Дисциплина: Эксплуатация оборудования электрических сетей

Лекция № 9 «Обслуживание Систем оперативного постоянного тока»

9.1Эксплуатация кислотных аккумуляторных батарей. 1

9.2 Требования к помещениям аккумуляторных батарей. 3

9.3 Приготовление кислотного электролита, меры безопасности. 3

9.4 Контроль режимов работы отечественных аккумуляторных батарей по напряжению 4

9.5 Режим работы систем вентиляции помещений. 4

9.6 Осмотр отечественных аккумуляторных батарей в процессе эксплуатации 5

9.7 Импортные аккумуляторные батареи, краткая характеристика, их преимущества в эксплуатации. 5

9.8 Щиты постоянного тока и их техническое обслуживание. 12

9.9 Техническая документация, приборы и инвентарь для эксплуатации АБ, ремонты. 20

Эксплуатация кислотных аккумуляторных батарей

При эксплуатации аккумуляторных установок должны быть обеспечены их длительная надёжная работа и необходимый уровень напряжения на шинах постоянного тока в нормальных и аварийных режимах. При приёмке вновь смонтированной или вышедшей из капитального ремонта аккумуляторной батареи должны быть проверены: ёмкость батареи током 10-часового разряда, качество заливаемого электролита, напряжение элементов в конце заряда и разряда и сопротивление изоляции батареи относительно земли. Батареи должны вводиться в эксплуатацию после достижения ими 100% номинальной ёмкости. Аккумуляторные батареи (АБ) должны эксплуатироваться в режиме постоянного подзаряда. Для батарей типа СК напряжение подзаряда должно составлять 2,2±0,05 В на элемент, для батарей типа СН 2,18±0,04 В на элемент. На отечественных АБ подзарядная установка должна обеспечивать стабилизацию напряжения на шинах батареи с отклонениями, не превышающими 2% номинального напряжения. (для отечественных АБ). Дополнительные элементы батареи, постоянно не используемые в работе, должны эксплуатироваться в режиме постоянного подзаряда.Кислотные батареи должны эксплуатироваться без тренировочных разрядов и периодических уравнительных перезарядов. Один раз в год должен быть произведён уравнительный заряд батареи типа СК напряжением 2,3 - 2,35 В на элемент до достижения установившегося значения плотности электролита во всех элементах 1,2-1,21 г/см 3 при температуре 20°С.Продолжительность уравнительного заряда зависит от состояния батареи и должна быть не менее 6 ч.Уравнительные заряды батарей типа СН производятся при напряжении 2,25 - 2,4 В до достижения плотности электролита 1,235 - 1,245 г/см 3 .На подстанциях не менее 1 раза в год должна проверяться работоспособность батареи по падению напряжения при толчковых токах (включением на максимальную нагрузку посадка напряжения не должна превышать 0,65 U Н, а контрольные разряды производятся по мере необходимости. Значение тока разряда каждый раз должно быть одно и то же. Результаты измерений при контрольных разрядах должны сравниваться с результатами измерений предыдущих разрядов. Заряжать и разряжать батарею допускается током, значение которого не выше максимального для данной батареи.Температура электролита в конце заряда должна быть не выше 40°С для батарей типа СК. Для батарей типа СН температура должна быть не выше 35°С при максимальном зарядном токе.

Уровень электролита должен быть:выше верхнего края электродов на 10-15 мм для стационарных аккумуляторов с поверхностно- коробчатыми пластинами типа СК;в пределах 20-40 мм над предохранительным щитком для стационарных аккумуляторов с намазанными пластинами типа СН.

При применении выпрямительных устройств для подзаряда и заряда аккумуляторных батарей цепи переменного и постоянного тока должны быть связаны через разделительный трансформатор. Выпрямительные устройства должны быть оборудованы устройствами сигнализации об отключении.

Коэффициент пульсации на шинах постоянного тока не должен превышать допустимых значений по условиям питания устройств РЗА.Напряжение на шинах постоянного тока, питающих цепи управления, устройства релейной защиты, сигнализации, автоматики и телемеханики, в нормальных эксплуатационных условиях допускается поддерживать на 5% выше номинального напряжения электроприемников.Все сборки и кольцевые магистрали постоянного тока должны быть обеспечены резервным питанием.

Сопротивление изоляции аккумуляторной батареи в зависимости от номинального напряжения должно быть следующим:

Устройство для контроля изоляции на шинах постоянного оперативного тока должно действовать на сигнал при понижении сопротивления изоляции полюсов до уровня 20 кОм в сети 220 В, 10 кОм в сети 110 В, 6 кОм в сети 60 В, 5 кОм в сети 48 В, 3 кОм в сети 24 В.В условиях эксплуатации сопротивление изоляции сети постоянного тока должно быть не ниже двукратного значения указанной уставки устройства для контроля изоляции.

При срабатывании устройства сигнализации в случае понижения уровня изоляции относительно земли в цепи оперативного тока должны быть немедленно приняты меры к устранению неисправностей. При этом производство работ без снятия напряжения в этой сети, за исключением поисков места повреждения изоляции, не допускается.

Для энергообъектов, на которых применяются микроэлектронные или микропроцессорные устройства РЗА, использовать метод определения мест понижения сопротивления изоляции путем поочерёдного отключения присоединений на щите постоянного тока не рекомендуется. Анализ электролита кислотной аккумуляторной батареи должен проводиться ежегодно по пробам, взятым из контрольных элементов. Количество контрольных элементов должно быть установлено техническим руководителем энергообъекта в зависимости от состояния батареи, но не менее 10%. Контрольные элементы должны ежегодно меняться. При контрольном разряде пробы электролита должны отбираться в конце разряда. Для доливки должна применяться дистиллированная вода, проверенная на отсутствие хлора и железа. Допускается использование парового конденсата, удовлетворяющего требованиям государственного стандарта на дистиллированную воду.Для уменьшения испарения баки аккумуляторных батарей типов С и СК должны накрываться пластинами из стекла или другого изоляционного материала, не вступающего в реакцию с электролитом. Использование масла для этой цели запрещается.

У всех аккумуляторов есть срок годности, с многочисленными циклами заряда-разряда и множеством проработанных часов аккумулятор теряет свою емкость и держит заряд все меньше и меньше.
Со временем емкость аккумулятора настолько падает что дальнейшая его эксплуатация стает невозможна.
Вероятно у многих уже накопились аккумуляторы от бесперебойников (UPS), систем сигнализаций и аварийного освещения.

В множестве бытовой и офисной техники находятся свинцово-кислотные аккумуляторы, и в независимости от марки аккумулятора и технологии производства, будь то обычный обслуживаемый автомобильный аккумулятор, AGM, гелевий (GEL) или маленький аккумулятор от фонарика, все они имеют свинцовые пластины и кислотный электролит.
По окончание эксплуатации такие аккумуляторы выбрасывать нельзя потому как они содержат свинец, в основном их ждет судьба утилизации где свинец извлекают и перерабатывают.
Но все же, не смотря на то что такие аккумуляторы в основном "необслужываемые", можно попытаться их восстановить вернув им прежнюю емкость и использовать еще некоторое время.

В этой статье я расскажу о том как восстановить 12вольтовый аккумулятор от UPSa на 7ah , но способ подойдет для любого кислотного аккумулятора. Но хочу предупредить что данные меры не следует производить на полностью рабочем аккумуляторе, так как на исправном аккумуляторе добиться восстановления емкости можно всего лишь правильным способом зарядки.

Итак берем аккумулятор, в данном случае старый и разряженный, поддеваем отверткой пластмассовою крышку. Скорее всего она точечно приклеена к корпусу.

Подняв крышку видим шесть резиновых колпачков, их задача не обслуживание аккумулятора, а стравливания образующихся при зарядке и работе газов, но мы воспользуемся ними в наших целях.

Снимаем колпачки и в каждое отверстие, с помощью шприца, наливаем 3мл дистиллированной воды, следует заметить что другая вода не годится для этого. А дистиллированную воду можно легко найти в аптеке или на авторынке, в самом крайнем случае может подойти талая вода от снега или чистая дождевая.

