低溫對蓄電池容量影響的分析

馬宜靜

(寧夏電投西夏熱電公司,寧夏銀川750021)

0 引 言

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展,電力系統(tǒng)通信在電網(wǎng)中的作用也越來越重要,這就對通信設(shè)備提出了較高的技術(shù)要求。通信電源是通信網(wǎng)絡(luò)暢通的重要保障,通信電源系統(tǒng)運行質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到整個通信網(wǎng)絡(luò)的運行質(zhì)量、可靠性和安全性。蓄電池作為通信電源系統(tǒng)的重要組成部分,是電源系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運行和優(yōu)質(zhì)供電的最后保證。目前,電力系統(tǒng)通信電源配套的蓄電池大多是先進(jìn)的閥控式密封鉛酸蓄電池(VRLA蓄電池),根據(jù)通信設(shè)備的不同需求,其每節(jié)單體電壓一般有2 V、6 V和12 V三種。

1 VRLA蓄電池簡介

1.1 VRLA蓄電池原理及特點

傳統(tǒng)的電池,由于水的蒸發(fā)以及電解液的分解,需要經(jīng)常對電解液的濃度進(jìn)行檢測,以確定是否對其添加蒸餾水。另外,在電池充電過程中,由于化學(xué)反應(yīng)劇烈,會產(chǎn)生大量有害氣體形成酸霧,污染室內(nèi)空氣,對工作人員會產(chǎn)生職業(yè)危害。相對于傳統(tǒng)電池,VRLA蓄電池具有體積小、防爆安全、電壓穩(wěn)定、無污染、重量輕、放電性能高、維護(hù)量小等特點,而成為通信電源系統(tǒng)的首選電池。

VRLA蓄電池的設(shè)計原理是把所需分量的電解液注入極板和隔板中,沒有游離的電解液,通過負(fù)極板潮濕來提高吸收氧的能力,為防止電解液減少把蓄電池密封,故VRLA蓄電池又稱“貧液蓄電池”。

1.2 影響閥控式密封鉛酸蓄電池壽命的重要因素

影響VRLA蓄電池壽命的外部因素有:1)環(huán)境溫度;2)過度充電;3)過度放電;4)長期浮充電。

影響VRLA蓄電池壽命的內(nèi)部因素是電池失水。VRLA蓄電池屬于少液式蓄電池,其中的電解液受到嚴(yán)格的限制,并且其電解液在出廠前一次加注,一旦減少便很難恢復(fù)。因此,當(dāng)電解液中水分減少到一定程度,就會引起VRLA蓄電池失效[3]。

2 西夏熱電公司通信用蓄電池簡介

西夏熱電公司通信用高頻開關(guān)電源所配備的是2組48只,標(biāo)稱單體2 V 300 Ah江蘇雙登VRLA蓄電池。采取兩組蓄電池并聯(lián)運行,浮充供電的方式。在交流正常供電時,蓄電池組通過高頻開關(guān)電源浮充來儲備電能,它與整流模塊并聯(lián)運行可以起到平滑濾波的作用,能降低直流系統(tǒng)的雜音電壓,改善整流器的供電質(zhì)量,此時蓄電池組不給通信設(shè)備供電。當(dāng)交流電中斷或電源設(shè)備出現(xiàn)故障時,就必須依靠蓄電池組向通信設(shè)備供電,保證通信設(shè)備正常運行。正常溫度下通信用蓄電池單體電壓如表1所示(以蓄電池組1為例)。

3 低溫對蓄電池的影響分析

3.1 故障現(xiàn)象

2010年12月27日,西夏熱電公司通信維護(hù)人員巡檢時發(fā)現(xiàn)機房空調(diào)故障,正值冬季,夜間室外溫度最低達(dá)零下19℃(-19℃),當(dāng)時室內(nèi)溫度只有6℃。維護(hù)人員一方面迅速聯(lián)系維修人員對空調(diào)進(jìn)行修理;另一方面找來電暖氣提高機房溫度。經(jīng)過對蓄電池組容量的測試,發(fā)現(xiàn)低溫對蓄電池容量有一定的影響。具體測試結(jié)果如表2所示(仍以蓄電池組1為例)。

表1 正常溫度下通信用蓄電池單體電壓(21℃)

表2 低溫對蓄電池容量測試結(jié)果(6℃)

通過表1與表2數(shù)據(jù)對比可以看出,由于環(huán)境溫度降低,導(dǎo)致蓄電池的單體容量降低,相應(yīng)的蓄電池組的容量也降低,其降幅達(dá)9.81%。由此可見,低溫對蓄電池的容量具有一定的影響。

3.2 溫度對蓄電池容量影響的分析

根據(jù)VRLA蓄電池的設(shè)計原理,在浮充狀態(tài)下,電池內(nèi)部產(chǎn)生的氣體通過氧復(fù)合反應(yīng)被負(fù)極板吸收變成水回到電池內(nèi)部,不會使電解液枯竭引起容量降低。但環(huán)境溫度偏離標(biāo)準(zhǔn)溫度而升高時,將使電池水分子過度損失,提高了電解液濃度,加速了合金腐蝕速度。若長期處于這一環(huán)境中,蓄電池正、負(fù)極板板柵慢慢穿孔損壞,易使活性物質(zhì)附著能力減弱而脫落。所以,環(huán)境溫度的升高,雖使容量有所增加,但高溫又會使蓄電池正、負(fù)極板腐蝕劇增,嚴(yán)重地影響電極反應(yīng)速度,同時環(huán)境溫度過高時,蓄電池內(nèi)部氣體產(chǎn)生的壓力增加。當(dāng)蓄電池內(nèi)部壓力達(dá)到10～35 kPa時,蓄電池安全閥打開,內(nèi)部水分子損失,降低了電池的額定容量,影響蓄電池的使用壽命。所以要求蓄電池應(yīng)在20～25℃環(huán)境中存放及使用,若溫度高于標(biāo)準(zhǔn)溫度10℃,則電池壽命將降低一半[1]。

