Кислотно-свинцовые необслуживаемые аккумуляторы

Вопросы эксплуатации

Для большинства стационарных и передвижных установок электропитания по техническим и экономическим показателям кислотно-свинцовые аккумуляторы являются оптимальным источником энергии, особенно если речь идет о емкости более 1 А/ч или энергии более 10 джоулей (при напряжении 12 V). Появление на рынке герметичных необслуживаемых аккумуляторов с улучшенными характеристиками открыло путь к созданию необслуживаемых систем гарантированного питания, широко используемых в системах охранной сигнализации, источниках аварийного питания компьютеров (UPS), современных системах телекоммуникации и других областях техники.

Западные фирмы, пользуясь нашей отсталостью, настойчиво рекламируют положительные свойства своих изделий, не представляют полной технической документации, в лучшем случае вскользь упоминают о недостатках и ограничениях. Утверждения некоторых производителей о том, что их аккумуляторы являются необслуживаемыми (maintinance-free), является, мягко говоря, преувеличением и сознательным введением потребителя в заблуждение. Современные необслуживаемые аккумуляторы являются таковыми лишь с точки зрения отсутствия работ с жидким электролитом. С другой стороны, в связи с невозможностью визуального контроля состоянияя пластин и плотности электролита (наиболее информативный параметр), повышены требования к тщательному выполнению других процедур обслуживания и соблюдению рекомендуемых условий эксплуатации. Особенности конструкции этих аккумуляторов определяют повышенные требования к выпрямителю, например, такие, как необходимость поддержания напряжения заряда с высокой точностью, обеспечения зависимости напряжения от температуры, ограничение пульсаций зарядного тока. Рекомендуется также более частая проверка фактической емкости. Большинство типов аккумуляторов предназначено для эксплуатации при положительных температурах.

В случае применения аккумуляторов в составе современной технической системы, предусматривается соответствующий блок питания, обеспечивающий паспортные режимы их эксплуатации. Не приходится ожидать положительных результатов от непосредственной замены аккумуляторов старых типов наисовременнейшими в морально устаревших системах с примитивными выпрямителями.

Корректное сравнение параметров аккумуляторов различных фирм - достаточно сложная и не дающая однозначного ответа задача. Разнообразие конструкций, предназначенных для различных применений, слишком велико. Кроме того, производители в первую очередь подчеркивают достоинства своей продукции. Параметры устаревших аккумуляторов указываются для нестандартных условий измерения и эксплуатации либо об этих условиях умалчивается. Можно поставить задачу выбора оптимального варианта для каждого конкретного случая, добиваясь максимального срока службы, сокращения затрат на обслуживание при повышении надежности.

Принцип действия и устройство кислотно-свинцовых аккумуляторов достаточно полно освещены в литературе.

Расчетное напряжение одного элемента составляет 2 V. Номинальное напряжение батареи равно числу элементов, умноженному на 2 V. Реальное напряжение может колебаться от 2,5 V при форсированном заряде до 1,2 V при разряде большим током. В маркировке обычно указывается количество последовательно соединенных элементов в батарее и номинальная емкость при 10-часовом разряде при температуре +20 ... 25°C. Например, емкость 8 А/ч (обозначается буквой С) означает, что аккумулятор в течение 10 часов будет питать нагрузку током 0,8 А, а напряжение на клеммах 12-вольтового аккумулятора (6 элементов) снизится от 12,5 V до 10,5 V. При уменьшении разрядного тока отдаваемая емкость несколько увеличивается, при увеличении существенно снижается. Тот же аккумулятор при токе 0,2С=1,6 А полностью разрядится не за 5 часов, а за 4 и отдаст емкость 1,6 А × 4 часа= 6,4 А/ч. При токе 0,6С=4,8 А - 1 час и 4,8 А/ч; 1С=8А - около 30 минут и 4 А/ч; 3С=24 А - около 6 минут и 1 А/ч. Конечное напряжение разряда принимается от 1,7 ... 1,8 V на элемент при 10-часовом режиме до 1,2 V при 5-минутном.

