閥控式鉛酸蓄電池結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及日常維護(hù)

李 霞

（清遠(yuǎn)蓄能發(fā)電有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511853）

0 引言

蓄電池作為支持直流電源系統(tǒng)工作的后備電源，在站用電失電的緊急情況下，便成為唯一的直流電源，故對(duì)其供電質(zhì)量、可靠性等有極高的要求。閥控式鉛酸蓄電池從蓄電池活性物質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、制作工藝等方面均采用了新材料新工藝?；谄潆姵厝萘糠€(wěn)定可靠，耐過(guò)充、過(guò)放，深循環(huán)恢復(fù)能力強(qiáng)，安全排氣、密封，無(wú)流動(dòng)酸、無(wú)腐蝕性氣體產(chǎn)生，長(zhǎng)壽命、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的采用。但由于維護(hù)人員對(duì)閥控式鉛酸蓄電池“免維護(hù)”認(rèn)知誤區(qū)，閥控式鉛酸蓄電池過(guò)早失效情況時(shí)有發(fā)生，直接影響直流系統(tǒng)的可靠性和安全性。

掌握閥控式鉛酸蓄電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理，進(jìn)行針對(duì)性的日常維護(hù)，使閥控式鉛酸蓄電池（下稱(chēng)閥控蓄電池）在設(shè)計(jì)的壽命期內(nèi)可靠供電是很有必要的。

1 閥控蓄電池的結(jié)構(gòu)

閥控蓄電池結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）負(fù)極板：閥控蓄電池負(fù)極板為鉛-銻-鈣合金欄板，內(nèi)含海綿狀纖維活性物質(zhì)。主要用于長(zhǎng)時(shí)間使用中保持蓄電池組足夠的容量，減小自放電。

（2）正極板：閥控蓄電池正極板為鉛-銻-鈣合金欄板，內(nèi)含氧化鉛為活性物質(zhì)。主要用于長(zhǎng)時(shí)間使用中保持蓄電池組足夠的容量，減小自放電。

圖1 閥控蓄電池結(jié)構(gòu)圖

（3）隔板：隔板采用的是多孔無(wú)紡超細(xì)玻璃纖維，在硫酸中化學(xué)性能穩(wěn)定，多孔結(jié)構(gòu)有助于保持活性物質(zhì)反應(yīng)所需的電解液，防止活性物質(zhì)從電極表面脫落，防止正負(fù)極之間發(fā)生短路。

（4）封口樹(shù)脂：由環(huán)氧樹(shù)脂及色膠組成，作為蓄電池內(nèi)部密封，色膠用于區(qū)分蓄電池正負(fù)極板，紅色為正極，黑色為負(fù)極。

（5）防爆栓：也稱(chēng)安全閥，由具有優(yōu)質(zhì)耐酸和抗老化的合成橡膠組成，帽狀閥中有氯丁二烯橡膠制成的單通道排氣閥，在電池內(nèi)壓高于正常壓力時(shí)釋放氣體，保證壓力正常，并防止外界氧氣進(jìn)入。

（6）蓋：蓄電池的蓋子一般采用的是ABS樹(shù)脂，具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度可承受電池內(nèi)部壓力，可作為蓄電池內(nèi)部密封。

（7）端子：根據(jù)電池的不同，正負(fù)極端子可為連接片、棒狀、螺柱或引出線(xiàn)。端子的密封為可靠的粘結(jié)劑密封。密封端子有助于大電流放電和長(zhǎng)的電池使用壽命。

（8）電槽：蓄電池的電槽外殼一般采用的是ABS樹(shù)脂，為電池提供正負(fù)極組合板柵放置的空間，具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度可承受電池內(nèi)部壓力。

2 閥控蓄電池工作原理

2.1 閥控蓄電池放電過(guò)程的電化反應(yīng)

電化反應(yīng)式如下：

正極反應(yīng)

負(fù)極反應(yīng)

（1）閥控蓄電池放電時(shí)，在蓄電池電位差作用下，負(fù)極板上的e-經(jīng)進(jìn)入正極板形成電流I，負(fù)極板上每個(gè)鉛原子放出兩個(gè)e-后，生成的Pb2+與電解液中的SO42-反應(yīng)，生成難溶的PbSO4。

（2）正極板的鉛離子得到負(fù)極的兩個(gè)e-后，變成Pb2+與電解液中的反應(yīng)，生成難溶的PbSO4。正極板水解出的氧離子與電解液中的H+反應(yīng)，生成水。

2.2 閥控蓄電池充電過(guò)程的電化反應(yīng)

