阀控式铅酸蓄电池运行维护技术交流

阀控式铅酸蓄电池运行维护技术交流杭州高特电子设备有限公司2008.4RS485电池交流配电整流模块整流模块整流模块整流模块降压摸块1交流监控单元模块监控单元直流监控单元系统监控模块降压摸块2RS485RS232合闸母线控制母线充电机电池组馈线监控直流电源系统概要问题如何对阀控式蓄电池进行运行与维护？从开口式电池到阀控式电池，蓄电池不论是工作原理和失效机理都发生了很大变化，可我们的认知及检测维护手段却相对滞后了。蓄电池的运行维护已经成为直流电源系统运行维护中的重中之重。而因为阀控式蓄电池测试的特殊性和复杂性，其检测技术一直未能得到有效突破，所以，如何提高和改进检测和维护手段成为了迫切需要解决的难点问题。问题作为备用电池我们到底要测什么？从核对性放电测试到电池端电压监测，再到内阻测试，人们寻找了很多方法，但我们到底想要知道什么？？答案只有一个——我们想知道：如果现在发生停电，这组电池能支持负载供电多少时间！！或者说这组电池还有多少容量！！其它问题馈线回路直流断路器的级差配合？随着直流系统重要性的提高，直流断路器级差配合问题越显重要。充电机对电池及系统的影响？电源系统的主要负荷从继电保护到综合自动化，蓄电池组从开口式电池到阀控式电池，充电机也从相控电源发展到了高频开关电源，电源在整个系统运行中显得越来越重要，对充电机的要求也就提到了议事日程。Ⅰ阀控式铅酸蓄电池早期失效原理电池失效案例一电池失效案例二电池失效案例三电池失效案例阀控式铅酸蓄电池结构负极柱正极柱安全阀汇流排栅板隔板外壳阀控式铅酸蓄电池工作原理正极活性物质是二氧化铅，电极反应为：PbO2+3H++HSO4-+2ePbSO4+2H2O负极活性物质是海绵状金属铅，电极反应为：Pb+HSO4--—2ePbSO4+H+电池反应：Pb+PbO2+2H++2HSO4-2PbSO4+2H2O从反应式中可以看出，硫酸不仅传导电流，而且参与电化学反应，放电时硫酸不断减少，生成水，电解液浓度降低；充电时不断生成硫酸，消耗水，电解液浓度增加。Pb—H2SO4—H2O体系的氧化还原标准电极电位：V-=PbSO4︱Pb=-0.356VV+=PbO2︱PbSO4=1.865VE=V+-V-=1.865–(-0.356)=2.221V即电池电动势，通常近似为蓄电池开路电压。阀控式铅酸蓄电池工作原理PbSO4PbPbO2负极正极阀控式铅酸蓄电池特点利用氧再复合“水循环”原理，使电池正极析出的氧气通过隔膜扩散到负极发生氧化反应生成PbO2，并与H2SO4反应，最终生成水，避免了水的散失。全密封结构，用一安全阀控制电池内气体压力。VRLA(ValveRegulatedLeadAcid)采用玻璃纤维或胶体作为隔膜，吸贮电解液，贫液式，紧装配。阀控式铅酸蓄电池氧再复合机理2Pb+O2=2PbOPbO+H2SO4=PbSO4+H2O2PbSO4+2H++4e-=2Pb+2HSO4–O2+4H++4e-=2H2O2O-2-4e-=O2↑2H2O-4e-=4H++O2↑正极PbO2负极Pbe-e-O2H2O=2H++O-2O2O2O2O2O2O2O2O2阀控式铅酸蓄电池氧再复合机理AGM有机物胶体＋硫酸GEL-new阀控式铅酸蓄电池VRLA拥有先进的设计思想和工作原理，理论上有较高的可靠性和较长的使用寿命，厂家也都宣传有10～15年的浮充使用寿命。然而实际使用情况却强差人意，有些厂家的电池仅使用了二三年，甚至更短时间就出现了失效电池——阀控式铅酸蓄电池寿命特性阀控式铅酸蓄电池的早期失效失水充电时氧再复合反应不完全板栅腐蚀硫酸铅的存在，使负极长期处于非完全充电状态，形成不可逆硫酸铅充电过程中，由于紧装配密封结构使热量不易散出，导致电池温升过高失效负极板硫酸盐化热失控阀控式铅酸蓄电池的早期失效工艺设计缺陷渗漏液、极耳腐蚀断裂、阀盖开闭失灵等阀控式铅酸蓄电池早期失效原因电极材料的配方制备、安装化成工艺的非稳定因素和不一致因素，导致了电池性能的离散性，这给电池的运行留下了失效的隐患。