Попытаемся перечислить основные факторы, влияющие на их параметры и долговечность. Срок службы кислотно-свинцового аккумулятора определяется уменьшением емкости до 80% от номинальной в результате неизбежной коррозии и механического разрушения электродов. Интенсивность коррозии зависит от многих факторов.

1. Химический состав электродов. Пластины обычных аккумуляторов содержат до 10% сурьмы, добавляемой для обеспечения их механической прочности, но увеличивающей удельное сопротивление, стимулирующей газообразование при заряде и саморазряд. Вследствие неизбежного разложения воды на водород и кислород и улетучивания этих газов требуется периодическая доливка воды. Аккумуляторы могут быть размещены лишь в специальном помещении или шкафу с повышенными требованиями к вентиляции. Замена сурьмы кальцием уменьшает газообразование и саморазряд, но усложняет технологию производства из-за большой химической активности кальция. Применение чистого свинца (pure lead) требует специальных мер для обеспечения механической прочности электродов. Наличие даже незначительного количества примесей в составе электролита и электродов может существенно сократить срок службы аккумулятора.
2. Конструкция и геометрические размеры электродов определяются технологией производства, назначением и емкостью аккумулятора. От этих параметров в значительной мере зависят результаты коррозии. С увеличением емкости аккумуляторов, как правило, увеличивается и расчетный срок службы.
3. Концентрация серной кислоты в электролите обычно характеризуется его плотностью. Повышение концентрации и плотности электролита до 1,30 г/см³ (при +15°C) снижает температуру его замерзания до −70°C, но ускоряет процесс коррозии электродов. Работоспособность аккумулятора при низких температурах определяется плотностью электролита в конце разряда, которая зависит от общего количества кислоты в аккумуляторе. Напомним, что на каждый ампер-час отданной емкости при разряде расходуется около 3,7 г серной кислоты.
4. Температура. Повышение температуры на каждые 7...10°C сверх расчетной (обычно 20 или 25°C) сокращает срок службы в два раза. Эксплуатация аккумуляторов при температуре свыше 50°C, как правило, недопустима. Снижение температуры несколько увеличивает срок службы, но уменьшает отдаваемую емкость на 0,8...1 %°C.
5. Напряжение постоянного подзаряда. Превышение рекомендуемого напряжения на каждые 0,1 V на один элемент (0,5 ... 0,6 V для 12-вольтового аккумулятора) сверх расчетных сокращает срок службы примерно в 2 раза. Снижение напряжения приводит к недозаряду, сульфатации пластин и необратимой потере емкости.
6. Зарядный и разрядный ток. Превышение допустимых токов приводит к короблению и механическому разрушению пластин. Разряд малыми токами увеличивает отдаваемую емкость и повышает конечное напряжение разряда.
7. Прочие условия эксплуатации. Глубокий разряд и хранение в разряженном состоянии приводит к сульфатации пластин и порче аккумулятора. При длительном хранении заряженных аккумуляторов в бездействующем состоянии для предупреждения последствий саморазряда и сульфатации необходимо периодически производить подзаряд. Обычные аккумуляторы требуют подзаряда каждые 1 - 3 месяца, современные необслуживаемые - каждые 1 - 2 года.

Развитие технологии производства аккумуляторов шло в направлениях избавления от жидкого электролита и уменьшения выделения газов, что позволило создать необслуживаемые системы резервного питания с размещением герметичных аккумуляторов в обычных производственных помещениях.