После того как мы долили воду, ставим аккумулятор на зарядку и заряжать его будем с помощью лабораторного (регулируемого) блока питания.
Подбираем напряжения пока не появляются какие то значения зарядного тока. Если аккумулятор в плохом состояние то зарядного тока может не наблюдаться, поначалу, вообще.
Напряжения надо повышать, пока не появится зарядный ток хотя бы в 10-20мА. Добившись таких значений зарядного тока нужно быть внимательным, так как ток будет со временем расти и придется постоянно уменьшать напряжение.
Когда ток дойдет до 100мА дальше напряжения уменьшать не надо. А когда ток заряда дойдет до 200мА нужно отключить аккумулятор на 12 часов.

Дальше снова подключаем аккумулятор на зарядку, напряжение должно быть таким чтоб ток зарядки для нашего 7ah аккумулятора был в 600мА. Также, постоянно наблюдая, поддерживаем заданный ток на протяжении 4 часов. Но смотрим за тем чтоб напряжение зарядки, для 12вольтового аккумулятора, было не больше 15-16 вольт.
После зарядки, спустя примерно час, аккумулятор нужно разрядить до 11 вольт, сделать это можно с помощью любой 12вольтовой лампочки (например на 15ват).

После разрядки аккумулятор нужно снова зарядить с током в 600мА. Лучше всего проделать такую процедуру несколько раз, то есть несколько циклов заряд-разряд.

Скорее всего вернуть номинальную не получится, так как сульфатация пластин уже понизила его ресурс, а к тому же имеют место быть и другие пагубные процессы. Но аккумулятор можно будет дальше использовать в штатном режиме и емкости для этого будет достаточно.

По поводу быстрого износа аккумуляторов в бесперебойниках, было замечено следующие причины. Находясь в одном корпусе с бесперебойником, аккумулятор постоянно поддается пассивному нагреву от активных элементов (силовых транзисторов) которые кстати говоря нагреваются до 60-70 градусов! Постоянный прогрев аккумулятора ведет к быстрому испарению электролита.
В дешевых, а порой и даже некоторых дорогих моделях UPSов отсутствует термокомпенсация заряда, то есть напряжение заряда выставлено на 13,8 вольта, но это допустимо для 10-15градусов, а для 25 градусов, а в корпусе порой и намного больше, напряжение заряда должно быть максимум 13,2-13,5 вольта!
Хорошим решением будет вынести аккумулятор за пределы корпуса, если хотите продлить его срок службы.

Также сказывается "постоянный маленький под заряд" бесперебойником, 13.5 вольтами и токе в 300мА. Такая подзарядка призводит к тому что когда кончается активная губчатая масса внутри аккумулятора то начинается реакция в его электродах что призводит к тому что свинец токоотводов на (+) становится коричневым (PbO2) а на (-) стает "губчатым".
Таким образом, при постоянном пере заряде, мы получаем разрушение токоотводов и "кипение" электролита с выделением водорода и кислорода, что приводит к увеличению концентрации электролита, что опять способствует разрушению электродов. Получается такой замкнутый процесс что призводит быстрому расходу ресурса аккумулятора.
Кроме того такой заряд (пере заряд) большим напряжением и током от которого электролит "кипит" - переводит свинец токоотводов в порошковый оксид свинца который со временем осыпается и может даже замыкать пластины.

При активном использование (частом заряде), рекомендуется раз в год доливать в аккумулятор дистиллированную воду.

Доливать только на полностью заряженный аккумулятор с контролем как уровня электролита так и напряжения. Некоем случае не переливать, лучше ее не долить потому как назад отбирать ее нельзя, потому что отсасывая электролит вы лишаете аккумулятор серной кислоты и в последствие концентрация меняется. Думаю понятно что серная кислота нелетучая поэтому в процессе "кипения" во время зарядки, она вся остается внутри аккумулятора - выходит только водород и кислород.

На клеммы подключаем цифровой вольтметр и шприцем на 5мл с иглой заливаем в каждую банку по 2-3мл дистиллированной воды, одновременно светя внутрь фонариком чтобы остановиться если вода перестала впитываться - после заливки 2-3мл смотрите в банку - увидите как вода быстро впитывается, а напряжение на вольтметре падает (на доли вольта). Повторяем доливку для каждой банки с паузами на впитывание по 10-20сек(примерно) до тех пор пока не увидите что "стекломаты" уже влажные - то есть вода уже не впитывается.

После доливки осматриваем нет ли перелива в каждой банке аккумулятора, вытираем весь корпус, устанавливаем на место резиновые колпачки и приклеиваем на место крышку.
Так как аккумулятор после доливки показывают примерно 50-70% зарядки, вам надо его зарядить. Но зарядку нужно осуществлять или регулируемым блоком питания или же бесперебойником или штатным устройством, но под присмотром, то есть во время зарядки необходимо пронаблюдать за состоянием аккумулятора (нужно видеть верх аккумулятора). В случае с бесперебойником, для этого придется сделать удлинители и вывести аккумулятор за пределы корпуса UPSa.

Под аккумулятор подстелем салфетки или целлофановые мешочки, заряжаем до 100% и смотрим, не протекает из какой либо банки электролит. Если вдруг такое произошло, прекращаем зарядку и убираем салфеткой подтеки. С помощью салфетки смоченной в растворе соды - очищаем корпус, все впадины и клеммы куда попал электролит, для того чтоб нейтрализовать кислоту.
Находим банку откуда произошло "выкипание" и смотрим, если в окошке видно электролит, отсасываем излишки шприцем, а потом аккуратно и плавно заправляем этот электролит обратно внутрь волокна. Часто случается что электролит после доливки не равномерно впитался и вскипел вверх.
При повторной зарядке наблюдаем за аккумулятором как описано выше и если "проблемная" банка аккумулятора снова начнет "изливаться" при зарядке, излишки электролита придется удалить из банки.
Также под осмотром следует проделать хотя бы 2-3 полных цикла разряда-заряда, если все прошло отлично и нет никаких подтеков, аккумулятор не греется (легкий нагрев при заряде не в счет), то аккумулятор можно собирать в корпус.

Ну а теперь рассмотрим особо кардинальные способы реанимации свинцово-кислотных аккумуляторов

Из аккумулятора сливается весь электролит, а внутренности промываются сначала пару раз горячей водой, а потом уже горячим раствором соды (3ч.л соды на 100мл воды) оставив в аккумуляторе раствор на 20 минут. Процесс можно повторить несколько раз, а вконце хорошенько промыв от остатков раствора соды - заливают новый электролит.
Дальше аккумулятор сутку заряжают, а спустя, в течение 10 дней, по 6 часов вдень.
Для автомобильных аккумуляторов током до 10 ампер и напряжением 14-16 вольт.

Второй способ это обратная зарядка, для этой процедуры понадобится мощный источник напряжения, для автомобильных аккумуляторов например сварочный аппарат, рекомендуемый ток - 80ампер напряжением 20 вольт.
Делают переполюсовку, то есть плюс к минусу а минус к плюсу и на протяжение пол часа "кипятят" аккумулятор с его родным электролитом, после чего электролит сливают и промывают аккумулятор горячей водой.
Дальше заливают новый электролит и соблюдая новую полярность, на протяжение сутки заряжают током 10-15 ампер.

Но самый эффективный способ делается с помощью хим. веществ.
Из полностью заряженного аккумулятора сливают электролит и после неоднократной промывки водой, заливают аммиачный раствор трилона Б (ЭТИЛЕНДИАМИНТЕТРАУКСУСНОКИСЛОГО натрия), содержащий 2 весовых процента трилона Б и 5 процентов аммиака. Происходит процесс десульфатации на протяжение 40 - 60 минут, на протяжение которого с небольшими брызгами выделяется газ. По прекращению такого газообразования можно судить о завершение процесса. При особо сильной сульфатации аммиачный раствор трилона Б следует залить снова, убрав перед этим отработавший.
Вконце процедуры внутренности аккумулятора тщательно промывают несколько раз дистиллированной водой и заливают новый электролит нужной плотности. Аккумулятор заряжают стандартным способом до номинальной емкости.
По поводу аммиачного раствора трилона Б, его можно разыскать в химических лабораториях и хранить в герметичных емкостях в темном месте.

