鉛酸蓄電池維護及修復方案的研究

鄒劍坤 上海鐵路局供電處

鉛酸蓄電池維護及修復方案的研究

鄒劍坤 上海鐵路局供電處

通過分析鉛酸蓄電池的構造原理和充電、放電過程與原理，結合牽引、電力變配電所鉛酸蓄電池的實際運行情況，找出蓄電池失效的真實原因，經(jīng)過實際修復試驗，提出了切實可行的鉛酸蓄電池維護及修復方案。

鉛酸蓄電池；維護；修復

1 背景

目前，承擔著鐵路牽引、信號和站場等供電任務的牽引變電所（AT所、分區(qū)所、開閉所）和電力變配電所，基本上采用了鉛酸蓄電池作為斷路器機構的操作電源或綜合自動化系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)的后備電源，以保障斷路器機構正常分合閘操作或在電源線路停電時綜合自動化系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)的可靠運行。而牽引變電所和電力變配電所的實際運行情況是斷路器機構操作并不頻繁、電源線路供電可靠性較高，從而使得鉛酸蓄電池長期處于浮充狀態(tài)，其使用壽命大大縮短，甚至在需要使用時發(fā)揮不了作用。因此，有必要對鉛酸蓄電池維護及修復方案進行研究，延長鉛酸蓄電池的使用壽命，減少成本支出，減少廢舊電池對環(huán)境的污染，保障鐵路供電安全，減少對鐵路交通運輸安全的影響。

2 技術分析

2.1 鉛酸蓄電池的構造原理

鉛酸蓄電池是采用稀硫酸液做電解液，用二氧化鉛和絨狀鉛分別作為電池的正極和負極，放完電以后用充電的方法獲得復原并能再次使用的電池。雖然各牽引變電所、電力變配電所和信號基站箱變采用的蓄電池大小不一、容量從12Ah到200Ah不等，但是它們的結構是基本相同的，每組由2節(jié)、9節(jié)或18節(jié)組成，每節(jié)都是由正極板、負極板、隔板、電解液、接線端子、安全閥等部分組成。每節(jié)蓄電池額定電壓均為12V，由6個單格串聯(lián)組合而成，每個單格由若干片正極板和若干片負極板間隔重疊，正負極板中間用超細玻璃纖維隔板隔離。

2.2 鉛酸蓄電池的放電過程及原理

當極板浸入電解液時，在負極板，有少量鉛溶入電解液生產(chǎn)Pb2+，從而在負極板上留下兩個電子2e-，使負極板帶負電，此時負極板具有0.1 V的負電位。

在正極處，少量PbO2溶入電解液，與水反應生產(chǎn)Pb（OH）4再分離成四價鉛離子和氫氧根離子。一部分Pb4+沉附在正極板上，使極板呈正電位，約為+2.0V。故當外路未接通時，蓄電池的靜止電動勢E0=2.0-（-0.1）=2.1 V，若接通外電路，在電動勢的作用下，使電路產(chǎn)生電流If，在正極板處Pb4+和負極板來的電子結合，生產(chǎn)二價鉛離子Pb2+，Pb2+再與電解液中的SO42-結合，生成PbSO4而沉附在正極板上，使得正極板電位降低。在負極板處Pb2+與SO42-結合，生PbSO4而沉附在負極板上。則放電反應原理如公式1所示：

整個放電過程可歸納為圖1所示：

圖1 蓄電池放電過程

2.3 鉛酸蓄電池的充電過程及原理

充電時，蓄電池接直流電源，因直流電源端電壓高于蓄電池電動勢，故電流從正極流入，負極流出。這時，正、負極發(fā)生的反應與放電過程相反。正極板處有少量PbSO4溶于電解液變成Pb2+和SO42-，Pb2+在電源力作用下失去兩個電子變成Pb4+，它又和電解液中OH-結合，生成Pb（OH）4，Pb（OH）4又分解成PbO2和H2O，PbO2沉附在正極板上，而SO42-與電解液中的H+結合成H2SO4。負極板上有少量PbSO4溶入電解液中，變成Pb2+和SO42-，Pb2+在電源力作用下獲得兩個電子變成Pb，沉附在負極板上，SO42-與電解液中的H+結合成H2SO4。則充電