В промышленно развитых странах широко применяются имеющие улучшенные электрические и эксплуатационные характеристики аккумуляторы VRLA (Valve Regulated Lead Acid) - свинцово-кислотных с регулирующим клапаном, открывающимся при повышении давления внутри корпуса до 100...200 мБар. Практически клапан открывается лишь при нарушении правил эксплуатации. Для обозначения таких аккумуляторов также применяется аббревиатура SLA (Sealed Lead Acid) - герметичные свинцово-кислотные. Существенное уменьшение газообразования достигается путем замены сурьмы в составе электродов кальцием и оловом. В конструкциях корпорации Hawker Energy Products Inc. используется чистый, 99,99%, свинец с примесью олова (pure lead-tin). Применение особо чистых материалов, отсутствие доступа атмосферного кислорода и загрязнения поверхности аккумуляторов кислотой существенно уменьшили саморазряд аккумуляторов. Длительность их пребывания в бездействующем состоянии может измеряться годами, в отличие от классических, теряющих до 30% заряда в течение месяца. Повышена также устойчивость к глубоким разрядам.

Технология Gelled Electrolite (GEL), разработанная в конце 50-х годов, предусматривает добавление в электролит двуокиси кремния SiO2, в результате чего через несколько часов после заполнения аккумулятора электролит приобретает консистенцию желе. Важный момент - образование в толще желеобразного электролита пор и раковин, имеющих значительный объем и площадь поверхности, где происходит встреча и рекомбинация молекул кислорода и водорода с образованием воды. В результате количество электролита остается неизменным и доливка воды не требуется в течение всего срока службы.

Технология Absorptive Glass Mat (AGM), разработанная в конце 70-х годов, использует пропитанный жидким электролитом пористый заполнитель из стекловолокна. Микропоры этого материала заполнены электролитом не полностью. Свободный объем используется для рекомбинации газов.

Кроме того, применяются различные гибридные технологии, использующие один или несколько способов улучшения параметров аккумуляторов. Сравнение параметров изготовленных по GEL и AGM технологиям аккумуляторов показывает некоторые преимущества последних, особенно при больших токах, что обусловлено как самой конструкцией, так и другими технологическими усовершенствованиями. Следует отметить, что один из крупнейших производителей аккумуляторов GEL фирма Зонненшайн широко внедряет технологию AGM. В названии таких аккумуляторов вместо буквы А используется L.

Каковы же основные правила эксплуатации необслуживаемых аккумуляторов и в чем их отличие от правил эксплуатации обычных аккумуляторов? Фирмы-производители приводят расчетный срок службы для определенных, назовем их идеальными, условий. В случае отклонения реальных условий от расчетных (что неизбежно), срок службы может быть, как существенно уменьшен, так и продлен, что, в свою очередь, зависит от перечисленных ранее факторов.

Критерием непрерывного или циклического режима работы аккумуляторов является время между разрядами. Если среднее время между разрядами при отдаче 80% емкости превышает 1 месяц, а минимальное - 2 недели, то речь идет о режиме работы при непрерывном подзаряде (float или standby). При более частых разрядах режим работы считается циклическим (cyclic).

Вне зависимости от типа необслуживаемых аккумуляторов, производители рекомендуют соблюдение в режиме постоянного подзаряда следующих условий эксплуатации:

1. Напряжение зарядного устройства, измеряемое на зажимах аккумулятора, должно соответствовать рекомендуемому (зависит от типа аккумулятора и температуры) и поддерживаться с точностью не хуже 1%. Для стран Восточной Европы, с учетом низкого технического уровня имеющихся выпрямителей, производители могут указывать допустимую точность 2%. Для промышленно развитых стран, особенно для аккумуляторов большой емкости, эксплуатируемых с имеющими микропроцессорное управление блоками питания, точность поддержания напряжения может достигать 0,1%. При этом зарядный ток, протекающий через полностью заряженный аккумулятор, в зависимости от интенсивности саморазряда, может находиться в пределах от единиц до сотен миллиампер на каждые 100 А/ч емкости. Как правило, рекомендуется эксплуатировать аккумуляторы при постоянном напряжении одного уровня порядка 2,25...2,35 V на один элемент. Точное значение напряжения зависит от типа аккумулятора и его температуры. Возможен заряд при повышенном напряжении первого уровня (2,4...2,5 V на элемент) с последующим переходом на напряжение содержания. Такой способ дает ощутимый выигрыш во времени заряда лишь с мощным выпрямителем, обеспечивающим ток заряда первой ступени порядка 0,2С.