充電時(shí)，蓄電池外接一直流電源，使正、負(fù)極板在放電后生成的物質(zhì)恢復(fù)成原來(lái)的活性物質(zhì)，并把外界電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)。

電化學(xué)反應(yīng)式如下：

正極反應(yīng)

負(fù)極反應(yīng)

正極副反應(yīng)（充電達(dá)70%時(shí)）

負(fù)極副反應(yīng)（充電達(dá)90%時(shí)）

（1）正極板上，外電流作用下，硫酸鉛被離解為Pb2+和，外電源從正極吸取e-，正極板附近游離的Pb2+放出兩個(gè)e-補(bǔ)充，變成Pb4+，并與水反應(yīng)，在正極極板上生成PbO2。

（2）負(fù)極板上，外電流的用下，PbSO4被離解為Pb2+和，負(fù)極從外電源獲得e-，負(fù)極板附近游離的Pb2+被中和為絨狀鉛附在負(fù)極板上。

（3）電解液中，正極不斷產(chǎn)生游離的H+和，負(fù)極不斷產(chǎn)生，在電場(chǎng)作用下，H+向負(fù)極移動(dòng)，向正極移動(dòng)，形成電流。

3 閥控蓄電池的日常維護(hù)

閥控蓄電池循環(huán)使用時(shí)，其壽命主要依賴(lài)于充放電深度；由于部分用戶(hù)對(duì)蓄電池免維護(hù)的認(rèn)知誤區(qū)，常造成蓄電池組不能“壽終正寢”，下面將對(duì)蓄電池的日常維護(hù)方式做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。

3.1 蓄電池表面嚴(yán)禁積灰積塵，并定期檢查安全閥

閥控蓄電池是吸液式密封蓄電池，蓄電池在充電后期水解產(chǎn)生氧氣。雖然閥控蓄電池從原理上解決了氧循環(huán)，但長(zhǎng)時(shí)間仍會(huì)從閥控蓄電池中排出少量氧氣、氫氣、水蒸氣、酸霧。此類(lèi)氣體不能完全消耗在電池內(nèi)部，故所有蓄電池在上端均裝設(shè)有一個(gè)可自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉的具有開(kāi)/閉閥壓的單向安全閥，同時(shí)安全閥上還裝設(shè)有慮酸裝置，它不但能調(diào)節(jié)電池內(nèi)部壓力，還能防止蓄電池內(nèi)部的氣體及酸霧排出，使蓄電池內(nèi)部保持一定的壓力來(lái)提高蓄電池的反應(yīng)效果。因此，運(yùn)維人員應(yīng)加強(qiáng)對(duì)電池頂部的清掃，防止灰塵堵塞安全閥，定期檢查安全閥的好壞，避免蓄電池內(nèi)部長(zhǎng)期產(chǎn)生大量氣體無(wú)法及時(shí)排出積蓄在電池殼內(nèi)使蓄電池內(nèi)部壓力過(guò)高導(dǎo)致蓄電池膨脹破裂甚至爆炸。

3.2 蓄電池室的溫度應(yīng)經(jīng)常保持在5～35℃之間，并保持良好的通風(fēng)

據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，蓄電池運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)溫度為25℃。溫度每升高10℃，電池壽命縮短一半。溫度每降低10℃，放電容量下降1%。

圖2 蓄電池溫度壽命關(guān)系曲線(xiàn)

溫度不同，電池存儲(chǔ)時(shí)間及剩余容量差別極大。

圖3 蓄電池不同溫度下存儲(chǔ)時(shí)間與剩余容量關(guān)系曲線(xiàn)

（1）環(huán)境溫度影響電池壽命。多數(shù)蓄電池在運(yùn)行時(shí)均會(huì)發(fā)熱。閥控蓄電池由于良好的密封性，內(nèi)部自放電時(shí)氧再化合過(guò)程使蓄電池內(nèi)部產(chǎn)生熱量，較少的排氣量，減少了熱的消耗，且電池內(nèi)部相對(duì)散熱面積小，故合理的環(huán)境溫度及充足的空氣流通量將保證蓄電池有效散熱。

（2）環(huán)境溫度影響蓄電池自放電，溫度越高蓄電池自放電率越高。一般蓄電池在負(fù)極會(huì)做出負(fù)極析氫抑制措施，電池自放電時(shí)，正極自放電析出氧氣在負(fù)極再化合成水，負(fù)極雖有析氫抑制措施，但少量的析出氫氣仍存在，自放電析出的氫氣被較慢的氧化，長(zhǎng)時(shí)間積累后從安全閥排出造成電池失水。若環(huán)境溫度過(guò)高，強(qiáng)烈的自放電將導(dǎo)致電池失水干涸，故，蓄電池室內(nèi)應(yīng)有必要的溫控措施。

