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阀控铅酸蓄电池维护与测试现状及测试技术发展趋势

一、引言
    随着电力、信息、电子技术快速发展,阀控铅酸蓄电池(简称VRLA电池)目前已被广泛地应用于电力、航空航天、通信、邮电、交通、船舶、应急照明等诸多领域。与普通铅酸蓄电池相比,VRLA电池由于采用了内部氧复合技术,大大缓解了电解液损耗,从而使蓄电池在免加水状态下长期服役,而且具有体积小、防爆、电压稳定、无污染、重量轻、放电性能高、维护量小等优点,所以深受各个行业青睐。
    蓄电池是电力电源系统中直流供电系统的重要组成部分,它作为直流供电电源,主要担负着为设备提供安全、稳定、可靠的电力保障的最后一道防线,确保设备的正常运行。因此,蓄电池的稳定性和在放电过程中能提供给负载的实际容量对确保电力设备的安全运行具有十分重要的意义。
    然而蓄电池经过一定时间的使用后,常易因活性物质脱落、板栅腐蚀或极板变形、硫化等因素,而使容量逐渐降低直至失效,一旦市电中断,有可能酿成重大事故。所以,找出落后电池,并将其予以处理,以便消除隐患,是广大蓄电池维护人员的迫切需要解决的工作。
    过去几十年来我们一直使用防酸隔爆式铅酸蓄电池,积累了一定经验。但由于此种电池维护方法繁琐,目前已被具有免加水、安装灵活、占地面积小且不形成酸雾的阀控式密封铅酸蓄电池(VRLA)所取代。随着阀控式密封铅酸蓄电池被广泛使用,国内生产VRLA的厂家越来越多,生产规模与技术水平参差不齐,问题不少,近几年来国内使用的VRLA电池出现了很多以前未遇到的新问题,有些故障原因尚未被完全掌握,让大家认知到了蓄电池的合理、有效的维护方法是目前重点需要讨论的话题,所以电源维护问题成为了我们探讨中心。
二、蓄电池的维护与测试现状及存在的问题
    用了五年的电池,是否一定不能用?用了半年的电池是否一定能用?蓄电池供应商提供的电池是否一定是好的?电池和电池组有没有必要进行定期检测和在线监测?
看看以下几个蓄电池事故的例子,不得不让我们重新思考蓄电池的维护问题:
    2003年7月18日,某发电厂电气队蓄电池维护人员进入蓄电池室对该厂5号机组220V蓄电池进行检查时,发现蓄电池室内220V和110V两组蓄电池发生多只蓄电池爆炸。运行人员紧急将5号机直流系统与4号机直流系统并列运行,将5号机两组蓄电池退出运行。
    2003年7月14日上海地铁1号线供电系统发生故障,事故中因电池故障无法发挥其备用供电的功能,造成停电62分钟。
    2006年上海磁悬浮列车运行时因车载蓄电池故障发生起火事故。
    2007年12月北京地铁雍和宫站一机房内的2组低压蓄电池故障,突起浓烟雍和宫地铁2号线和5号线停运两小时。