反應原理如式2.2所示：

整個充電過程可歸納為圖2所示：

圖2 蓄電池充電過程

2.4 鉛酸蓄電池失效的原因分析

由于牽引變電所和電力變配電所的鉛酸蓄電池長期處于浮充狀態(tài)，極板上的PbSO4有一部分溶解于電解液中，其溶解度隨溫度變化而變化。環(huán)境溫度升高，溶解度變大，環(huán)境溫度降低，溶解度減小，溶解的PbSO4就會重新析出，長期運行下來就形成了硫化，在負極板表面上附著一層不能剝離轉化為活性物質的硫酸鉛（硫酸鹽）。硫化的電池就像給負極板罩上一層薄膜，導致負極板反應面積大幅下降，從而導致蓄電池失效。而且充電過程中正、負極板析出的氧氣和氫氣除一部分“氧合”還原為水外，一部分則通過安全閥排出電池，失去氧氣和氫氣就等于失去了水。失水后的電池電解液中酸的比重逐漸增大，促使電池硫化現(xiàn)象加重，降低負極板氧循環(huán)的能力，使電池的容量逐漸降低。

據(jù)不完全統(tǒng)計，鉛酸蓄電池失效的原因90%以上都是硫化和失水引起的。主要表現(xiàn)為充電時電池發(fā)熱、膨脹、容量變低，一充就滿，一放就光，嚴重時影響斷路器機構操作、綜合自動化系統(tǒng)和SCADA系統(tǒng)的運行安全。因此，需要改善維護方式來延緩蓄電池的失水和硫化，采取相應措施來修復失效的蓄電池，延長蓄電池的使用壽命，減少成本支出，減少廢舊電池對環(huán)境的污染，保障鐵路供電安全，減少對鐵路交通運輸安全的影響。

3 維護及修復方案

通過查找資料、解剖失效電池，分析討論和實際修復試驗，牽引變電所和電力變配電所的鉛酸蓄電池維護及修復方案主要包括以下4個方面的內(nèi)容。

3.1 定期檢測蓄電池電壓

運行、檢修人員定期進行巡視檢測，檢查外觀有無鼓脹、氧化和發(fā)熱等現(xiàn)象，并在斷開充電回路后，利用萬用表檢測整組和單節(jié)蓄電池的開路電壓，根據(jù)串聯(lián)電池節(jié)數(shù)的不同，整組蓄電池的電壓應控制在設定電壓值上下不超過2V，而單節(jié)電池電壓應在10.8 V～14 V以內(nèi)，最高與最低電池間的壓差不超過1 V。如有異常，需及時匯報調度，對蓄電池進行充放電或脈沖除硫修復。

3.2 定期進行整組放電、充電修復

除巡視發(fā)現(xiàn)鉛酸蓄電池異常時需進行整組充電、放電外，檢修人員每半年利用放電負載儀按照電池標稱的放電電流進行一次整組放電、充電修復。放電時測量各節(jié)電池端電壓，如果電池電壓下降較緩慢，說明蓄電池失水或硫化程度較輕，單節(jié)電池一般放電至10.5 V即停止放電，然后根據(jù)整組蓄電池額定電壓進行均充，最后轉為浮充，一般放電、充電循環(huán)1～3次即可。如果放電過程中電壓下降較快，可判斷該節(jié)電池發(fā)生了嚴重的失水和硫化，需單獨進行脈沖除硫修復。

3.3 失效蓄電池進行脈沖除硫修復

蓄電池脈沖除硫修復原理是：任何絕緣層在足夠高的電壓下都可以擊穿。一旦絕緣層被擊穿，就會由絕緣狀態(tài)轉變?yōu)閷щ姞顟B(tài)，如果對電導差阻值大的硫酸鹽層施加瞬間的高電壓，就可以擊穿大的硫酸鉛結晶，只要這個高電壓足夠短，并且進行限流，在打穿硫化層的情形下，控制充電電流適當，就不會引起電池析氣。電池析氣量取決于電池的端電壓以及充電電流的大小，如果脈沖寬度足夠短，占空比夠大，就可以在保證擊穿粗大硫酸鉛結晶的條件下，同時發(fā)生的微充電來不及形成析氣，如果含有負脈沖去極化，就更能保證在擊穿硫酸鹽層時極板的氣體析出，這樣就實現(xiàn)了脈沖消除硫化。

