VRLA蓄电池的可靠性和早期故障

2VRLA蓄电池的可靠性和早期故障2.1VRLA蓄电池的寿命VRLA蓄电池的设计寿命和工作寿命对其可靠性影响很大。设计寿命是厂家设计的电池寿命目标。工作寿命是蓄电池安装后运行直到其实际容量下降到额定容量的80％的时间间隔。工作寿命一般都低于设计寿命。实际上,工作寿命可能比设计寿命低50％。在最坏的环境温度条件下，工作寿命可能只有设计寿命2O％。适当维护VRLA蓄电池的工作寿命可达到设计寿命的70-80％，在实际运行中这几乎是最好的情况。主要原因是VRLA蓄电池常常出现早期故障，大大降低了工作寿命。大多数VRLA蓄电池出现早期故障和寿命缩短的原因都与下列情况有关：工作温度高、过度充放电循环、不适当的浮充电、安装方面的问题等等。2.2工作温度高VRLA蓄电池的性能、寿命和厂家推荐的充电电压等都是按25℃设计的。工作温度对VRLA蓄电池的寿命和性能会产生很大的影响。图1示出在以2．23v／只的电压下浮充时，不同温度的浮充电流。随着工作温度的升高，在恒定浮充电压下浮充的VRLA蓄电池所接受的浮充电流会增加。浮充电流的增大使板栅的腐蚀率和气体产生率大大增加，因而降低了蓄电池的寿命。在实际应用中，VRLA蓄电池不能达到其设计寿命的最常见的原因就是工作温度高。图2说明了较高的工作温度对VRLA蓄电池的影响。图中可以看出，工作在25℃的VRLA蓄电池的实际寿命等于设计寿命(寿命系数为100％)。随着工作温度的升高，VRLA蓄电池的寿命将会下降。每升高10℃，其浮充电流约增加一倍，其寿命将减少5O％。2.3过度充放电循环蓄电池的充放电循环是指蓄电池放电后进行再充电的全过程。每次循环中，正极板上的PbO2都会变为PbSO4然后再变回来。因为PbSO4的体积比PbO2大，充放电循环就会使涂膏膨胀然后收缩，涂膏就受到压力而松动，脱落。这说明深度放电对蓄电池的损害更大。而且，充放电循环会加速板栅结构的腐蚀，缩短蓄电池的寿命。VRLA蓄电池充放电循环的能力取决于放电深度(DOD)，放电率，工作温度和蓄电池充电的方法。一般来说，最重要的因素是放电深度。如果需要较大的循环能力，通常的做法是选择容量较大的蓄电池(即比负载需要的容量大一些的蓄电池)。因此,在规定的时间、规定的放电率下，放电深度就比较浅，因此循环工作寿命就比较长。2.4不适当的浮充电压VRLA蓄电池的浮充电压是由温度而定的。厂家为各种蓄电池产品规定了浮充电压的范围。浮充电压范围是按温度25℃规定的。如果VRLA蓄电池工作在高于25℃的温度，仍采用厂家规定的浮充电压，浮充电压就太高了，对其寿命是非常有害的。高浮充电压将导致过充，这将会产生过量的氢气和氧气，引起失水和干枯。高浮充电压还会引起较大的浮充电流，较大的浮充电流又会加速极板腐蚀和活性物质的脱落。另一方面，低浮充电压将导致欠充电。欠充电会导致极板表面形成硫酸铅晶体。一旦出现硫酸铅晶体，即使在浮充电压恢复正常，硫酸铅晶体也不会回到电解液，造成永久性的容量损失。3.1“容量下降”故障蓄电池随着老化和内部导电通道(板栅、涂膏)变坏，其内部电阻会增大。当蓄电池连接到负载时，内部电阻上的电压降将会增大，导致蓄电池的输出端电压下降。有可能使蓄电池的输出电压在达到额定备用时间之前降到终止电压。也就是说，蓄电池不能为负载供电到要求的时间间隔。VRLA蓄电池除了老化问题外还有另外的问题，即如果工作温度较高或浮充电压较高，还会引起电解液失水和干枯，导致存储容量的下降。“容量下降”故障是一个缓慢的过程，一般不会造成断电。因为在市电停电期间很少要求蓄电池满容量放电，在蓄电池容量全部放出之前备用发动机组就会启动和投入供电。3.2“突然断电”故障“突然断电”故障是指在没有任何预警的情况下蓄电池系统突然中断供电的故障。这是最严重的故障，往往造成巨大损失。“突然断电”故障是蓄电池供电系统的导电通道(包括单体电池之间连接的故障和蓄电池内部导电通道的问题)断开引起的。其中单体电池的连接故障可能是安装方面的问题或连接点严重腐蚀。