当性能不一致的电池组成一组电池并投入运行时，各电池的浮充电压会有很大差异。经长时间运行后，浮充电压高的电池因长期过充导致失水和极板腐蚀；反之，浮充电压低的电池因长期欠充导致容量损失和极板硫酸化。电池性能劣化有自加速的趋势。2.25v2.25v2.29v2.23v2.24v2.24v2.25v2.25v——电池本身的离散性是电池早期失效的根本原因浮充电压的离散性阀控式铅酸蓄电池早期失效原因——电池运行环境将影响电池使用寿命运行中过充、过放，没有定期进行检测维护。阀控式铅酸蓄电池的“贫液”式设计，使得电池对环境温度非常敏感（每增加10℃，寿命减少一半），所以良好的运行环境非常重要。同时对充电机也提出了较高的要求，要求纹波小，并有温度补偿（-3～-6mV/℃）。Ⅱ阀控式铅酸蓄电池测试方法阀控式铅酸蓄电池测试方法国家标准容量测试法：0.1C10小时放电（核对性容量测试）内阻测试法？？？？？？状态检测法核对性容量测试法按国际标准IEC869-2（1995）《固定铅酸蓄电池一般要求和试验方法第二部分阀控式》、国家标准GB13337.1-91《固定型防酸式铅酸蓄电池技术条件》、国家电力部的行业标准DL/T637-1997《阀控式密封铅酸蓄电池订货条件》，阀控式铅酸蓄电池容量测试为：以电池额定容量（C）的10h率放电电流I10进行放电，并记录电池端电压、温度、放电时间，直至电池电压降至电压下限，计算电流与时间的乘积即为电池容量。如电池温度不为25℃，应进行换算。Cd=———————Ct1+K（t–25）问题电池失效的标准？当检测蓄电池的容量即在25℃时实际容量等于或小于80%标称容量时为寿命终止。标称容量的80％的来源？实际容量与标称容量的关系？标称容量500Ah的电池，出厂时的实际容量可能为600Ah，假定该电池在使用中容量衰减了20％，即测试时的实际容量为：600Ah×80％＝480Ah如果与标称容量比对，电池容量还有96％，是正常的电池，如果与出厂时的实际容量比对，电池容量只有80％了，到了失效的边缘，我们该如何判别呢？？？？寿命终止的标志应为实际容量的80％！一组电池如何进行核对性容量测试在变电站设计时，改变单电池组设计方案，以二组电池组替代一组电池组，便于维护和检修。如图：200Ah100Ah100Ah用备用电池组投入运行，对待测电池组进行全容量核对性放电。电池组不退出运行，把充电机电压调低到保护电压，利用实际负荷负载和外加负载对电池组进行浅容量(30-50%)放电测试，基本上可对电池状态作出了解。不退出运行，对电池组进行短时间放电，目的是发现落后电池。一组电池如何进行核对性容量测试充电机设备负荷蓄电池组空开/熔断器二极管放电负载对充电电压难以调整的直流系统，在电池组不退出运行的条件下，可串入大功率二极管进行放电。方法：先在空气开关或熔断器两端并联二极管，然后将其断开再进行放电。一组电池如何进行核对性容量测试当对电池组进行核对性放电测试完毕后，接入正常直流系统回路时，必须注意采取必要的保护，避免接入瞬间冲击电流引起充电机的过流保护动作或电池出口熔丝熔断的情况发生。延时接入：放电结束后不立即接回，待已放电的电池组电压回复到与充电机电压之差小于5V以内。限流接入：在电池组出口串接一个合适的限流电阻，以限制接入瞬间的冲击电流。状态检测法电压：通过测量电池的浮充电压检测电池状态可测出电池开路、短路、严重损坏电池如：浮充电压严重偏高，可能是电解液干涸栅板严重硫化，导致内阻增大引起。浮充电压严重偏低，可能是电池长期欠充或正极板腐蚀。电流：检测浮充电流是否正常温度：有无温度异常，但一般为环境温度VRLA——内阻构成电池内阻：是指电流通过电池时所受的阻力电池内阻包括：电极化内阻——电池在进行电化学反应时，极化所引起的内阻，或电流流过电极时所引起的电位的变化。η＝Ee-E电位极化有浓差极化和电位极化之分。欧姆内阻内阻检测法电池内阻包括：欧姆内阻、电极化内阻（浓差极化和电位极化）。