2. При эксплуатации в широком диапазоне температур необходимо обеспечить зависимость напряжения постоянного подзаряда от температуры в соответствии с рекомендациями для каждого типа аккумулятора. Зависимость нелинейная - −2 - 5 mV/°C на один элемент. Температурная зависимость полностью не устраняет отрицательного воздействия изменений температуры, но несколько уменьшает вредные последствия.

3. Зарядный ток в амперах в зависимости от конструкции аккумуляторов не должен превышать 0,1...0,3С, где С - номинальная емкость в А/ч. Некоторые аккумуляторы, например, CYCLON, Genesis, POWERSAFE допускают начальный зарядный ток до 1С.

4. Допустимая пульсация зарядного тока ограничена. Действующее значение переменной составляющей зарядного тока для аккумуляторов DRYFIT (Sonnenshein), YUASA не должно превышать 5...10 А на каждые 100 А/ч емкости. Фирма FIAMM для аккумуляторов MONOLITE ограничивает напряжение пульсаций выпрямителя, нагруженного максимальным током (при отключенном аккумуляторе) величиной 2,5% от номинального напряжения. Это значит, что необслуживаемые аккумуляторы ориентированы на эксплуатацию с работающими на частотах в десятки килогерц и обеспечивающими постоянное напряжение (не пульсирующее с частотой 100 Гц) импульсными блоками питания. В противном случае мощность зарядного устройства должна быть ограничена или использованы аккумуляторы большей емкости.

Следует отметить, что при соблюдении таких требований срок службы обычных аккумуляторов может быть существенно продлен.

Список литературы:

1. Под редакцией М.И.Вахнина. Технический справочник железнодорожника. Том 8. Сигнализация, централизация, блокировка, связь. Государственное транспортное железнодорожное издательство. Москва, 1952.
2. Е.В.Афанасьев, М.К.Головкин. Эксплуатация устройств СЦБ на железнодорожном транспорте. Государственное транспортное железнодорожное издательство. Москва. 1958.
3. В.Е.Тюрморезов. Источники электропитания устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. Транспорт, 1972.
4. Д.А.Коган, З.А.Эткин. Аппаратура электропитания железнодорожной автоматики. Транспорт, 1987.
5. В.И.Сороко, Б.А.Разумовский. Аппаратура железнодорожной автоматики и телемеханики. Транспорт, 1976.
6. В.П.Багуц, Н.П.Ковалев. Электропитание устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. Транспорт, 1991.
7. Правила устройства электроустановок. Глава 4.4. Аккумуляторные установки. Энергоатомиздат, 1985.
8. Аккумулятор АБН-72П. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. ИКШЖ. 563312.007 ТО.
9. Akumuliatoriu bateriju aprasymas, montavimas ir darbo saugos reikalavimai. Stacionarios baterijos. В переводе на литовский язык с оригинала: UDC 621.355-182.2. Deutsche Normen DIN VDE 0510. 1986 Juli. Akkumulatoren und Batterienlangen. Ortsfeste Batterienlangen.
10. MONOLITE Valve Regulated Recombination Batteries. Installation and Operating Instruction Manual. FIAMM, Italy.
11. YUASA. NP Valve Regulated Lead Acid Battery. Shortform broshure.
12. Technical Broshure DRYFIT. Sonnenscheine GmbH.
13. http://www. hepi. com/ Hawker U.K. Standby Power Division. Hawker Group. Lead Acid Technology. Copyright 1998. Ask drvolt (FAQ). Kalyan Jana. Charging pure lead-tin batteries. A guide for CYCLONв and Genesisв products. Warrensburg, MO 64093-9301, USA.
14. http://www.csb-battery.com/
15. http://technogama.lt
16. В.Пронько. Анализ состояния устройств бесперебойного питания железнодорожной автоматики и связи. Отчет. Каунасская дистанция автоматики и связи, 1995 г.