完全腐蚀的但尚未完全断开的板栅(仅能通过非常小的电流)最容易造成“突然断电”故障。具有干枯早期故障的VRLA蓄电池也可以看作导电通道故障，因为这种电池内部极板间没有有效的导电通道。4VRLA蓄电池的主动维护从以上讨论可知，所有的蓄电池都会故障。但是，在同样的环境条件下VRLA蓄电池发生故障的时间比VRLA蓄电池要早得多。VRLA蓄电池对环境条件要求更高，对高环境温度、过／欠充电、浮充电压的变化、过度充放电循环等容限更低。要获得一个可靠的VRLA蓄电池系统，关键是在尚未引起系统故障之前检出蓄电池的问题，采取措施。因此主动维护检测是不可缺少的。有关标准和蓄电池厂家的维护指南给出了一系列维护检测建议，包括蓄电池系统电压、单体电池电压、浮充电流、外观检查、环境温度、单体电池温度、电路连接、电路和蓄电池欧姆值的测量等等。这些检测是以月为基础，季度、半年和全年的检测是在月检测项目的基础上增加一些项目。IEEESTD1188“固定应用的VRLA蓄电池的维护、测试、更换”概括了适当进行VRLA蓄电池维护，鉴别可能有故障或容量减少的蓄电池。VRLA蓄电池主动维护检测的要点如下。4.1每月维护检测项目(1)直观检查。包括蓄电池正负极端子是否损坏和发热，蓄电池盖和壳子是否损坏，蓄电池是否温度过高。(2)测量蓄电池系统的直流浮充电压和纹波电压。(3)测量蓄电池系统的正、负极对地的直流电压，以检测接地故障。(4)测量蓄电池系统的浮充电电流。(5)测量蓄电池机房温度和标示蓄电池的温度。4.2季度维护检测项目(1)重复每月维护项目。(2)测量每个蓄电池的内阻。4.3半年维护检测项目(1)重复季度维护项目。(2)测量每个蓄电池直流浮充电压。4.4年度维护检测项目(1)重复半年维护项目。(2)测量蓄电池之间的连接电阻。(3)拧紧蓄电池之间的连接螺丝，使转矩达到厂家要求的数值。如果已测量蓄电池连接电阻，其数值没有比安装时的数值大20％，可以不重新拧紧。(4)初始安装验收时进行一次容量放电试验。每两年进行一次容量放电试验。蓄电池的容量已下降到额定容量85％时，应每年进行一次容量放电试验。5主动维护检测方法和VRLA蓄电池运行数据分析对于VRLA蓄电池的主动维护应有正确的认识和有效的方法。首先，应切实做好定期维护检测。其次，对于维护过程中获得的运行和试验数据，必须进行正确的分析和解释，从而得出正确的纠正措施，避免停电事故的发生。5.1蓄电池直观检查(1)蓄电池壳子是否清洁每个蓄电池都应保持清洁。如果蓄电池盖上有污垢和灰尘，就有可能在蓄电池端子之间或端子与地之间形成导电通路，引起短路或接地故障。因此，蓄电池壳子需要进行适当的清洁处理。(2)蓄电池壳子和盖子是否损坏如果蓄电池壳子和盖子破裂和有渗透，应更换蓄电池。蓄电池壳子上有裂缝时，导电的电解液会从蓄电池中渗透出来，造成接地故障。如果在盖子上有破裂，即使没有电解液渗透，也是非常严重的问题。因为电解液的水分可能通过裂缝蒸发损失，使电解液干枯，最后造成蓄电池的内阻增大和产生的热量增大。如果蓄电池壳子严重膨胀和永久性变形，说明这个蓄电池已过热并遭受热失控。热失控还会导致蓄电池产生更多的气体、电解液干枯和极板损坏。在这种情况下，应更换蓄电池。(3)蓄电池端子是否损坏蓄电池正负极端子弯曲或其它形式的损坏可造成连接电阻的增大。端子损坏的蓄电池应更换。如果在端子上的保护油脂熔化，表明连接点已经很热，这是端子松动的结果。在此情况下，应将此连接端子拆开，检查损坏情况，然后重新安装。5.2环境温度和蓄电池温度(1)理想的环境温度范围VRLA蓄电池一般是按环境温度为25℃设计的。其理想的环境温度范剐是21.1℃~26.7℃。当工作于较低的温度时，VRLA蓄电池放电容量达不到其额定容量，备用工作时间减少；当工作于较高的温度时，VRLA蓄电池寿命将会缩短，且容易发生热失控。VRLA蓄电池工作的环境温度比25℃高10℃时，其寿命将减少50％。环境温度高的问题应通过适当的通风和空调加以解决。