在低溫工作條件下,負(fù)極板上的海綿狀鉛極易變成小尺寸的晶粒,容易使小孔被凍結(jié)和堵塞,從而大大降低活性物質(zhì)的利用率。假若在低溫惡劣情況下大電流放電使用,負(fù)極活性物質(zhì)中的小孔將會被阻塞得更嚴(yán)重,海綿狀鉛可能變?yōu)橹旅艿腜bSO4,使得電池可放出的電量大大降低,對于正極板,其溫度系數(shù)為負(fù)值,因而在低溫下具有較高的電極電勢。從而在低溫情況下正極放電速率遠(yuǎn)大于負(fù)極放電速率,這樣,在負(fù)極生成PbSO4層前,正極PbO2轉(zhuǎn)化為 PbSO4的過程已經(jīng)結(jié)束,所以正極板在低溫下不生成致密的PbSO4晶粒。因此,溫度過低將會導(dǎo)致VRLA蓄電池的容量下降[3]。

根據(jù)有關(guān)資料,設(shè)定VRLA蓄電池在25℃時,電池容量為100%,超過25℃時,每升高10℃蓄電池容量減少50%;而在25℃以下時,溫度與容量的關(guān)系見表3。

表3 在25℃以下時溫度與容量的關(guān)系

3.3 蓄電池實際容量的計算

蓄電池的額定容量通常是在25℃環(huán)境溫度下以及在指定的放電率情況下規(guī)定的。電池的最佳工作溫度是25℃,當(dāng)電池放電工作溫度不是25℃時,由于電化學(xué)的作用,實際容量應(yīng)按公式(1)換算成25℃基準(zhǔn)溫度時的容量。

式中,Ct為實測容量(V);Ce為環(huán)境溫度為25℃時的標(biāo)稱容量(V);T為實際環(huán)境溫度(℃);K為溫度系數(shù),10小時率容量實驗時K=0.006/℃、3小時率容量實驗時K=0.008/℃、1小時率容量實驗時K=0.01/℃。

從公式(1)中可以看出,當(dāng)環(huán)境溫度高于25℃時,蓄電池的實際釋放容量Ct大于設(shè)計額定容量Ce;而環(huán)境溫度低于25℃時,它的實際可釋放容量Ct低于設(shè)計額定容量Ce。從溫度系數(shù)K的取值還可看出,放電率越大,溫度對容量的影響也越大[2]。

3.4 防范措施

溫度、濕度對于蓄電池的壽命、容量均有影響。對于蓄電池,要做到勤巡視,勤檢查,勤測試。首先,機房環(huán)境溫度保持在25℃左右,避免陽光直射;其次在日常檢查中,經(jīng)常檢查極柱、連接條是否清潔;殼體是否有損傷、變形或腐蝕現(xiàn)象;電池連接處有無松動,溫升是否異常;極柱處是否爬酸、漏液;安全閥周圍是否有酸霧、酸液溢出。并根據(jù)廠家提供的技術(shù)參數(shù)和現(xiàn)場環(huán)境條件,檢查電池組及單體均、浮充電壓是否滿足要求,浮充電流是否穩(wěn)定在正常范圍。

4 結(jié)束語

通信電源的穩(wěn)定可靠直接影響到通信設(shè)備的正常穩(wěn)定運行。本次故障由于發(fā)現(xiàn)及時,處理得當(dāng),在當(dāng)天,機房溫度已經(jīng)恢復(fù)正常。通過對蓄電池組的測試,發(fā)現(xiàn)蓄電池組的容量已基本恢復(fù)正常,對設(shè)備沒有造成損害。

西夏熱電公司通信用蓄電池已運行三年,按照規(guī)定,每天均由專人進(jìn)行檢查,每月進(jìn)行蓄電池容量測試,每年對蓄電池進(jìn)行核對性充放電實驗。自投運以來,從未發(fā)生因蓄電池而影響通信設(shè)備正常工作的事故。雖然如此,本次故障的發(fā)現(xiàn)及處理,還是為通信維護(hù)人員敲響了警鐘。由于西夏熱電公司通信機房為無人值守、定時巡檢,對設(shè)備故障的及時發(fā)現(xiàn)、及時處理存在一定難度。增強蓄電池乃至所有通訊設(shè)備的監(jiān)測功能是急需解決的問題。在今后的工作中,西夏熱電公司將通過集中監(jiān)測、加強巡視、接入告警信號等多種方式,隨時掌握蓄電池的運行狀況,將發(fā)生故障的可能性降低到最小。

[1]周志敏,周紀(jì)海,紀(jì)愛華.閥控式密封鉛酸蓄電池實用技術(shù)[M].北京:中國電力出版社,2004.

[2]GFM系列閥控密封鉛酸蓄電池安裝維護(hù)手冊[Z].雙登集團.

[3]朱松然.蓄電池手冊[M].天津:天津出版社,1998.