    以上事故都源于蓄电池,对于阀控式铅酸蓄电池(VRLA),从一开始便被称为免维护电池,实际上仅是指平时无须加酸液和水,无须调节电解液密度。而生产厂家又承诺该电池的使用寿命为10~20年(最少为8年),这样就给国内的技术和维护人员一种误解,似乎这种电池既耐用又完全不需要维护,许多用户从装上电池后就基本没有进行过维护和管理,因而在90年代初国内使用的VRLA电池出现了很多以前未遇到的新问题,例如,电池壳变形、电解液渗漏、容量不足、电池端电压不均匀等。这些现象不单在国内,就是在比我国早采用VRLA电池的国外也同样存在。在VRLA电池中由于电解液比重更大而且浮充电流更大,因而电极腐蚀更为迅速。电极腐蚀也会消耗氧气从而使电池变干,这是VRLA电池特有的故障。VRLA电池过度的气体逸出、焊接柱或盖板裂缝、密封不严,最后通过容器壁和塑料容器渗出水、氢和氧,这些都会引起电解液渗漏。VRLA电池的故障有些是气体调节阀出现故障引起的,阀打开后会导致干涸,也会使空气进入电池,阴极板自我放电,阀阻塞会使盖鼓出和爆炸。VRLA电池的冷却比开口式电池更为重要,如果不充分的话,热失控可能会引起电池熔毁或爆炸。VRLA电池内部接线柱、同极的连接片以及电极接头的腐蚀而断裂的现象也比开口式电池更常发生。这些故障都导致容量损失。这使使用单位不易掌握VRLA电池的耐久性和失效问题。实践证明,VRLA电池端电压与放电能力无相关性,VRLA电池和电池组在运行过程中,随着使用时间的增加必然会有个别或部分电池因内阻变大,呈退行性老化现象,实践证明,整组电池的容量是以状况最差的那一块电池的容量值为准,而不是以平均值或额定值(初始值)为准,当电池的实际容量下降到其本身额定容量的90% 以下时,电池便进入衰退期,当电池容量下降到原来的80%以下时,电池便进入急剧的衰退状况,衰退期很短,这时电池组已存在极大的事故隐患。使用单位和管理单位,往往只重视备用电源的设备部分的维护和管理,而忽视电池组的重大作用,殊不知断电的危险很大程度上就潜伏在电池组。 整组电池充电的特性是,如电池组内有一个或几个内阻变大的老化电池,其容量必然变小,充电器给电池组充电时,老化电池因容量小,将很快充满。充电器会误以为整组电池已充满而转为浮充状态,以恒定电压和小电流给电池组充电。其余状态良好的电池不可能充满。电池组将以老化电池的容量为标准进行充放电,经多次浮充--放电--均充--放电--浮充的恶性循环,容量不断下降,电池后备时间缩短。结论:如不定时检测,找出老化电池给予调整,电池组的容量将变小,电池寿命缩短,影响系统的高效安全运行。从大量的测试数据分析可以得出这样的结果,即所有内阻高于基准值25%的电池将无法通过容量的测试。
实践证明,电池和电池组的定期维护和在线监测尤其是非常重要和必须的,是备用电源系统中非常重要而又往往被人们忽视的重要环节。
三、蓄电池使用寿命
    影响阀控式铅酸蓄电池实际使用寿命因素很多,起主要作用有以下几方面。
1、温度与容量关系
    阀控式蓄电池在环境温度为25℃时容量为100%;超过25℃时,每升高10℃蓄电池容量会减少一半;而在25℃以下时,温度与容量关系如表1所列。