А вообще если интересно то состав электролита которые выпускают фирмы Lighting, Electrol, Blitz, akkumulad, Phonix, Toniolyt и некоторые другие, это водный раствор серной кислоты (350-450гр. на литр) с прибавлением сернокислых солей магния, алюминия, натрия, аммония. В составе электролита фирмы Gruconnin кроме того содержатся калиевые квасцы и медный купорос.

После восстановления аккумулятор можно заряжать обычным для данного типа способом (например в UPSe) и не допускать разряда ниже 11вольт.
В многих бесперебойниках присутствует функция "калибровка АКБ" с помощью которой можно осуществлять циклы разряд-заряда. Подключив на выходе бесперебойника нагрузку в 50% от максимума ИБП, запускаем эту функцию и бесперебойник разряжает АКБ до 25% а потом заряжает до 100%

Ну а на совсем примитивном примере зарядка такого аккумулятора выглядит так:
На аккумулятор подается стабилизированное напряжение 14.5 вольта, через проволочный переменный резистор большой мощности или через стабилизатор тока.
Ток заряда расчсчитывается по простой формуле: емкость аккумулятора разделяем на 10, например для аккумулятора в 7ah будет - 700мА. И на стабилизаторе тока или с помощью переменного проволочного резистора необходимо выставить ток в 700мА. Ну а в процессе зарядки ток начнет падать и нужно будет уменьшать сопротивления резистора, со временем ручка резистора придет до упора в начальное положение и сопротивление резистора будет равно нулю. Ток будет дальше постепенно уменьшатся до нуля пока напряжение на аккумуляторе не станет постоянным - 14.5 вольта. Аккумулятор заряжен.
Дополнительную информацию по "правильной" зарядке аккумуляторов можно найти

светлые кристаллы на пластинах - это сульфатация

Отдельная "банка" батарея аккумулятора подвергалась постоянному недозаряду и в результате покрыта сульфатами, ее внутреннее сопротивление росло с каждым глубоким циклом, чтоб привело к тому что, во время заряда она стала "закипать" раньше всех, из-за потери емкости и выведения электролита в нерастворимые сульфаты.
Плюсовые пластины и их решетки превратились по консистенции в порошок, в следствие постоянного подзаряда бесперебойником в режиме "стенд-бай".

Свинцово кислотные аккумуляторы кроме автомобилей, мотоциклов и разнообразной бытовой техники, где только не встречаются и в фонариках и в часах и даже в самой мелкой электронике. И если вам попал в руки такой "нерабочий" свинцово-кислотный аккумулятор без опознавательных знаков и вы не знаете какое напряжение он должен выдавать в рабочем состояние. Это легко можно узнать по количеству банок в аккумуляторе. Отыщите защитную крышку на корпусе аккумулятора и снимите ее. Вы увидите колпачки для стравливание газа. по их количеству станет понятно на сколько "банок" данный аккумулятор.
1 банка - 2вольта (полностью заряженная - 2.17 вольта), то есть если колпачка 2 значит аккумулятор на 4 вольта.
Полностью разряженная банка аккумулятора должна быть не ниже 1.8 вольта, ниже разряжать нельзя!

Ну а вконце дам небольшую идею, для тех кому не хватает средств на покупку новых аккумуляторов. Найдите в вашем городе фирмы которые занимаются компьютерной техникой и УПСами (бесперебойниками для котлов, аккумуляторами для систем сигнализаций), договоритесь с ними чтоб они не выбрасывали старые аккумуляторы от бесперебойников а отдавали вам возможно по символической цене.
Практика показывает что половина AGM (гелевых) аккумуляторов можно восстановить если не до 100% то до 80-90% точно! А это еще пару лет отличной работы аккумулятора в вашем устройстве.

Изобретенный французским физиком Рэймондом Луи Гастоном Планте в 1859 году, свинцово-кислотный аккумулятор был первым аккумулятором для коммерческого использования. Сегодня, заливные свинцово-кислотные аккумуляторы широко используется в автомобилях, электропогрузчиках, источниках бесперебойного питания (ИБП).

Заливные свинцово-кислотные батареи состоят из свинцовых пластин, выступающих в качестве электродов, погруженных в воду и серную кислоту. Эти батареи требуют некоторого технического обслуживания за счет потери водорода с течением времени.

В середине 1970-х годов, исследователи разработали необслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторы, которые могут работать в любом положении в пространстве. Жидкий электролит был заменен увлажненными сепараторами и была решена проблема изоляции. Были добавлены предохранительные клапаны, которые сделали возможным удаление воздуха во время заряда и разряда. Тем не менее, необслуживаемые батареи стоят дороже и имеют более короткий срок эксплуатации, чем заливные батареи.

Свинцово-кислотные батареи могут иметь жидкий или гелеобразный электролит.

В зависимости от областей применения, появились два обозначения свинцово-кислотно батарей. Это небольшие герметичные свинцово-кислотные (SLA , sealed lead acid ) батареи и большие клапанные регулируемые свинцово-кислотные (VRLA , valve regulated lead acid ) батареи . Конструктивно, обе батареи одинаковы. (Некоторые могут возразить, что название «герметичная свинцово-кислотная батарея » является неправильным, потому что свинцово-кислотный аккумулятор не может быть полностью герметичен. Я соглашусь — это действительно так, название не совсем корректное, но это не мешает ему быть широкораспространенным). Я сделаю акцент на портативных батареях, поэтому буду ориентироваться на SLA .

В отличие от заливной свинцово-кислотной батареи, как SLA , так и VRLA имеют низкий потенциал перенапряжения, чтобы исключить выделение газа во время зарядки. Перезаряд вызывает газообразование и обезвоживание батареи. Следовательно, эти батареи не могут быть заряжены до их полного потенциала.

Свинцово-кислотные батареи не имеют эффекта памяти. Если оставить аккумулятор на подзарядке в течение длительного времени, то это не вызывает его повреждения. Время удержания заряда свинцово-кислотным аккумулятором является лучшим среди различных типов аккумуляторных батарей. В то время, как никель-кадмиевая батарея саморазряжается примерно на 40 процентов от ее накопленной энергии за три месяца, SLA саморазряжается на ту же величину в течение одного года. SLA являются относительно недорогими источниками энергии.

SLA не поддается быстрой зарядке — типичный цикл заряда длится 8-16 часов.

SLA всегда должны храниться в заряженном состоянии. Оставив батарею в разряженном состоянии, вы запустите в ней процесс под названием сульфатация (по сути, это окисление и кристаллизация), что может привести к невозможности ее последующей перезарядки.

В отличие от никель-кадмиевых аккумуляторов, SLA не любит глубокого разряда. Полный разряд вызывает дополнительную деформацию, и каждый цикл лишает батарею небольшого количества мощности. Эта спадающая характеристика износа относится и к другим химическим батареям в той или иной степени. Для того, чтобы предотвратить частые глубокие разряды батареи, лучше использовать SLA несколько большей, чем требуется емкости.

В зависимости от глубины разряда и рабочей температуры, SLA обеспечивает от 200 до 300 циклов заряда/разряда. Основной причиной столь относительно короткого жизненного цикла является коррозия сетки положительного электрода, истощение активного материала и расширение плюсовых пластин. Эти изменения более ярко выражены при более высоких рабочих температурах.

Оптимальной рабочей температурой для батарей SLA и VRLA , является температура в 25°C . Как правило, повышение температуры на 8°C сокращает срок службы батареи в два раза. VRLA , работающая в течение 10 лет при 25°C проработает только 5 лет при 33°C, и чуть более года при температуре 42°C.

Среди современных аккумуляторных батарей, семейство свинцово-кислотных аккумуляторов имеет самую низкую плотность энергии, которая измеряется в Ватт/кг, что делает его непригодным для портативных устройств, которым требуется компактный источник питания. Кроме того, КПД таких аккумуляторов при низких температурах оставляет желать лучшего.

Свинцово-кислотные батареи хорошо работают на высоких импульсных токах. Полная мощность может быть выдана в нагрузку за короткое время. Это делает их идеальными для использования там, где может внезапно понадобиться большое количество энергии. Именно поэтому они используются для электрического запуска двигателей внутреннего сгорания в большинстве транспортных средств.

С точки зрения утилизации, SLA является менее вредными, чем никель-кадмиевые батареи, но высокое содержание свинца делает SLA неэкологичными.

