратимой потере ее рабочих характеристик. На практике невозможно предсказать момент выхода батареи из строя и заранее подготовиться к плановой замене.

Эксплуатация батареи при температуре ниже точки замерзания электролита полностью заряженного аккумулятора недопустима. Кроме этого, в зависимости от температуры следует ограничивать глубину ее разряда. Нем ниже температура эксплуатации, тем меньше допустимая глубина разряда. Поэтому при отрицательной температуре приходится использовать аккумуляторы с повышенной номинальной емкостью. Это требует дополнительных затрат на их приобретение и заряд, так как мощность зарядных агрегатов должна быть увеличена пропорционально создаваемому запасу емкости.

Ограничение отбора емкости батареи при отрицательной температуре - это принудительная остановка разряда или снятие с аккумуляторов определенного количества электричества. Однако, как показывает практика, данное условие актуально при разряде батареи малым током (при длительности более часа). Если же батарея разряжается большим током (при длительности менее часа), то отбор емкости можно искусственно не ограничивать. Высокое внутреннее сопротивление аккумуляторов и значительный разрядный ток приведут к быстрому падению напряжения на выводах батареи. В результате разряд прекратится еще до того, как плотность электролита снизится до опасной величины.

Более экономичное и технологичное решение - использование подогреваемых батарейных шкафов, особенно в регионах с холодным климатом. В идеальных условиях температура в них не должна опускаться ниже 5°С. Это предотвратило бы опасность замерзания электролита и ограничило коэффициент запаса номинальной емкости относительно разрядной. Но даже поддержание температуры в шкафу выше определенного уровня, например -20°С, существенно облегчит выбор батареи и сделает ее работу более предсказуемой.

В шкафах, где размещаются свинцово-кислотные аккумуляторы, должна быть предусмотрена вентиляция, поскольку при заряде выделяется водород. В зависимости от типа аккумуляторов - с жидким электролитом или герметизированных батарей - вентиляция может быть принудительной или естественной. Недопустимо устанавливать аккумуляторы в герметичных отсеках, использовать вблизи них оборудование, которое может быть источником электрических искр или пламени, а также приборы накаливания с температурой поверхности выше 300°С.

[СЦБот]

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Автоматика, связь, информатика".

Перенес: Admin