經(jīng)過放電、充電方法不能修復的鉛酸蓄電池，可以單節(jié)進行脈沖除硫法修復。修復前利用容量測試儀進行容量測試，做好記錄；修復時應根據(jù)蓄電池容量的不同選擇合適的脈沖電流，電流太大易導致電池徹底報廢，電流太小易導致修復時間延長，脈沖電流一般不可超過0.6 A，如發(fā)現(xiàn)蓄電池有發(fā)熱、鼓脹等現(xiàn)象，必須降低脈沖電流。同時注意觀察電壓變化，待電壓升至14.7 V時，除硫結束。

對于除硫結束的蓄電池，還需利用容量測試儀進行容量測試，做好記錄，與修復前電池容量進行比對。根據(jù)比對結果，有三種處理方法：

（1）修復后達到額定容量的70%以上，可以認為修好，修好的電池及時進行充電，配組后投入使用。

（2）對于修復有效果，但沒有達到額定容量的70%以上，需進行第二次脈沖除硫修復。

（3）對于修復無效的電池，進行報廢處理。

3.4 鉛酸蓄電池配組運行

對于進行放電、充電和脈沖除硫修復的鉛酸蓄電池，需做好詳細的修復記錄，按照每節(jié)電池開路電壓誤差不大于0.3 V，容量誤差不大于5%以內(nèi)，制作廠家一致的原則進行配組，投入使用。防止使用一段時間后又因為某節(jié)蓄電池影響整組蓄電池的使用。

4 試用效果與推廣前景

江山、衢州、龍游、義烏和諸暨10 kV配電所自2006年開通運行以來，各采用18節(jié)一組的100Ah鉛酸蓄電池，已連續(xù)運行6年，2012年上半年相繼發(fā)生多節(jié)電池電壓偏低的情況，在經(jīng)過放電、充電和脈沖除硫修復后，已配組2套蓄電池投入使用，目前運行情況良好，完全報廢的蓄電池有24節(jié)，其余電池等待下一次的配組運行。

長興和德清10 kV配電所自2005年開通運行以來，采用18節(jié)一組的63Ah鉛酸蓄電池，已連續(xù)運行7年，2012年上半年相繼發(fā)生多節(jié)電池電壓偏低的情況，在經(jīng)過放電、充電和脈沖除硫修復后，完全報廢的蓄電池僅有4節(jié)。

隨著鉛酸蓄電池維護及修復方案的貫徹實施，能夠在保障斷路器機構正常分合閘操作、綜合自動化系統(tǒng)和SCADA系統(tǒng)的可靠運行的基礎上，將大部分鉛酸蓄電池的使用壽命從6～7年延長到8～10年，減少了蓄電池更換成本的支出，減少了廢舊電池對環(huán)境的污染，保障了鐵路供電安全，具有較大的經(jīng)濟和社會效益。

5 結束語

本文提出的鉛酸蓄電池維護及修復方案能夠及時有效的發(fā)現(xiàn)、處理鉛酸蓄電池存在的缺陷隱患，有效的提高鉛酸蓄電池的使用壽命，但在實際工作中，特別是在采用脈沖除硫修復時，其脈沖電流一般在0.6 A以內(nèi)，完成一次鉛酸蓄電池的充電、放電時間較長，給鉛酸蓄電池的修復工作造成了一定的困難，下步將對整組活化修復及多節(jié)同時活化修復展開進一步的研究。

[1]杭州供電段.高壓變配電所運行、檢修和故障應急搶修管理等資料：2012.

[2]杭州得康蓄電池修復儀有限公司.蓄電池修復流程：2009.

責任編輯：宋 飛

來稿時間：2015-02-27