Преимущества свинцово-кислотных аккумуляторов

• Недорогие и простые в изготовлении — с точки зрения затрат на Вт·ч, SLA является наименее дорогими. Например, аккумулятор 12В емкостью 3.2 А·ч, имеющий размеры 134x67x60мм, стоит порядка 400 рублей.
• Зрелая, надежная и хорошо освоеная технология — при правильном использовании, SL A достаточно долговечны
• Низкий саморазряд — скорость саморазряда является одной из самой низких в аккумуляторных системах (3-20% в месяц)
• Низкие требования к обслуживанию — нет эффекта памяти, нет необходимости доливать электролит
• Способность к большой токоотдаче. Для упомянутого выше аккумулятора с C = 3.2 А·ч токоотдача составляет не менее 16А. Аккумулятор отдает большой пусковой ток в нагрузку, при этом не просаживая напряжение питания.

Недостатки свинцово-кислотных аккумуляторов

• Не могут храниться в разряженном состоянии
• Высокая чувствительность к изменению температуры — влияет и на продолжительность работы и на срок жизни аккумулятора
• Низкая плотность энергии — слабая весо-энергетическая плотность аккумулятора ограничивает область применения стационарными и колесными приложениями, поэтому их целесообразно использовать только в больших и средних по размерам роботах (если уж говорить о роботах)
• Позволяет только ограниченное количество полных циклов разряда — хорошо подходит для резервных приложений, в которых происходят только случайные глубокие разряды
• Экологически вредные — электролит и содержание свинца делают их небезопасными для окружающей среды
• Транспортные ограничения для заливных свинцово-кислотных батарей — в случае аварии может произойти утечка кислоты

Типичные характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов

Приведу типичные значения параметров, встречающиеся для необслуживаемых 6 и 12 вольтовых батарей с емкостью порядка 0.8-7 А·ч:

• Теоретическая энергоемкость: 135 Вт·ч/кг
• Удельная энергоемкость: 30-60 Вт·ч/кг
• Удельная энергоплотность: 1250 Вт·ч/дм 3
• ЭДС заряженного аккумулятора: 2.11В
• Рабочее напряжение: 2.1В (3 или 6 секций дают стандартные 6.3 или 12.6В)
• Напряжение полностью разряженного аккумулятора: 1.75-1.8В (на одну секцию). Более низкий заряд не допускается

Напряжение	Заряд
12.70В	100%
12.46В	80%
12.24В	55%
12.00В	25%
11.90В	0%

• Рабочая температура: от -40 до +40ºС
• КПД: 80-90%

Герметичные свинцовые аккумуляторы обычно производятся по двум технологиям - гелевые и AGM. В статье подробнее рассмотрены отличия и особенности этих двух технологий. Даны общие рекомендации по эксплуатации таких аккумуляторов.

Основные типы АКБ рекомендованные для применения в автономных солнечных энергосистемах:Неотъемлемой компонентом автономных солнечных энергосистем являются необслуживаемые аккумуляторные батареи большой емкости. Такие АКБ гарантируют неизменное качество и сохранение функциональных возможностей на протяжения всего заявленного жизненного цикла.

Технология AGM - (Absorbent Glass Mat) На русский язык это можно перевести как “поглощающее стекловолокно”. В качестве электролита также используется кислота в жидком виде. Но пространство между электродами заполнено микропористым материалом-сепаратором на основе стекловолокна. Это вещество действует как губка, оно полностью всасывает всю кислоту и удерживает её, не давая растекаться.

При протекании химической реакции внутри такого аккумулятора также образуются газы (в основном водород и кислород, их молекулы являются составными частями воды и кислоты). Их пузырьки заполняют некоторые из пор, при этом газ не улетучивается. Он принимает непосредственное участие в химических реакциях при подзарядке батареи, возвращаясь обратно в жидкий электролит. Этот процесс называется рекомбинацией газов. Из школьного курса химии известно, что круговой процесс не может быть 100% эффективным. Но в современных AGM аккумуляторах эффективность рекомбинации достигает 95-99%. Т.е. внутри корпуса такого аккумулятора образуется ничтожно малое количество свободного ненужного газа и электролит не меняет своих химических свойств на протяжении многих лет. Тем не менее, истечению очень долгого времени свободный газ создает внутри батареи избыточное давление, когда оно достигает определенного уровня, срабатывает специальный выпускной клапан. Этот клапан также защищает батарею от разрыва в случае возникновения внештатных ситуаций: работа в экстремальных режимах, резкое повышение температуры в помещении из-за внешних факторов и тому подобное.

Основные преимуществом аккумуляторов AGM перед технологией GEL, является более низкое внутреннее сопротивление аккумулятора. Прежде всего это влияет на время заряда АКБ, которое в автономных системах сильно ограничено, особенно в зимнее время. Таким образом, АКБ AGM быстрее заряжается, а значит быстрее выходит из режима глубокого разряда, который губителей для обоих типов АКБ. Если система автономная, то при использовании АКБ AGM ее КПД будет выше, чем у такой же системы с АКБ GEL, т.к. для заряда АКБ GEL требуется больше времени и мощности, которых может не хватать в пасмурные зимние дни. При отрицательных температурах гелевый аккумулятор сохраняет больше емкости и считается более стабильным, но как показывает практика, в пасмурную погоду при слабых токах заряда и отрицательный температурах, гелевый аккумулятор не будет заряжаться из-за высокого внутреннего сопротивления и "задубевшего" гелевого электролита, в то время как аккумулятор AGM будет заряжаться при малых токах зарядки.

Специальное техническое обслуживание батарей AGM не требуется. АКБ изготовленные по технологии AGM не требуют обслуживания и дополнительной вентиляции помещения. Недорогие АКБ AGM прекрасно работают в буферном режиме с глубиной разряда не более 20%. В таком режиме служат до 10-15 лет.

Если же их использовать в циклическом режиме и разряжать хотя бы до 30-40%, то их срок службы существенно сокращается. АКБ AGM часто используются в недорогих бесперебойниках (UPS) и небольших автономных солнечных энергосистемах. Тем не менее, в последнее время появились AGM батареи, которые рассчитаны на более глубокие разряды и цикличные режимы работы. Конечно, по своим характеристикам они уступают АКБ GEL, но прекрасно работают в автономных солнечных системах энергоснабжения.

Но главная техническая особенность AGM аккумуляторов, в отличие от стандартных свинцово-кислотных АКБ, - возможность работы в режиме глубокого разряда. Т.е. они могут отдавать электрическую энергию на протяжении длительного времени (часы и даже сутки) до состояния, когда запас энергии падает до 20-30 % от первоначального значения. После проведения зарядки такого аккумулятора он практически полностью восстанавливает свою рабочую емкость. Конечно, совсем бесследно такие ситуации проходить не могут. Но современные AGM аккумуляторы выдерживают от 600 и выше циклов глубокой разрядки.

Кроме того, у AGM батарей очень малый ток саморазряда. Заряженная батарея может храниться неподключенной долгое время. Например, за 12 месяцев простоя заряд аккумулятора упадет всего до 80% от первоначального. AGM аккумуляторы обычно имеют максимальный разрешенный ток заряда 0,3С, и конечное напряжение заряда 15-16В. Такие характеристики достигаются не только за счет конструктивных особенностей AGM технологии. При изготовлении батарей используются более дорогие материалы с особыми свойствами: электроды изготавливаются из особо чистого свинца, сами электроды делают более толстыми, в электролит входит серная кислота высокой степени очистки.

Технология GEL - (Gel Electrolite) В жидкий электролит добавляют вещество на основе двуокиси кремния (SiO2), в результате чего образуется густая масса, напоминающая по консистенции желе. Этой массой и заполнено пространство между электродами внутри аккумулятора. В процессе химических реакций в толще электролита возникают многочисленные газовые пузыри. В этих порах и раковинах происходит встреча молекул водорода и кислорода, т.е. газовая рекомбинация.

В отличие от AGM технологии, гелевые аккумуляторы ещё лучше восстанавливаются из состояния глубокого разряда, даже в том случае, когда к процессу заряда не приступили сразу же после зарядки батарей. Они способны перенести более 1000 циклов глубокой разрядки без принципиальной потери своей емкости. Так как электролит находится в густом состоянии, то он менее подвержен расслоению на составные части воду и кислоту, поэтому гелевые аккумуляторы лучше переносят плохие параметры тока подзаряда.

