[02-2015] Особенности размещения аккумуляторных батарей на станциях

[poster334]

Особенности размещения аккумуляторных батарей на станциях

О.С. СКРОЦКАЯ, заместитель директора ООО «Акку-Фертриб» по работе с ОАО «РЖД»

В качестве автономных источников тока для резервирования питания систем ЖАТ на сети дорог традиционно применяются стационарные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи. До 90-х годов прошлого столетия благодаря хорошей изученности, простоте производства, неприхотливости к условиям эксплуатации и широте модельного ряда наиболее распространены были батареи, изготовленные по классической технологии с жидким электролитом. Однако сегодня все больший акцент делается на малозатратные в обслуживании технологии.

В частности, для аварийного электроснабжения постов ЭЦ используются герметизированные химические источники тока. При этом одновременно решается проблема рационального использования свободного пространства в помещениях станций.

■ К особенностям классических свинцово-кислотных аккумуляторов следует отнести необходимость корректирования уровня и плотности электролита в ходе эксплуатации, а также значительный объем газовы-деления при заряде. Такие батареи требуется устанавливать в отдельном помещении, оснащенном принудительной приточно-вытяжной вентиляцией. При проектировании и строительстве станционных зданий на сети дорог предусматривались оборудованные вентиляцией аккумуляторные помещения.

Со временем из-за дефицита места эти помещения перепрофилировали, а батареи переносили в шкафы наружной установки, что приводило к быстрому отказу аккумуляторных батарей, иногда даже в течение первого года уличной эксплуатации.

Рассмотрим объективные причины, по которым станционную батарею необходимо устанавливать в капитальном помещении.

Свинцово-кислотный аккумулятор, как и любой другой химический источник тока, представляет собой систему неустойчивого равновесия. Все протекающие в нем процессы так или иначе связаны с его медленным разрушением, выражающемся в необратимой потере емкости.

Чтобы процессы деградации протекали с характерной для данного типа аккумуляторов и режима их эксплуатации скоростью, а, следовательно, и срок службы батареи был предсказуем, необходимо обеспечить, прежде всего, ее правильный и своевременный заряд. Параметры разряда должны соответствовать разрешенным предприятием-производителем режимам.

Для обеспечения расчетного срока службы резервной батареи особенно важны правильная установка напряжения непрерывного подзаряда и обеспечение точности его стабилизации (±2%). Кроме того, большое значение имеет ограничение величины остаточных пульсаций выпрямленного напряжения (5% без батареи).

Следует помнить, что величину напряжения непрерывного подзаряда для каждой серии батарей при эталонной температуре (как правило, 20 или 25°С) задает производитель. Если фактическая температура аккумуляторов отличается от эталонного значения, то напряжение должно корректироваться по правилу температурной компенсации. Под температурной компенсацией понимается следующее. При напряжении непрерывного подзаряда через аккумуляторную батарею протекает оптимальный остаточный зарядный ток, поддерживающий ее в состоянии полной заряженности при минимальной скорости коррозии электродов. Перезаряд по напряжению ведет к росту тока и ускорению коррозии решеток пластин, недозаряд также ускоряет этот процесс и вызывает сульфатацию активного материала.

Если при заданном зарядном напряжении температура аккумуляторов увеличивается, остаточный ток повышается, причем с возрастанием температуры на каждые 10°С ток увеличивается вдвое. Для сохранения его оптимального значения при повышении температуры требуется снижение зарядного напряжения, а при уменьшении -увеличение напряжения подзаряда.

В применяемых на постах ЭЦ для питания реле выпрямительных системах 24/28 В не предусмотрено регулирование напряжения подзаряда батареи при изменении температуры. Поэтому в холодное время года при уличной эксплуатации аккумуляторы испытывают регулярный недозаряд. Как следствие, нарастают процессы коррозии электродов и сульфатации активного материала пластин. В жаркое время года, напротив, наблюдается перезаряд батареи, который приводит к усиленной коррозии решеток пластин и росту внутреннего сопротивления. Поскольку недозаряд свинцово-кислотных аккумуляторов гораздо опаснее, чем перезаряд, при эксплуатации на улице в холодном климате они могут критически потерять емкость в первый же зимний сезон.

