閥控鉛酸蓄電池常見故障分析

鄔建

（中國石化股份有限公司廣州分公司，廣東 廣州 510725）

一級生產負荷的生產裝置，除采用雙路電源供電來提高供電可靠性之外，還廣泛使用蓄電池作為儲存電能的后備電源裝置，蓄電池是后備電源系統(tǒng)中最重要的組成部分。本文結合閥控式密封鉛酸蓄電池工作原理和特點，用其故障機理分析方法對多起閥控式密封鉛酸蓄電池失效問題，針對幾種典型的失效方式給出了相應的解決措施，著重從選型、運行、維護解決此類問題。

1 VRLA蓄電池工作原理

閥控式密封鉛酸VRLA（簡稱VRLA）蓄電池的工作原理，基本上仍沿襲傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池，它的正極活性物質是二氧化鉛（PbO2），負極活性物質是海綿狀金屬鉛（Pb），電解液是稀硫酸（H2SO4），其整個VRLA蓄電池的反應方程式：

VRLA蓄電池在結構上正極采用鉛鈣合金或鉛鎘等合金，負極采用鉛鈣合金，隔板采用超細玻纖隔板，整個蓄電池化學反應密封在塑料蓄電池殼內，出氣孔上加上單向的安全閥。這種蓄電池結構在規(guī)定充電電壓進行充電時，正極析出的氧（O2），可通過隔板通道傳送到負極表面，還原為水（H2O），由于VRLA蓄電池采用負極板比正極多出10%的容量，使氫氣析出時電位提高，加上反應區(qū)域和反應速度的不同，使正極出現(xiàn)氧氣先于負極出現(xiàn)氫氣，正極電解水反應式如下：

氧氣通過隔板通道或頂部到達負極進行化學反應。

負極被氧化成硫酸鉛，經過充電又轉變成海綿狀鉛。

VRLA蓄電池特有的內部氧循環(huán)反應機理，在這種充電過程，電解液中的水幾乎不損失，使VRLA蓄電池在使用過程中達到不需加水的目的，以實現(xiàn)“免維護”。

2 VRLA蓄電池的失效形式及故障機理

2．1 VRLA蓄電池內部失效形式及分析

VRLA蓄電池極板被硫化以后，正常放電時將比其它VRLA蓄電池的容量顯著下降，內部電解液的密度遠低于正常值，使得該VRLA蓄電池長時間處于落后狀態(tài)。主要原因有：放電過度、浮充電壓高和充電時間長、極板上部經常露出電解液面、電解液密度過高導致內部溫度過高、蓄電池使用環(huán)境惡劣工作溫度高、蓄電池使用不當發(fā)生內部短路、正極板柵腐蝕伸長或龜裂、板柵材板耐腐蝕差純度低、活性物軟化脫落。

VRLA蓄電池內部的熱源是內部的功率損耗，蓄電池的電流及溫度發(fā)生積累性相互增強作用的臨界狀態(tài)，即熱失控。熱失控的原因主要有：蓄電池內部存在的氧循環(huán)機理被破壞或長期過充電導致復合反應加劇反復積累熱失控；蓄電池內部局部短路時溫度會升得更快引起熱失控；當蓄電池所處環(huán)境溫度超過25℃以上或更高時，內部的析氧復合反應加劇熱平衡打破后出現(xiàn)熱失控。

2．2 VRLA蓄電池干涸失效形式及分析

VRLA蓄電池內部的電解液全部吸附在隔膜中，沒有游離的電解液，水是VRLA蓄電池充電時析氣復合的主要形式，在使用過程中因各種原因造成電解液中水分的散失，化學反應將無法正常進行，致使VRLA蓄電池的壽命提前終止。VRLA蓄電池失水的原因主要有：氣體復合不完全、蓄電池密封不好或安全閥壓力設置過低造成充電產生的氧逸出、浮充電壓控制不嚴降低氧復合反應效率從而加速蓄電池失水過程、正板板柵腐蝕中鉛轉變成二氧化鉛的氧原子來自電解液中的水造成消耗一定的水分、充電機紋波系數(shù)過大降低負極復合效率增加水分消耗、因極柱端子被腐蝕產生漏液加速失水。

2．3 VRLA蓄電池漲裂失效形式及分析

VRLA蓄電池漲裂是使用過程中最常見和最直觀的失效形式，尤其在VRLA蓄電池深度放電后的恢復性充電時容易出現(xiàn)。因為通常充電初期充電電壓較高，充電時產生的解析氣過快導致密封的VRLA蓄電池殼體內部壓力過大，內部組件產生形變，使整個蓄電池出現(xiàn)膨脹破裂。VRLA蓄電池發(fā)生漲裂的原因有：安全閥開啟壓力過高或損壞時內部逐漸增大的氣體壓力下將蓄電池漲裂等情況下產生大量的氣體導致蓄電池漲裂、極板的焊耳和極柱與橫鉛板連接不牢固時大電流放電下產生火花點燃內部產生的爆炸性氣體引起蓄電池的漲裂等因素產生大量氣體壓力增大導致蓄電池漲裂。