Пожалуй, единственный минус гелевой технологии – цена, она выше, чем у AGM батарей такой же емкости. Поэтому использовать гелевые аккумуляторы рекомендуется в составе сложных и дорогих систем автономного и резервного электроснабжения. А так же в случаях, когда отключения внешней электрической сети происходят постоянно, с завидной цикличностью. АКБ GEL лучше выдерживают циклические режимы заряда-разряда. Также, они лучше переносят сильные морозы. Снижение емкости при понижении температуры аккумуляторов также меньше, чем у других типов аккумуляторов. Их применение более желательно в системах автономного электроснабжения, когда батареи работают в циклических режимах (заряжаются и разряжаются каждый день) и нет возможности поддерживать температуру аккумуляторов в оптимальных пределах.

Почти все герметичные аккумуляторы могут устанавливаться на боку.
Гелевые аккумуляторы тоже отличаются по назначению - есть как общего назначения, так и глубокого разряда. Гелевые батареи лучше выдерживают циклические режимы заряда-разряда. Их применение более желательно в системах автономного электроснабжения. Однако они дороже AGM батарей и тем более стартерных.

Гелевые аккумуляторы имеют примерно на 10-30% больший срок службы, чем AGM аккумуляторы. Также, они менее болезненно переносят глубокий разряд. Одним из основных преимуществ гелевых аккумуляторов перед AGM является существенно меньшая потеря емкости при понижении температуры аккумулятора. К недостаткам можно отнести необходимость строгого соблюдения режимов заряда.

Батареи AGM идеальны для работы в буферном режиме, в качестве запасного варианта при редких перебоях электроэнергии. В случае слишком частого подключения в работу просто уменьшается их жизненный цикл. В таких случаях использование гелевых аккумуляторов бывает экономически более оправдано.

Системы на основе технологий AGM и GEL обладают особыми свойствами, которые просто необходимы для решения задач в области автономного энергоснабжения.

Аккумуляторы, изготовленные по технологиям AGM и GEL, являются свинцово-кислотными АКБ. Они состоят из схожего набора составных частей. В надежный пластиковый корпус, обеспечивающий необходимую степень герметизации, помещены пластины-электроды изготовленные из свинца или его особых сплавов с другими металлами. Пластины погружены в кислотную среду - электролит, который может выглядеть как жидкость, или быть в другом, более густом и менее текучем состоянии. В результате протекающих химических реакций между электродами и электролитом вырабатывается электрический ток. При подаче внешнего электрического напряжения заданной величины на клеммы свинцовых пластин, происходят обратные химические процессы, в результате которых батарея восстанавливает свои первоначальные свойства, заряжается.

Также существуют специальные АКБ по технологии OPzS, которые специально разработаны для "тяжелых" цикличных режимов.
Данный тип АКБ создавались специально для использования в системах автономного электроснабжения. Они имеют пониженное газовыделение, допускают много циклов заряд/разряда до 70% от номинальной емкости без повреждения и значительного сокращения срока службы. Но данный тип АКБ не пользуется высоким спросом в России из-за достаточно высокой стоимостью АКБ по сравнению с технологиями AGM и GEL.

Основные правила эксплуатации аккумуляторных батарей

1. Не допускайте хранения АКБ в разряженном состоянии. В этом случае происходит сульфатация электродов. В этом случае АКБ теряет емкость и существенно сокращается срок службы АКБ.

2. Не допускайте короткого замыкания клемм АКБ. Это может происходить при монтаже АКБ неквалифицированным персоналом. Сильный ток короткого замыкания заряженного АКБ способен расплавить контакты клемм и нанести термический ожог. Короткое замыкание также наносит серьезный ущерб АКБ.

3. Не пытайтесь вскрывать корпус необслуживаемого аккумулятора. Содержащийся внутри электролит способен вызвать химический ожог.

4. Подключайте АКБ в устройство только в правильном соответствии с полярностью. Полностью заряженный АКБ имеет значительный запас энергии и способен при неправильном подключении вывести устройство (инвертор, контроллер и т.д.) из строя.

5. Не забудьте утилизировать отслужившую свой срок батарею в соответствии с правилами утилизации для изделий, содержащих тяжелые металлы и кислоты.

С.Н. Костиков

Анализ причин отказов герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторов

Около сорока лет назад удалось создать герметизированный свинцово-кислотный аккумулятор. Все реализованные до настоящего времени герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы снабжены клапаном, который должен открываться для выброса избыточного газа, в основном водорода, при заряде и хранении. Полной рекомбинации кислорода и водорода достичь невозможно. Поэтому аккумулятор называется не герметичным, а герметизированным. Важным условием хорошей герметизации является плотное химическое и термостойкое соединение конструктивных элементов. Особое значение имеет технология изготовления пластин, конструкция клапана и герметизация выводов. В герметизированных аккумуляторах используется «связанный» электролит. Рекомбинация газов идет по кислородному циклу.

Для связывания электролита существует два способа:

Использование гелеобразного электролита (технология GEL);

Использование стекловолокна, пропитанного жидким электролитом (технология AGM).

Каждый способ имеет свои достоинства и недостатки.

Под надежностью аккумулятора понимают его способность сохранять оговоренные изготовителем характеристики при эксплуатации в течение заданного времени в заданных условиях. За критерий отказа аккумулятора принимается несоответствие его параметров установленным нормам. Требования к герметизированным свинцово-кислотным аккумуляторам и методы их испытаний изложены в стандартах ГОСТ Р МЭК 60896-2-99 (IEC 896-2, DIN EN 60896 Teil 2). Существует ряд факторов, которые ограничивают достижение высокой степени надежности герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторов любой технологии:

Сильное влияние незначительных примесей на свойства активных масс пластин;

Большое количество технологических процессов при производстве аккумуляторов;

Использование широкого ассортимента материалов и комплектующих для изготовления аккумуляторов, которые могут производиться на разных заводах (в разных странах, где не всегда обеспечивается должный входной контроль и унификация изделий).

Повышение надежности связано, в первую очередь, с тщательным входным контролем всего поступающего сырья, используемых материалов и комплектующих. Необходим строгий контроль технологии изготовления на всех этапах производства. Чтобы достичь точности технологических операций, производство должно иметь высокую степень автоматизации и единый технологический цикл (полный цикл производства).

Обычная (классическая с жидким электролитом) конструкция аккумуляторов обеспечивает их высокую надежность за счет избыточности активной массы электродов, электролита и токоведущих элементов. В них избыток реагентов и электролита составляет 75–85% от теоретически необходимых. Герметизированные аккумуляторы имеют меньшую надежность, чем классические свинцово-кислотные аккумуляторы. Аккумуляторы технологии AGM имеют малый запас электролита. В аккумуляторах технологии GEL используется сложный многокомпонентный состав электролита, а также трудно добиться равномерного распределения геля внутри аккумулятора. Появляются новые конструктивные элементы (герметизированный корпус с крышкой, специальный газовый клапан с фильтром, специальное уплотнение токовыводов, специальные добавки в электролит, специальные сепараторы и др.). Поляризация положительного электрода в герметизированных аккумуляторах больше, чем в классических, и может достигать 50 мВ. Это приводит к ускорению коррозионных процессов, особенно в буферном режиме эксплуатации.

КОНСТРУКЦИЯ ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

В герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторах применяются пастированные электроды. Они могут быть решетчатыми и панцирными. Панцирные электроды применяются в GEL аккумуляторах типа OPzV в качестве положительных пластин, а в остальных типах для положительных электродов применяются решетчатые пластины. Применение различных типов положительных пластин отражается на электрических характеристиках аккумуляторов. Это связано с внутренним сопротивлением аккумулятора. Положительные панцирные пластины состоят из штырей, которые помещаются внутри перфорированных трубок, заполненных активированной массой (см. рис. 1). Использование панцирных пластин позволяет изготавливать герметизированные аккумуляторы (технологии GEL) большой емкости, такой же как у классических аккумуляторов. В герметизированных аккумуляторах технологии AGM (см. рис. 2) как малой, так и большой емкости используются решетчатые пластины, что удешевляет их стоимость и упрощает конструкцию.