Единственным рациональным решением, не требующим переноса батарей в шкафы наружной установки в случае переоборудования аккумуляторного помещения, является применение герметизированных аккумуляторов. Они размещаются внутри здания в условиях естественной вентиляции. Эксплуатация этих батарей допускается как в отдельном помещении, так и в помещении с электротехническим и коммутационным оборудованием (релейной).

■ На сегодняшний день известны три технологии изготовления свинцово-кислотных аккумуляторов промышленного назначения. Каждая из них характеризуется особым состоянием электролита.

Первыми свинцово-кислотными аккумуляторами были аккумуляторы с жидким или свободным электролитом, создание которых относится к 1859 г. и связано с именем французского ученого-физика Гастона Планте. На протяжении ста лет технология их производства постоянно развивалась.

В 1957 г. специалисты немецкой компании Sonnenschein разработали аккумулятор со связанным электролитом, так называемый непроливаемый аккумулятор. Сама технология получила название dryfit и была запатентована. Идея основана на принципе загущивания электролита до желеобразного состояния и герметизации внутреннего объема при помощи клапана избыточного давления. Он устанавливается в заливочное отверстие и обеспечивает вывод небольшого количества газа во внешнюю среду. С 1958 г. началось серийное производство гель-батарей под торговой маркой Sonnenschein, которая до сих пор является фирменным знаком герметизированных аккумуляторов высокого качества.

В 70-х годах прошлого столетия была изобретена технология связывания электролита путем пропитывания сепараторов, обладающих хорошими капиллярными свойствами. Она получила название AGM (от Absorbent Glass Mat). В качестве сепараторов в ней применяются листы стекловолокна.

Главное преимущество герметизированных батарей в том, что при эксплуатации они не требуют обслуживания, т. е. доливки дистиллированной воды в электролит. Клапаны избыточного давления устанавливаются при производстве изделий и не разбираются в течение всего срока службы аккумуляторов. Другим важным свойством является низкое газовыделение, что существенно снижает требования к скорости воздухообмена в месте установки батареи.

Тем не менее, конечный уровень газовыделения при заряде свинцово-кислотных аккумуляторов обязательно нужно учитывать при проектировании и эксплуатации систем электроснабжения с резервной батареей.

■ Протекание через аккумулятор тока перезаряда сопровождается побочной реакцией электролиза воды, в результате которой на положительном электроде образуется кислород, на отрицательном - водород. Если не приняты специальные меры, эти газы выделяются в окружающее пространство. По закону электролиза Фарадея в результате разложения 0,336 г воды на 1 А*ч электричества выделяется 0,037 г (0,418 л) водорода и 0,299 г (0,209 л) кислорода. Водород - взрывоопасный горючий газ. Если его концентрация в смеси с воздухом достигает 4% общего объема, возникает опасность возгорания.

Для удаления водорода необходимо обеспечить естественную или принудительную вентиляцию помещения, где расположена батарея. Скорость воздухообмена определяется по ГОСТ Р МЭК 62485-2-2011 «Батареи аккумуляторные и батарейные установки. Требования безопасности». Часть 2. Стационарные батареи.

В связанном электролите идет процесс внутренней рекомбинации газов с образованием воды. Реакция протекает при наличии микротрещин в геле или незаполненных электролитом пор в стекловолоконном сепараторе, т.е. каналов рекомбинации, по которым газообразный кислород доставляется к отрицательному электроду. Здесь он вступает в электрохимическую реакцию с водородом, сопровождающуюся тепловыделением.

Коэффициент рекомбинации в системах со связанным электролитом составляет 98-99%, т.е. по сравнению с классическими конструкциями, в которых электролит не связан, скорость газовыделения в них примерно в сто раз меньше.

Минимальная скорость воздухообмена в месте расположения батареи рассчитывается по формуле: Q = 0,05 n lgas Crt 10^-3, м3/ч, где I - ток газовыделения для поддерживающего или ускоренного заряда, мА/А*ч;

Crt - емкость 10-часового разряда свинцово-кислотных элементов до напряжения 1,8 В при температуре 20 °С, А*ч;

n - количество элементов в батарее.

Ток газовыделения зависит от режима заряда и состояния электролита. При поддерживающем заряде для аккумуляторов с жидким электролитом, содержащих менее 3% сурьмы, ток составляет 5 А, для герметизированных аккумуляторных батарей с клапаном избыточного давления - 1 А, При ускоренном заряде величина этого тока соответственно 20 и 8 А.