其中欧姆内阻包括：极柱、汇流排、板栅、板栅和涂膏层、隔膜、电解液等。显然，当由于栅板腐蚀、硫化或电解液干涸引起电池性能劣化时，将导致电池内阻的增加。R极柱R汇流排R板栅R板栅与涂膏R涂膏R电解质R隔膜R金属通路R化学通路XcEc=单体电压内阻检测标准内阻检测标准依据：IEEEstd1188-1996IEEEstd1188-1996第15页：Conductancemeasurementscanbeperformedbyapplyingavoltageofknownfrequencyandamplitudeacrossacellandobservingtheaccurrentthatflowsinresponsetoit.Theconductanceistheratiooftheaccurrentcomponentthatisin-phasewiththeacvoltage.Totheamplitudeoftheacvoltageproducingit.电导测量是通过对蓄电池外加一个已知频率、强度的电压，测量同相的交流电流，交流电压产生交流电流，电导是一个交流电流和同频交流电流的比率。内阻检测法交流内阻：有正弦波和方波二种方式。给电池注入一个固定频率和固定电流的交流信号（一般使用1kHz、50mA，也有3~10Hz、300~1000mA的），然后对其电压进行采样，经过整流、滤波等一系列处理后，以交流电压分量与交流电流分量之比计算出该电池的内阻值。可反映电池趋势，有在线和便携方式，由于电流信号较小，精度稍差，易受干扰。内阻检测法直流内阻：短时间内（一般为2～3秒）强制通过一个很大的恒定直流电流（目前一般使用40A～80A的大电流），测量此时电池两端的电压，并按公式计算出当前的电池内阻。较接近实际情况，精度好，但在线方式不易实施。在DL/T637-1997标准中，直流内阻值定义如下：UU1U2I1I2IRi=—————U1-U2I2–I1问题电池内阻测试的标准？交流测试法：激励信号的频率？幅值？波形？直流测试法：负载电流大小？持续时间？测试点？以什么为标准？？电池内阻和电池容量的关系？人们需要知道的电池容量，仅仅告诉内阻是不够的。内阻测试和容量的相关性%RatedCapacity%OriginalValue%RatedCapacity100959085%Life102030405060708090100Conductance内阻检测法内阻测试的问题（案例）4次内阻特性比较00.050.10.150.20.250.30.351357911131517192123数据1数据2数据3数据4内阻测试的问题（案例）测试方法比较核对性容量测试——准确可信，但费时费工，不易实施。有离线式和在线式二种方法。在线式测试时对系统具有潜在的危险。作为电池检验的标准，按规程定期对电池组进行核对性放电测试仍然是保证系统安全运行的无可替代的、必要的、有效的手段。电池电压巡检——仅能发现严重劣化电池。用于对电池充放电曲线或电池浮充数据的观察和记录。内阻（或电导）法——快速简便，易于发现失效电池，对了解电池性能变化具有重要参考意义，但需建立新电池原始数据用于比对。电池内阻的与电池容量之间无一一对应关系，因而，不能根据蓄电池的内阻或电导值去推断电池容量和使用寿命。现有测试方法的缺陷基于在某一时刻对电池的测试，是一种静态的测试，它忽略了连续的、变化的信息。基于单一的测试方法，每一测试方法都忽视了电池的电化学体系的复杂性，都企图用单一的手段来达到测试的目的。蓄电池性能分析专家诊断方法电池作为异常复杂的电化学体系，在时间和温度应力的共同作用下，时刻发生着微小的变化，这种变化必然在外部得到宏观的反映，如电压、电导、充放电曲线等，这种变化是动态的、连续的、相互关联的。batterybattery建立电池失效数学模型的依据随着电池使用时间的增加，电池组性能的劣化总是表现为个别电池的落后。表现为：伴随着电池性能的劣化，该电