В производстве аккумуляторов используется как чистый свинец, так и его сплавы. Сурьма, которая неоднозначно воздействует на эксплуатационные характеристики аккумуляторов, для производства пластин герметизированных аккумуляторов не применяется.

В герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторах используются сплавы свинца с кальцием или с оловом и сплав свинца, кальция, олова, могут быть добавки алюминия. Здесь электролиз воды начинается при более высоких напряжениях. Кристаллы, образующиеся в пластинах, мелкие и однородные, а их рост ограничен. Осыпание активной массы и внутреннее сопротивление аккумулятора при использовании кальциевых решеток несколько больше, чем в случае свинцово-сурьмяных. Разрушение пластин преимущественно происходит при заряде аккумулятора. Для уменьшения осыпания в активную массу вводят волокнистые материалы, например фторопласт, и используют стекловолокно, прижатое к пластинам (технология AGM) или пористые сепараторы (сумки, конверты, удерживающие активную массу) из мипласта, PVC, стекловолокна (технология GEL); могут использоваться двойные сепараторы. Двойные сепараторы увеличивают внутреннее сопротивление, но повышают надежность аккумуляторов. Не все производители герметизированных аккумуляторов применяют двойные сепараторы. В некоторых моделях аккумуляторов встречаются многослойные сепараторы, дефекты в одном из слоев защищены другим, и рост дендритов затруднен при переходе от слоя к слою.

Надежность герметизированных аккумуляторов также зависит и от материала корпуса, качества и конструкции токовыводов, конструкции газового клапана. Некоторые производители для минимизации затрат делают корпус с толщиной стенки 2,5–3 мм, что не всегда обеспечивает высокую надежность. Для более высокой надежности толщина стенки должна быть 6 мм и более. Некоторые увеличивают пористость электродов, что не всегда положительно сказывается на надежности аккумуляторов. В погоне за увеличением прибыли многие фирмы заведомо завышают параметры аккумуляторов и искажают реальный срок службы, делают гибриды, в аккумуляторы AGM-технологии заливают гелевый электролит и др.

Рис. 1. Конструкция электродов свинцово-кислотного аккумулятора технологии GEL с панцирными пластинами (типа OPzV)

Рис. 2. Конструкция герметизированного свинцово-кислотного аккумулятора AGM-технологии

ВИДЫ ОТКАЗОВ ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

Известно, что ухудшение электрических характеристик герметизированных аккумуляторов и выход из строя (отказ) при эксплуатации обусловлены коррозией основы (решетки) и оползанием активной массы положительного электрода, которые иногда называют деградацией положительного электрода. Деградация положительного электрода в классических аккумуляторах с жидким электролитом имеет плавную зависимость от срока службы, и ее можно проследить за период эксплуатации. В герметизированных аккумуляторах деградация положительных пластин более резкая и до конца не изученная, корпуса аккумуляторов непрозрачные, что затрудняет визуальный контроль уровня электролита и состояния пластин. Плотность электролита измерить нельзя.

Коррозия решеток положительных пластин – наиболее частый дефект герметизированных аккумуляторов, эксплуатируемых в буферном режиме. На скорость коррозии решеток влияет много факторов: состав сплава, конструкция самой решетки, качество технологии отливки решетки на заводе, температура, при которой работает аккумулятор. В качественно отлитых решетках из сплава Pb-Ca-Sn скорость коррозии мала. А в плохо отлитых решетках скорость коррозии высокая, отдельные участки решетки подвергаются глубокой коррозии, что вызывает локальный рост решетки и ее деформацию. Локальные наросты приводят к короткому замыканию при контакте с отрицательным электродом. Коррозия положительных решеток может приводить к потере контакта с нанесенной на нее активной массой, а также с соседними положительными электродами, которые соединяются друг с другом с помощью мостов или бареток. В герметизированных аккумуляторах пространство под пластинами для скопления шлама либо очень мало, либо вовсе отсутствует – пластины имеют плотную упаковку, поэтому вызванное коррозией оползание активной массы может привести к короткому замыканию пластин. Короткое замыкание пластин – самый опасный дефект в герметизированных аккумуляторах. Замыкание пластин в одном герметизированном аккумуляторе, если это не заметит персонал выведет из строя все остальные. Время, в течение которого аккумуляторы выйдут из строя исчисляется периодом от нескольких часов до получаса.

При эксплуатации аккумуляторов в буферном режиме из-за малых токов подзаряда может наблюдаться дефект – пассивация отрицательного электрода . В герметизированных аккумуляторах любой технологии отрицательные электроды изготавливаются из решетчатых пластин. Механизмы процессов, протекающих на электродах, сложны и окончательно не установлены. Считают, что при работе аккумулятора на отрицательном электроде преимущественно идут жидкофазные процессы (растворение-осаждение), и ограничение его разряда связано с образованием пассивирующего слоя. Признаком пассивации отрицательного электрода обычно бывает снижение напряжения разомкнутой цепи (НРЦ) на заряженном аккумуляторе ниже 2,10 В/эл. Проведение дополнительных уравнительных зарядов (например, в аккумуляторах типа OPzV) может восстановить напряжение, но аккумуляторы после этого должны быть постоянно на контроле, так как это может опять повториться. Для снижения пассивации отрицательного электрода некоторые производители вводят в него специальные добавки, которые работают как расширители активной массы отрицательного электрода и препятствуют ее усадке.

Если герметизированные аккумуляторы работают в режиме циклирования (при частых отключениях электроэнергии или в циклическом режиме), то чаще возникают дефекты, связанные с деградацией активной массы положительного электрода (ее разрыхление и сульфатация), которые приводят к снижению емкости при контрольном разряде. Проведение тренировочных зарядов для разрушения сульфата, как советуют в своих инструкциях по эксплуатации некоторые производители, ничего не дает, а даже приводит к еще более быстрому снижению емкости. Разрыхление приводит к потере контакта между частицами двуокиси свинца, они становятся электрически изолированными. Большие разрядные токи ускоряют процесс разрыхления. Наличие и степень сульфатации активной массы можно проконтролировать, поскольку она сопровождается изменением плотности электролита, которое в AGM аккумуляторах может быть грубо оценено по измерению НРЦ аккумулятора после окончания заряда. НРЦ заряженного герметизированного аккумулятора равно 2,10–2,15 В/эл в зависимости от плотности электролита, в аккумуляторах технологии AGM плотность электролита равна 1,29–1,34 кг/л, в гелевых аккумуляторах плотность ниже и имеет значения 1,24–1,26 кг/л (из-за высокой плотности электролита аккумуляторы технологии AGM могут работать при более низких температурах, чем гелевые). При разряде, по мере разбавления электролита, НРЦ герметизированного аккумулятора уменьшается и после разряда становится равным 2,01–2,02 В/эл. Если НРЦ разряженного герметизированного аккумулятора меньше 2,01 В/эл, то аккумулятор имеет высокую степень сульфатации активной массы, которая может быть уже необратимой.

При недозаряде герметизированных аккумуляторов при эксплуатации (например, из-за неверно установленного напряжения постоянного подзаряда, неисправности ЭПУ, отсутствии термокомпенсации) на отрицательном электроде, происходит сульфатация, постепенный переход мелкокристаллического сульфата свинца в плотный твердый слой сульфата с крупными кристаллами. Образующийся при этом плохо растворимый в воде сульфат свинца ограничивает емкость аккумулятора и способствует выделению водорода при заряде.

Если на положительном электроде аккумулятора наблюдается толстый окисел коричневого цвета, то это признак коррозии решетки. Возможные причины коррозии:

Аккумуляторы перед эксплуатацией долго лежали на складе без подзаряда;

При эксплуатации подавался переменный ток (~I ), проблемы с зарядным устройством (выпрямителем, ЭПУ).

В герметизированных аккумуляторах могут проявляться и специфические коррозионные процессы на мостах (чаще на отрицательных) и на борне. Поскольку продукты коррозии имеют больший объем, чем свинец, может выдавливаться компаунд, герметизирующий вывод, повреждено резиновое уплотнение борна, крышка и даже корпус аккумулятора. Дефекты такого рода часто наблюдаются в аккумуляторах, если не было строгого соблюдения технологического процесса при их изготовлении (например, большой разрыв по времени между технологическими операциями).