1 .在25℃以下时温度与容量关系

温度/℃

当前容量/%

25

100

20

95

15

90

10

84

5

76

0

71

    从表1不难看出,阀控式蓄电池容量是随着温度变化而变化,维护人员必须认真做到根据实际温度变化合理地调整蓄电池放电电流,同时要控制蓄电池环境温度使其保持在22℃~25℃以内。
2、不同充电方式对蓄电池寿命影响
    对阀控式铅酸蓄电池维护,需要建立精确充放电制度并加以实施,才能使该蓄电池达到最优性能和最长使用寿命。国内外大量研究结果表明,充放电方式决定了蓄电池使用寿命,有一些蓄电池与其说是使用坏,不如说是充放电方式不妥被损坏。在这方面,国内有许多蓄电池生产厂家和科研院所或学校都做过类似实验。
3、放电与容量关系
大家知道,不同倍率放电电流会使蓄电池有不同容量,如表2所列。
2. 放电与容量关系

放电率/h

蓄电池额定容量百分数/%

放电电流倍数

终止电压/V

0.5

45

7

1.7

1

55

5.14

1.75

3

75

2.5

1.8

10

100

1.0

1.8

    在电力、通信电源直流供电系统中配置蓄电池容量是不相同的,对蓄电池在实际放电电流下运行容量应有一个准确计算。
    这里值得注意是,在小电流放电条件下形成硫酸铅,要氧化还原是十分困难,这是因为在小电流放电下形成硫酸铅颗粒尺寸远比大电流放电条件下大,就是说在大电流条件下晶体形成速度要比小电流条件下慢,晶体来不及生长就很快被氧化还原了,因而颗粒比较小。而在小电流条件下,较大硫酸铅晶体就不容易被还原。如硫酸铅晶体长期得不到清理,必然会影响蓄电池容量和使用寿命。
4、浮充电压设置对蓄电池寿命影响
    浮充运行是蓄电池最佳运行条件,运行时电池一直处于满荷电状态,理论上在此条件下运行蓄电池将达到最长使用寿命。浮充电压设置对蓄电池寿命具有相当重要影响,浮充电压产生电流量应达到补偿自放电及电池单体放电电量和维持氧循环需要。不合理浮充电压主要在两个方面影响电池:
一个是正极板栅腐蚀速率和电池内气体排放。特别是当电池浮充电压超过一定值时,板栅腐蚀现象会进一步加剧,电池内氧气和氢气产生较高气压,通过排气阀排放,从而造成电池失水,正极腐蚀则意味着电池失水,进一步加剧电池劣化、寿命缩短。若将浮充电压超过一定幅度,增大浮充电流会产生更多盈余气体,这样便使氧在负极复合受到阻力,从而削弱了氧循环机能。
    浮充运行时,充电电压还应随环境温度作适当调整,具体可以参考有关技术资料或者电池厂家给出相关参数要求。
5、均充电方法对蓄电池寿命影响
    均充电是为了防止某些蓄电池因容量、端压不一致而进行补充电。一般做法是将浮充电压提高0.05~0.07V/℃,但最高不得超过2.35V。由于在均衡充电时气体产生量比浮充充电时多几十倍,所以充电时间不能太长,以避免盈余气体影响氧再复合效率,使失水量增加,而且使板栅腐蚀速度增加,从而损坏电池。一般对于新电池或状态较电池,均充充电时电压应相对较低,而对于使用时间较长或者性能较差电池,均充电压可适当升高。
6、蓄电池容量检测中注意问题
    蓄电池容量测试受到实际操作条件影响,如在非标准条件(如放电倍率、溶液温度等)下检测时,应先换算成标准情况下容量,以便在此基础上进行分析研究和比较判断,不过对于普通维护人员,换算工作显然比较繁杂。
    在容量检测时,操作也要谨慎,首先,应了解直流供电和市电供电情况,油机发电机能否启动。检测时应时时注意直流供电系统情况和市电供电情况,一旦发现不正常,应立即停止蓄电池容量检测工作,恢复整流器正常输出,以免影响正常供电。
四、传统蓄电池维护测试技术发展历程及效果分析
1、早期蓄电池电压测量法
    浮充电压的设置对电池的寿命具有相当重要的影响。在理论上要求浮充电压产生的电流量是以补偿电池的自放电。浮充电压过高会引起电池正极腐蚀和失水,使电池容量下降,而浮充电压过低,也会使电池充电不足,引起电池落后,严重时会出现电极硫酸盐化。浮充电压的选择可以根据厂家说明书的要求而设定。