（3）環(huán)境溫度影響電池容量。溫度每降低10℃，放電容量下降1%。電池負(fù)極板受低濕的影響較大，電解液溫度降低致使電解液粘度增大，離子擴(kuò)散能力降低，電解液電阻增大，電化學(xué)反應(yīng)增加，部分PbSO4不能正常轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致蓄電池容量下降。

（4）為防止電池劣化。溫度設(shè)置以25℃為基點(diǎn)，修正值為±1℃時(shí)3mV，即溫度每升高1℃，單體電壓為2V的閥控蓄電池浮充電電壓值應(yīng)降低3 mV，反之應(yīng)升高3mV。

3.3 蓄電池單體浮充電壓控制在2.23～2.28V之間

（1）浮充電壓低于2.23V，長(zhǎng)期運(yùn)行電池負(fù)極板會(huì)因充電不足劣化。浮充電壓過(guò)低，蓄電池內(nèi)部雖氧氣析出少，復(fù)合效率高，但個(gè)別蓄電池會(huì)因長(zhǎng)期充電不足造成浮充鈍化而失效。

（2）浮充電壓高于2.28V，電池因過(guò)充致使電解液減少。浮充電壓過(guò)高，氣體析出量增加，再化合效率降低，安全閥長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)啟，內(nèi)部水分大量蒸發(fā)。一般閥控蓄電池內(nèi)部失水超過(guò)25%則認(rèn)為閥控蓄電池壽命全部喪失。

（3）浮充電壓高于2.28V，電池因過(guò)充將加速正極板柵腐蝕。浮充電壓長(zhǎng)期過(guò)高，充電后期產(chǎn)生的大量氣體使電池內(nèi)部壓力過(guò)高造成正極板柵腐蝕加速。合金板柵腐蝕時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力使正極板變形，造成極板邊緣間或極板與匯流排頂部短路。閥控蓄電池壽命基本取決于正極板壽命，正極板腐蝕越多，電池的剩余容量越小，則電池壽命越短。

3.4 蓄電池單體均充電壓控制在2.30～2.35V之間

（1）因正常浮充狀態(tài)下閥控蓄電池自放電率小，可不進(jìn)行均衡充電，但因蓄電池電極材料配方制備、安裝工藝等差別，導(dǎo)致了蓄電池性能的離散性。當(dāng)多數(shù)蓄電池串聯(lián)進(jìn)行充放電時(shí)，會(huì)造成個(gè)別蓄電池充電不完全、但放電深度卻加深。當(dāng)單體電池之間開(kāi)路電壓差別超過(guò)30mV時(shí)，蓄電池組性能離散性將影響到蓄電池組的運(yùn)行可靠性。為了保證蓄電池組容量始終飽滿(mǎn)，需對(duì)蓄電池組進(jìn)行均衡充電。

（2）閥控蓄電池均衡充電電流應(yīng)以電池容量的10h率為標(biāo)準(zhǔn)，并隨電池電壓的穩(wěn)定容量的飽滿(mǎn)而逐漸減小。均充時(shí)間一般設(shè)置為12～24h，單體電池均充電壓一般設(shè)置為2.35V，充電裝置的均/浮充轉(zhuǎn)型電流應(yīng)設(shè)置為0.01C10。

（3）當(dāng)有單體電池浮充電壓低于2.18V、電池放出5%以上容量、電池?cái)R置時(shí)間超過(guò)3個(gè)月、全浮充運(yùn)行一年以上均應(yīng)進(jìn)行均衡充電。

（4）正常運(yùn)行的蓄電池應(yīng)做好正常補(bǔ)充電和事故放電后的補(bǔ)充電。為彌補(bǔ)運(yùn)行中浮充電流調(diào)整不當(dāng)，補(bǔ)償不了電池的容量虧損，充電設(shè)備一般應(yīng)設(shè)置1～3個(gè)月自動(dòng)進(jìn)行一次恒流充電-恒壓充電-浮充電。

3.5 定期對(duì)蓄電池進(jìn)行核對(duì)性放電試驗(yàn)

核對(duì)性放電是指用放電來(lái)定量的檢測(cè)蓄電池容量，同時(shí)可以對(duì)蓄電池的極板進(jìn)行活化。正常運(yùn)行中的蓄電池組，為了檢驗(yàn)其實(shí)際容量，將蓄電池組脫離運(yùn)行，以規(guī)定的放電電流進(jìn)行恒流放電，只要其中一個(gè)單體蓄電池放到了規(guī)定的終止電壓，應(yīng)停止放電。按下式計(jì)算蓄電池組的實(shí)際容量：