РАБОЧЕЕ ПОЛОЖЕНИЕ ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

Многие производители герметизированных аккумуляторов в своих инструкциях по эксплуатации указывают на возможную эксплуатацию аккумуляторов в любом положении.

В процессе эксплуатации герметизированных аккумуляторов из-за неизбежных потерь воды при открывании газового клапана происходит некоторое высыхание электролита, при этом увеличивается внутреннее сопротивление и снижается напряжение, как при пассивации отрицательного электрода.

В герметизированных аккумуляторах технологии AGM кроме высыхания электролита может происходить расслоение электролита: серная кислота, которая находится в жидком виде, стекает вниз из-за более высокого удельного веса по сравнению с водой, в результате чего возникает концентрационный градиент в верхней и нижней части аккумулятора, что ухудшает разрядные характеристики и увеличивает температуру аккумулятора. Этот эффект в аккумуляторах малой и средней емкости наблюдается редко, а использование мелкопористого стекловолоконного сепаратора с высокой степенью сжатия всего пакета положительных и отрицательных пластин уменьшает его. Высокие герметизированные AGM-аккумуляторы большой емкости лучше эксплуатировать «лежа» на боку, но использовать лишь ту сторону, при которой пластины будут находиться перпендикулярно земле (необходимо узнать у производителя). Китайские и японские производители изготавливают герметизированные аккумуляторы большой емкости низкой высоты призматической формы, что позволяет их эксплуатировать вертикально, так же как аккумуляторы типа OPzV.

В герметизированных аккумуляторах технологии GEL, особенно в OPzV, при эксплуатации «лежа» на боку могут возникать дефекты, связанные с протечкой гелевого электролита. В процессе работы газового клапана из-за силикагеля и других компонентов гелевого электролита забиваются гидрофобные пористые фильтры (круглые пластины), которые должны пропускать газ, но не пропускать электролит. После того как клапан перестает пропускать газ, внутреннее давление может возрасти до 50 кПа и более. Газ находит слабое конструктивное место: это может быть герметизирующее уплотнение клапана или борна, место в корпусе, особенно возле ребер жесткости (у некоторых производителей), место крепления крышки к корпусу аккумулятора, что приводит к аварийному разрыву, сопровождающемуся выбросом электролита наружу; электролит проводит электрический ток – может возникнуть короткое замыкание. Были случаи, когда протечка электролита, вовремя не обнаруженная персоналом, приводила к возгоранию изоляционных колпачков. Электролит может «проесть» пол и т.д. (см. Фото 1).

Фото 1. Последствия от протечки электролита из лопнувшего корпуса OPzV

Гелевые аккумуляторы лучше всего располагать вертикально, чтобы аэрозоли веществ, составляющих гелевый электролит, не могли попасть в фильтр газового клапана. Некоторые производители гелевых 2В аккумуляторов удлиняют корпус аккумулятора, разрабатывают различные улавливатели аэрозолей, делают сложную лабиринтную конструкцию клапана, чтобы эксплуатировать гелевые аккумуляторы «лежа» на боку.

Надежней эксплуатировать гелевые аккумуляторы типа OPzV в вертикальном положении!

ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ БАТАРЕЙ

Для увеличения емкости и надежности системы электропитания можно осуществлять параллельное подключение батарей. Европейские производители не рекомендуют устанавливать в параллель более четырех групп. Азиатские производители рекомендуют использовать параллельное подключение не более двух групп. Это связано с однородностью элементов аккумуляторной батареи, которая связана с технологией изготовления и качеством производства. Однородность элементов у европейских производителей лучше. Рекомендуется, чтобы батареи в аккумуляторных группах были одного типа и одного года выпуска. Не допускается производить замену одного элемента в группе элементом другого типа или устанавливать параллельно группы из аккумуляторов различных типов.

СРОК СЛУЖБЫ ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

По классификации Европейской ассоциации производителей аккумуляторов (Евробат) аккумуляторы подразделяются на четыре основные группы (могут быть подгруппы):

10 лет и более (специальное назначение ) – телекоммуникации и связь, атомные и обычные электростанции, нефтехимическая и газовая промышленность и др.;

10 лет (улучшенные характеристики ) – в основном эта группа батарей соответствует предыдущей группе (специальное назначение), но требования по техническим характеристикам и надежности не столь высоки;

5–8 лет (универсальное применение ) – технические характеристики этой группы такие же, как и для группы «улучшенные характеристики», но требования к надежности и испытаниям ниже;

3–5 лет (широкое применение ) – эта группа батарей находит применение в установках, приближенных к бытовому потребителю, популярна в UPS, чрезвычайно популярна в нестационарных условиях.

Окончанием срока службы считается наступление момента времени, когда отдаваемая емкость составляет 80% от номинальной.

Срок службы герметизированных аккумуляторов зависит от многих факторов, но наибольшее влияние оказывают режим заряда и температура эксплуатации аккумуляторов. Для постоянной готовности к работе в электропитающих установках (ЭПУ) аккумуляторы должны находиться под напряжением постоянного подзаряда (буферный режим). Напряжение постоянного подзаряда – напряжение, непрерывно поддерживаемое на выводах аккумулятора, при котором протекание тока компенсирует процесс саморазряда аккумулятора. Необходимо учитывать, что ток постоянного подзаряда аккумулятора зависит от напряжения постоянного подзаряда и температуры аккумулятора. Оба параметра изменяют силу тока постоянного подзаряда аккумулятора и тем самым влияют на расход воды, в герметизированных аккумуляторах добавить воду нельзя. Для обеспечения максимального срока службы герметизированных аккумуляторов важно поддержание оптимального напряжения постоянного подзаряда и оптимальной температуры в помещении.

При увеличении температуры аккумулятора на каждые 10°С все химические процессы, включая и коррозию решеток, ускоряются. Следует помнить, что при заряде герметизированных аккумуляторов их температура может быть выше температуры окружающей среды на 10–15°С. Это связано с разогревом аккумуляторов из-за процесса рекомбинации кислорода и герметичной конструкцией. Разница температур особенно заметна при ускоренных режимах заряда и в случае расположения батареи внутри стойки ЭПУ. Эксплуатация аккумуляторов при температуре выше +20°С ведет к уменьшению срока службы. В приведенной ниже табл. показана зависимость срока службы от температуры. Необходимо вводить корректировку напряжения постоянного подзаряда от температуры. Компенсация влияния повышенной температуры за счет регулирования напряжения постоянного подзаряда может смягчить этот эффект и улучшить приведенные в табл. цифры, но не более чем на 20%.

Необходимо размещать герметизированные батареи так, чтобы обеспечивалась вентиляция помещения и охлаждение аккумуляторов. С этой точки зрения, более предпочтительно размещение аккумуляторов так, чтобы клапаны размещались фронтально. В настоящее время производители предлагают аккумуляторы с фронтальными выводами, так называемые фронттерминальные (клеммы-выводы расположены спереди), но клапаны у этих аккумуляторов расположены сверху, как и у обычных аккумуляторов. Опыт эксплуатации фронттерминальных аккумуляторов в разных странах показывает их меньшую надежность в сравнении с обычными аккумуляторами. Фронттерминальные AGM-аккумуляторы наиболее склонны к явлению термического самопроизвольного разогрева - терморазгону. Применение данных аккумуляторов обязательно должно осуществляться после расчета и исследования тепловых полей в отсеках ЭПУ, стойках и шкафах.

У герметизированных аккумуляторов при заряде выделяется небольшое количество водорода. Нужен небольшой (естественный) обдув батареи. При длительной работе батареи с аккумуляторами большой емкости следует помнить о необходимости вентиляции помещений из-за возможности накопления водорода и соблюдения температурного режима. Раньше считалось, что для герметизированных батарей большой емкости не требуется вентиляция, как для батарей малой и средней емкости. Но с учетом опыта монтажа и сервиса импортных герметизированных батарей мы рекомендуем устанавливать оборудование для вентиляции и кондиционирования аккумуляторных помещений.

Герметизированные аккумуляторы выделяют больше тепла при заряде и сильней сами нагреваются, чем классические аккумуляторы (например, типа OPzS):

Qm = 0,77 ∙ N ∙ I ∙ h , (1)

где Qm – Джоулевый нагрев, Вт ∙ ч;

0,77 – псевдополяризация, В при 2,25 В/эл;

N – число 2 В элементов;

I – ток заряда, А;

h – время продолжительности заряда, ч.