Минимальная площадь входного и выходного вентиляционных отверстий при естественной вентиляции определяется по следующей формуле:

А = 28Q, см2.

Вблизи батареи необходимо создать безопасный воздушный промежуток, где не должно быть искрообразующих или раскаленных устройств. Ширина зоны отчуждения (минимальное расстояние от клапанов батареи)зависит от типа, емкости и режима заряда аккумулятора. Эта величина рассчитывается по формуле:

Для моноблочного аккумулятора выход газов определяют по количеству последовательно подключенных в одном корпусе элементов, соединенных единой вентиляционной системой в крышке или через трубку. При расчете безопасного расстояния Crt определяют путем умножения емкости моноблока на число его элементов.

Согласно этой формуле минимальная ширина зоны безопасности при ускоренном заряде батареи емкостью 200 Ач из 12 свинцово-кислотных элементов с внутренней рекомбинацией газа составляет 0,337 м. Требуемая скорость воздухообмена - 0,96 м3/ч. В случае естественной вентиляции для обеспечения этой скорости требуется воздуховод с минимальной площадью сечения 26,9 см2.

Для батарей с внутренней рекомбинацией газа емкостью до 1000 А ч безопасный воздушный
промежуток в любом режиме заряда не превышает 1 м. Такая зона отчуждения гарантирует безопасную эксплуатацию герметизированных контрольных батарей в условиях естественной вентиляции.

Герметизированные аккумуляторы с желеобразным электролитом выпускаются в Германии на двух заводах концерна EXIDE Technologies, под торговой маркой Sonnenschein.

Аккумуляторы Sonnenschein допущены к применению и рекомендованы при проектировании установок автономного и бесперебойного электроснабжения систем ЖАТ. Батареи серий Sonnenschein А400, Sonnenschein А700 и Sonnenschein А600 OPzV могут использоваться на постах ЭЦ в качестве контрольных. Они устанавливаются в одном помещении с электротехническим и коммутационным оборудованием.

Батареи серии Sonnenschein А600 OPzV - это надежные и долговечные автономные источники тока, которые идеально подходят для больших станций. В основе их конструкции трубчатая положительная пластина. Срок службы этих аккумуляторов емкостью 200 А-ч и более достигает 20 лет.

Если требуются аккумуляторы емкостью менее 200-300 А*ч, целесообразно обратить внимание на моноблоки с плоской намазной положительной пластиной серий Sonnenschein А400 и А700. Их проектируемые сроки службы в режиме непрерывного подзаряда 12 и 15 лет соответственно. Это оптимальный вариант по соотношению цена-качество.

Эффективность в эксплуатации подтвердили аккумуляторы Sonnenschein A400FT. Они выпускаются в узких корпусах с фронтальным расположением выводов. Благодаря этому батареи идеально подходят для компактного монтажа в ограниченном пространстве. Они обладают всеми преимуществами технологии dryfit.

Батареи перечисленных серий можно применять с системами питания на основе модулей УЗА 24-20, БПС80-Н-26.4-10, БПС80-Т-10-24, БПС 30В/10А и БПСМ 30В/15А, которые удовлетворяют требованиям к качеству выпрямленного напряжения, настройке напряжения подзаряда (из расчета 2,25 В/эл), обладают высокой точностью стабилизации (2 %) и ограниченным уровнем пульсаций (5 %).

С другой стороны, аккумуляторные батареи технологии dryfit не требуют термокомпенсации напряжения заряда при температуре от +15 до +35 °С, что также хорошо согласуется с возможностями станционных выпрямительных систем с учетом эксплуатации в помещении.

В системах железнодорожной автоматики используются аккумуляторы, выпускаемые по трем перечисленным технологиям. Однако сегодня большинство резервных батарей имеют классическую конструкцию со свободным электролитом. Дальнейшее развитие технических средств ЖАТ предполагает последовательный переход на ма-лообслуживаемое и необслуживаемое оборудование. В связи с этим потребуются надежные автономные источники тока, имеющие многолетнюю историю производства и проверенное временем качество. Герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи Sonnenschein - оптимальный вариант для создания максимально удобных и малозатратных в эксплуатации электроустановок, обеспечивающих требуемый уровень надежности.

[СЦБот]

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

Перенес: Admin