(2)单个蓄电池的温度蓄电池组中的单个蓄电池的温度不应超过环境温10℃。如果全部蓄电池或个别蓄电池的温度过高，这些蓄电池就可能遭受热失控。在这种情况下，应停止充电并查明蓄电池温度升高的原因。必要时应立即更换蓄电池。5.3蓄电池系统浮充电压(1)系统浮充电压的整定正确的浮充电压应根据蓄电池的开路电压确定。VRLA单体蓄电池的开路电压(OCV)与电解液比重有关。OCV约等于电解液比重加上0.84。在VRLA蓄电池保存的过程中，由于自放电，电解液中硫酸的消耗和在极板上形成硫酸铅，电解液的比重逐渐下降。与此同时，OCV也逐渐下降。因此，OCV可以表示蓄电池的充电状态。蓄电池的浮充电压必须高于开路电压，才能克服内阻，维持充电电流在电池中流动。电池的开路电压与需要的充电电压之间的差值是板栅合金类型，电解液的比重和温度的函数。一般来说，温度25℃时，电池的开路电压与需要的充电电的差值的范响约为0.10V–0.20V。表2是温度25℃时，VRLA蓄电池在满充电状态下典型的开路电压和浮充电压范围。蓄电池系统的浮充电压应根据厂家规定的单体蓄电池浮充电压值确定。系统浮充电压等于蓄电池只数乘以单体蓄电池浮充电压值。不同厂家不同型号的蓄电池的浮充电压是不同的。假设，对于电解液比重为1．280至1．300的VRLA蓄电池，厂家建议的单体蓄电池的浮充电压为2．25V／C至2．30V／C。在25℃时，系统浮充电压等于蓄电池的只数乘以2．25V／C至2．30V／C。(2)系统浮充电压的温度补偿当环境温度高于25℃或低于25℃时，浮充电压应进行温度补偿(即环境温度高时，浮充电压适当降低；环境温度低时，浮充电适当提高)。VRLA蓄电池浮充电压温度补偿系数是-0.005V／只／℃。(3)系统浮充电压过低或过高的影响如果蓄电池在一段时间内浮充电压过低，蓄电池将会处于欠充电状态。在此期间蓄电池多次放电，每次放电后都未得到充分充电，这将使蓄电池的容量逐渐减少。最后的结果是市电停电时蓄电池放不出电来。这个问题一般可以通过长时间的均衡充电(例如48h至72h)加以解决。但是，如果欠充电的时间持续太长，就可能会出现不可逆的极板硫酸盐化，蓄电池可能必须更换。如果蓄电池的浮充电压过高，将会使蓄电池处于过充电状态。蓄电池长时间过充电将会引起过大的充电电流、板栅腐蚀、气体产生和电解液干枯。这将造成蓄电池早期老化和容量的损失。长时间的严重过充电可能导致热失控，这种情况也必须更换蓄电池系统。(4)系统浮充电压中的纹波蓄电池的浮充电压是由整流器／充电机供给的，由于整流器是将市电交流电压整流、滤波得到直流电压的，但直流电压仍有残余的交流成分(纹波)。因此，在蓄电池系统两端的浮充电压上一般都会有一定量的纹波电压。-48V直流电源系统的纹波(即杂音)非常小，但UPS整流器的直流输出电压往往有较大的纹波。(5)纹波电压对系统浮充电压的影响纹波电压会产生纹波电流。纹波电流流过蓄电池内的电阻性元件时会产生热量。纹波电压叠加在直流浮充电压上，还会引起浮充电压的变化。在纹波电压的正半周，实际的浮充电压升高。如果纹波电压很大，在纹波电压的正半周实际的浮充电压可能高于厂家规定的最高浮充电压，如前所述，会引起蓄电池内部气体的产生和发热，这将使蓄电池的寿命缩短。在纹波电压负半周，实际的浮充电压下降。如果纹波电压很大，在纹波电压的负半周实际的浮充电压可能低于蓄电池开路电压，此时蓄电池将对负载放电，导致蓄电池容量的减少。所以纹波电压不能太大。当浮充电压为2．25V／只时，纹波电压(峰-峰值)不能大于0．22V／只。假设纹波电压为正弦波，其有效值不能大于0．077V／只。5.4单个蓄电池的浮充电压(1)单个蓄电池的浮充电压不等于平均浮充电压当蓄电池组在平均浮充电压2．25V／只至2．3OV／只下浮充电时，并不是所有的蓄电池都在准确的平均电压下浮充。因为各个蓄电池的内阻和氧再复合率不是完全相同，虽然它们的浮充电流相同，但浮充电压却有一些差别。(2)单体蓄电池的浮充电压高的