3 VRLA蓄電池典型故障案例分析

3．1 VRLA 蓄電池開路

設備概況：EPS裝置設備容量30KVA，配備150Ah的蓄電池一組（40只）。

失效形式：EPS測溫儀檢測部分蓄電池溫度達32～36℃,多個蓄電池外表有明顯漲起。檢查發(fā)現(xiàn)數(shù)個蓄電池內阻開路。

故障分析：之前蓄電池組的容量校驗發(fā)現(xiàn)，6＃、9＃蓄電池電壓過低，容量不合格，活化處理后不見好轉，整組VRLA蓄電池一直屬于帶病運行。EPS檢查又發(fā)現(xiàn)整流器有故障，沒有直流輸出，致使整組蓄電池處于開路放置，測量多個蓄電池電壓只有2～3V，其中6＃、9＃蓄電池更是量不到電壓，測量其內阻無窮大。整流器故障無輸出后，整組蓄電池處于自放電狀態(tài)，在負極板柵和活性物質之間，自放電反應無益地消耗電解液，使得電極的導電性能明顯下降，蓄電池出現(xiàn)內部失效的主要形式－開路。

3．2 VRLA蓄電池在均充電過程中發(fā)生膨脹

設備概況：UPS設備容量50KVA，配備150Ah的蓄電池二組（36個）；

失效形式：整組蓄電池進入均充狀態(tài)第二天出現(xiàn)膨脹，表面溫度達43℃。

故障分析：UPS因整流器電流檢測板故障停機檢修，使用臨時充電機每隔24小時進行浮充電6小時。半個月后，UPS更換整流器電流檢測板后投入運行，UPS自動對整組VRLA蓄電池進入均充狀態(tài)，為防止蓄電池充電太快和充電電流太大，將均充電流限在15A以下，相當于0.05Ic10。UPS投運當天運行正常，第二天巡檢發(fā)現(xiàn)整組蓄電池出現(xiàn)膨脹，表面溫度達42℃，只能立即將整組蓄電池退出運行。

3．3 VRLA蓄電池深度放電后容量無法恢復

設備概況：UPS設備容量20KVA，配備80Ah的VRLA蓄電池一組（18只）；

失效形式：整組蓄電池組深放電后無法恢復。

故障分析：變電所停電中UPS持續(xù)給儀表負荷供電近5小時，變電所供電恢復后UPS對整組蓄電池進行均充后轉入浮充，之后對該組蓄電池容量校驗發(fā)現(xiàn)容量下降近一半。

（1）UPS在停電期間的放電容量：放電時間5小時，放電電流20A=2.5I10，UPS逆變效率92%，C3為108.7(Ah)，根據VRLA蓄電池不同放電電流的容量對應關系C3=0.76C10，C10為143.0(Ah)，顯然該組蓄電池放電超過其容量的179%，蓄電池嚴重過放電。

（2）UPS恢復供電后蓄電池充完電做的容量校驗：該組蓄電池從一開始放電電壓就較高，但之后下降很快，40分鐘后已有單體蓄電池下降到終止電壓，整組蓄電池以2I10＝16A電流恒流放電，放電時間為0.5小時，放電容量C4為8(Ah)，根據VRLA蓄電池不同放電電流的容量對應關系C4=0.78C10，C10為10.26(Ah)，整組蓄電池容量不合格，過度放電造成容量下降失效。

4 VRLA蓄電池失效對策和措施

為使VRLA蓄電池實現(xiàn)長周期運行應采取以下措施：

（1）盡量選用產品質量過關的名牌產品。VRLA蓄電池的產品質量直接決定其運行的質量，蓄電池的板柵的厚度、質量，鉛膏的配方，隔板的透氣性，安全閥的設計，電解液的灌裝方式及電解液的注入量、合成的方式，殼體材料及殼蓋與殼體間的密封等諸多生產環(huán)節(jié)留下的細小紕漏都可能導致蓄電池出現(xiàn)早期失效情況。

（2）蓄電池組投用前有必要進行一次核對性放電實驗，并做端電壓檢查和內阻測試。因為VRLA蓄電池出廠時間較長時容量會出現(xiàn)下降，此時進行放電測試、端電壓檢查和內阻測試可以檢查蓄電池組個體的一致性，發(fā)現(xiàn)因質量原因產生的落后蓄電池。

（3）注意安裝條件和使用環(huán)境。VRLA蓄電池因內部時時刻刻在進行著化學反應、不斷產生熱量，因此應可能安裝在清潔、陰涼、通風、干燥的地方并避免受到陽光直射，遠離加熱器或其他輻射熱源，同時單個蓄電池間距一般大于50mm，以便使其散熱良好。理論證明，相對正常的使用溫度25℃，溫度每升高10℃，VRLA蓄電池使用壽命便減少一倍。

（4）正確使用VRLA蓄電池。嚴格按照廠家要求進行均衡充電電壓、浮充電等運行參數(shù)設置，包括配置合適的充電機。過充和欠充都會降低VRLA蓄電池的使用壽命，尤其平時頻繁均充可能造成蓄電池失水，出現(xiàn)早期失效。

（5）VRLA蓄電池的“免維護”不等于“不維護”。VRLA蓄電池的“免維護”指的是運行期間不用補充電解液，需要必要的周期維護，如定期檢查、定期進行核對性放電和內阻測量等。