公式中：C為蓄電池組容量；

If為恒定放電電流

t為放電時(shí)間

一般If取蓄電池組10h放電率電流I10（標(biāo)稱(chēng)容量除以10h所得的電流值）進(jìn)行恒流放電，試驗(yàn)開(kāi)始至任一單體電池端電壓降至1.8V持續(xù)的時(shí)間乘以I10即為該組蓄電池的實(shí)際容量。若變電站中只配有一組閥控蓄電池，不能退出運(yùn)行，可用I10電流恒流放電至蓄電池組端電壓降為2V×N（N為單體蓄電池個(gè)數(shù)），持續(xù)時(shí)間乘以I10所得容量近似為該組蓄電池總?cè)萘康囊话?，也被稱(chēng)為半容量核對(duì)性放電，相對(duì)地，前者也被稱(chēng)為全容量核對(duì)性放電。

圖4 蓄電池不同放電倍率放電曲線(xiàn)（25℃）

（1）閥控蓄電池長(zhǎng)期運(yùn)行于浮充方式，無(wú)法判斷其現(xiàn)有容量及內(nèi)部異常，核對(duì)性放電試驗(yàn)便成為檢查容量和發(fā)現(xiàn)問(wèn)題最直接、有效的手段，同時(shí)可活化電池、恢復(fù)電池容量。

（2）新安裝或大修后的閥控蓄電池組，應(yīng)進(jìn)行全核對(duì)性放電試驗(yàn)，以后每隔2～3年進(jìn)行一次核對(duì)性試驗(yàn)，運(yùn)行了6年以后的閥控蓄電池，應(yīng)每年作一次核對(duì)性放電試驗(yàn)。若經(jīng)過(guò)3次全核對(duì)性放充電，蓄電池組容量均達(dá)不到額定容量的80%以上，可認(rèn)為該組蓄電池失效。

（3）閥控蓄電池放電電流應(yīng)采用10h率放電。放電率越大，放電電流密度越大，電流在電極上的分布越不均勻，電流優(yōu)先分布在離電解液最近的表面，在電極外層生成PbSO4，堵塞電極，影響了電極內(nèi)部物質(zhì)與電解液之間的充分反應(yīng)，造成電池容量降低。

（4）閥控蓄電池放電終止電壓應(yīng)為1.8V，若閥控蓄電池過(guò)放電，隨著放電深度的增加，電解液中硫酸濃度逐漸降低，硫酸量消耗過(guò)大致使電解液呈中性，隔板中存的大量PbSO4為粗大堅(jiān)硬的結(jié)晶體，較難還原為鉛，將會(huì)造成電池短路、極板不可逆硫化。致使電解液中活性物質(zhì)的數(shù)量減少，阻擋了硫酸與其他活性物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，易造成蓄電池容量降低，甚至造成蓄電池壽命終止。

（5）閥控蓄電池放電完畢后應(yīng)立即充電，讓放電過(guò)程中生成的PbSO4溶解成為Pb2+與，使得Pb2+接受電子進(jìn)行陰極還原生成鉛進(jìn)入負(fù)極活性物質(zhì)晶格。

3.6 定期對(duì)蓄電池內(nèi)阻進(jìn)行測(cè)量

鉛酸蓄電池端電壓不能完全反映電池的容量特性，閥控蓄電池內(nèi)部故障，如板柵腐蝕、接觸不良、活性物質(zhì)失效等均表現(xiàn)為蓄電池的內(nèi)阻增大。因此，需定期測(cè)量蓄電池內(nèi)阻。

（1）蓄電池內(nèi)阻均為MΩ級(jí)別，且為有源內(nèi)阻。建議每次測(cè)量采用同一廠(chǎng)家的同一儀器，對(duì)同一組電池按照時(shí)間序列對(duì)比方才有意義。

（3）蓄電池內(nèi)阻值只作為維護(hù)參考信息，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)未作出規(guī)定。

4 結(jié)語(yǔ)

閥控蓄電池“免維護(hù)”不等于“不維護(hù)”。正確的認(rèn)識(shí)閥控蓄電池結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，更好的掌握VRLA運(yùn)行特性，將大大提高我們的維護(hù)技能，保證閥控蓄電池運(yùn)行可靠性，并提高閥控蓄電池的使用效率，從而提高直流系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

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