Аккумуляторы классические (OPzS): Qm = 0,04 Вт/100 А∙ч эл/ч. Происходит Джоулевый нагрев – испарение газа (с газом выходит тепло).

Герметизированные аккумуляторы: Qm = 0,10 Вт/100 А∙ч эл/ч. Происходит Джоулевый нагрев + рекомбинация газа.

Емкость, %

Рис. 3. Влияние глубины разряда. Данные для аккумуляторов AGM-технологии. Аккумуляторы технологии GEL – более стойкие к глубокому разряду

Для герметизированных аккумуляторов AGM-технологии (см. рис. 3) вредны частые разряды-заряды, лучшую цикличность имеют аккумуляторы с гелевым электролитом. Но GEL-аккумуляторы больше выделяют водорода при заряде, чем AGM-аккумуляторы. У гелевых аккумуляторов при низких температурах раньше, чем у AGM-аккумуляторов, замерзает электролит, и могут возникать разрывы корпуса, так как электролит занимает весь объем банки.

Герметизированные аккумуляторы обоих технологий очень чувствительны к перезаряду. На рис. 4 показано, как быстро снижается срок службы при работе в буферном режиме при увеличении напряжения постоянного подзаряда. Недозаряд аккумуляторов также вреден.

Рис. 4. Зависимость срока службы от напряжения постоянного подзаряда

Для обеспечения длительного срока службы герметизированного аккумулятора в буферном режиме необходимо, чтобы установившееся отклонение выходного напряжения постоянного тока ЭПУ не превышало 1%. Переменная составляющая выходного напряжения постоянного подзаряда вредна для герметизированных аккумуляторов. Максимальное критическое значение ~I (АС) = 2 – 5 А (rms) на 100 А∙ч. Всплески (пики) и другие виды пульсирующего напряжения (при отключенной батареи, но с присоединенной нагрузкой) считаются допустимыми, если разброс пульсаций напряжения ЭПУ, включая пределы регулирования, не превышает 2,5% рекомендованного напряжения постоянного подзаряда батареи. Большие пульсации переменного тока могут привести к термическому разогреву (терморазгону) аккумуляторов. AGM-аккумуляторы более склонны к терморазгону, чем гелевые аккумуляторы. При использовании герметизированных аккумуляторов в инверторах критичной считается частота менее 50 Гц (46–35 Гц). Обычно это происходит из-за неисправности инвертора. Например, частота 20 Гц может привести к большому перезаряду аккумулятора и выходу его из строя в течение нескольких дней. Особенно чувствительны к таким неисправностям AGM-аккумуляторы. При частотах ниже 20 Гц в аккумуляторах вообще может остановиться электрохимическая реакция.

Для длительного срока службы герметизированных аккумуляторов важны: толщина положительной пластины (4–5 мм), состав сплава и конструкция решетки. Некоторые производители заявляют большой срок службы аккумуляторов, при этом используют стандартные (тонкие 2,5–3 мм) пластины; реальный срок службы таких аккумуляторов остается неизвестным и может быть определен только в процессе эксплуатации. При выборе аккумуляторов рекомендуем обратить внимание на вес, который связан с толщиной пластин.

В GEL-аккумуляторах типа OPzV с панцирными пластинами срок службы во многом зависит от скорости коррозии стержня электрода. Толщина пластин большая и равна 8–10 мм, что обуславливает большой срок их службы и низкую скорость коррозии стержня.

Статистику причин отказов герметизированных аккумуляторов в России проследить очень трудно. Фирмы-поставщики аккумуляторов тщательно это скрывают, чтобы не потерять авторитет и рынок сбыта. Много отказов происходит из-за нарушений условий эксплуатации, а также устаревшей техники. Среди них следует отметить негативное влияние выпрямителей типа ВУК на срок службы аккумуляторных батарей. Технический ресурс использования этих выпрямителей превысил все мыслимые пределы. Выпрямители типа ВУК не имеют ни стабильного, ни фильтрованного напряжения на выходе. Можно обратить внимание на выпрямители устаревшего типа ВУТ: неправильное чередование фаз питающей промышленной сети приводит к отказу выпрямителей. Этот отказ является восстанавливаемым и проявляется в недопустимом завышении выходного напряжения с последующим аварийным отключением выпрямителя. В случае совпадения неправильного чередования фаз с отказом завышенное напряжение питания вызывает повреждение батареи (сильный перезаряд), которую восстановить уже нельзя. В ВУТах отсутствует устройство автоматического переключения из режима стабилизации тока в режим стабилизации напряжения. Герметизированные аккумуляторы с устройствами старого типа (ВУТ, ВУК) работают недолго, и использование их с данными выпрямителями недопустимо.

При выборе аккумулятора для стационарных условий работы следует руководствоваться, в первую очередь, условиями эксплуатации. Если есть аккумуляторное помещение, оборудованное приточно-вытяжной вентиляцией для размещения обслуживаемых классических аккумуляторов, то его следует использовать по назначению и только для классических аккумуляторов с жидким электролитом (например, типа OPzS (в России – типа ССАП, ТБ-М), OGi (типа СН, ТБ), Groe (типа СК, БП). Герметизированные аккумуляторы лучше применять при наличии хорошего современного выпрямителя (например, УЭПС-3 производства ОАО «ЮПЗ «Промсвязь»). Герметизированные аккумуляторы только на первый взгляд доставляют меньше хлопот своим хозяевам. Их применение не означает, что обслуживание вообще исключается. В любом случае необходимо контролировать состояние аккумуляторов (напряжение, емкость, состояние корпуса и выводов, температуру аккумуляторов и помещения). Для успешной эксплуатации герметизированных аккумуляторов важно, чтобы в выпрямителях (ЭПУ), используемых для заряда аккумуляторов, были реализованы все требования, которые предъявляются к заряду герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторов.

Для того чтобы поднять надежность ЭПУ с герметизированными аккумуляторами, необходимо чаще получать оперативную информацию о состоянии и режимах работы системы электропитания. Это возможно за счет использования систем сигнализации и мониторинга электропитания. Для этих целей можно применять устройство контроля разряда-заряда (УКРЗ) аккумуляторных батарей. УКРЗ может автоматически выполнять тесты проверки аккумуляторов, автоматически контролировать параметры. По результатам тестов можно прогнозировать сроки замены и планировать техническое обслуживание. Современные ЭПУ типа УЭПС-3 могут комплектоваться устройствами поэлементного контроля батарей УПКБ, которые позволяют дистанционно контролировать напряжение и температуру каждого 2В элемента или моноблока и передавать через Ethernet, GSM, PSTN, RS-485 (тип модуля определяется при заказе). Можно использовать устройство контроля напряжения буферного режима аккумуляторной батареи (УКН) с дистанционной сигнализацией для оповещения дежурного персонала. Операторы мобильной связи рекомендуют строить систему мониторинга на базе радиосети и современных универсальных микроконтроллеров, снабженных радиомодемами, которые регулярно отправляют информацию в центр и на мобильные телефоны технического персонала. Кроме того, системы мониторинга послужат основой для интеграции с АСКУЭ и системой управления климатом, которые активно внедряются на объектах связи, энергетики, транспорта и промышленных предприятиях.

Несмотря на то, что свинцовый аккумулятор известен более ста лет, продолжаются работы по его совершенствованию. Совершенствование свинцовых аккумуляторов идет по пути изыскания новых сплавов для решеток, облегченных и прочных материалов корпусов и улучшения качества сепараторов.

Для герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторов характерен большой разброс параметров, связанных с технологией изготовления, качеством исходного сырья и техническим уровнем оборудования, применяемого для изготовления аккумуляторов.

«…Не смотря на сложность систем электропитания (ЭПУ), современные технологии выпрямления переменного тока и инвертирования постоянного тока, аккумулятор является самой главной и самой ответственной частью этих систем электропитания…», – из статьи М.Н. Петрова.

Основная задача, которую необходимо решить в ближайшее время это - создать производство герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторов в России!

При создании производства надо учесть накопленный опыт в других странах и в самой России.