    蓄电池性能状态最终体现在电池容量与落后程度上,电池电压可以在一定程度上反映出电池性能坏,当电池放电到一定程度后,其电压值便开始明显降低,在早期电池维护中,由于测试仪器匮乏,维护人员普遍采用万用表对电池电压进行测量,通过电压高低来简单判断电池性能坏,虽然测量浮充电压并及时作出调整是蓄电池日常维护的一项重要工作,但是测量浮充电压并不能准确的找出落后单体电池,而电池实际放电能力只能通过电池实际容量反映出来。实际操作中,我们经常会发现,在浮充状态下,坏电池或者落后电池与正常电池电压没有太明显区别,也没有太规律性可言,大量研究实践证明,即便是浅度放电状态,单纯通过电压高低完全不足以判别电池性能为落后。
2、核对放电法
    容量试验是检测电池容量最直接、最可靠方法,长期以来,蓄电池放电试验主要沿用以下两种方式:一是利用实际负载进行核对性放电试验,二是利用传统电阻箱进行放电试验。传统电阻箱放电容量试验,蓄电池组须脱离系统,利用电阻箱对电池组进行放电试验,经过数小时后,可以找出最落后一到几节电池,以落后电池到达终止电压时放电时间与放电电流来估算其容量,并以此容量作为整组电池容量。
    传统核对放电设备普遍采用电阻丝或者水阻进行核对放电,并且是人工操作,程序繁琐,存在一定人身危险,这种传统核对性放电试验方式是最符合蓄电池的工作机理的,随着科学技术的发展,自动控制技术的得以实现,新型智能控制的核对放电技术让我们的蓄电池维护上了一个新的台阶,以保证电池组恒流放电。
    电池实际容量最准确方法是通过放电检测手段来进行,国家有关电源维护规程中核对放电试验目前仍是唯一被公认测试剩余容量最有效方法,它是衡量蓄电池在关键时刻能否发挥作用,确保设备安全与生产正常重要手段。同时由于核对放电本身可以对电池起到一定维护作用,所以,核对放电是其他设备暂时还不能替代。不过它也存在一些缺点,主要表现为:
——核对放电时间长,电池组须脱离系统,蓄电池组所存储化学能全部以热能形式消耗掉,浪费了电能;
——进行核对性放电试验,必须具备一定条件,首先,尽可能在市电基本保障条件下进行;其次有备用电池组,所以,更适于具备一主一备电池组结构。
——目前,核对放电只能测试整组电池容量,不能测试每一节单体电池容量,以容量最低一节作为整组容量,而其他部分电池的劣化或落后程度需要剔除后再放电才可准确判断出来容量。
频繁地对蓄电池进行深放电,会产生硫酸铅沉淀,导致极板硫酸化,容量下降,电池落后,因此,不适宜对铅酸蓄电池频繁进行深放电。
    所以,核对放电只能对蓄电池进行定期维护,无法满足日常维护需要。
3、内阻测量法
    目前国际上蓄电池维护专家们已经研究出了一种用内阻测试方法检测电池性能,藉此判断电池的实有容量。VRLA电池的电阻组成是复杂的,包含了电池的欧姆电阻,浓差极化电阻,电化学反应电阻及双层电容充电时的干扰作用。在不同的量测点和不同的时刻测得的电阻值包含的组成也是不同的。
剩余容量和电池内阻有一定的固定关系,特别在剩余容量低于80%时,内阻开始出现拐点,之后随容量的下降内阻会迅速增大,因而根据电池的内阻值来判断电池容量有很好的一致性。
五、容量测试技术发展趋势
    在各地区实际应用中,阀控式蓄电池使用寿命是否终结主要判据为,电池剩余容量是否满足设备的工作要求,在电力、电信、航空等领域有关维护规程都已经要求不小于80%容量。随着广大电池维护工作者对电池构造、工艺、工作原理认识逐步深入,早期那种单纯靠电池端电压来了解电池性能方法已经被淘汰,而依据内阻的在线和离线测试手段,对电池达到了特性参数的监控但达不到维护的目的,所以,电池组以一年一度或者三年一度核对放电测试不可少。
    针对目前实际情况,包括广大蓄电池制造厂家、蓄电池测试技术研究机构,以及广大蓄电池维护人员而言,都在积极探索一种快速、准确、可靠、安全蓄电池测试技术。特别对于广大现场维护工程师而言,这种需求更显迫切。
    遗憾是,蓄电池是一种非常复杂设备,对它进行快速准确容量测试是非常困难。从蓄电池性能与容量测试技术、测试效果角度来看,作者认为可以将蓄电池在线测试技术归纳为定性测试技术。之前讲到包括内阻法、电压测量法等,也都可以归之为一个技术大类,即定性测试技术类。而核对放电技术可以归之为定量测试技术类。定性测试技术侧重点在于给我们提供一个蓄电池性能状态参考,不需要准确测算整组电池或每节单体电池实际容量指标,就能准确的反应电池的性能好坏,这样就不会给客户造成误导,这是至关重要。
    对电池组进行实际容量测试目在于能够准确掌握电池组实际放电能力,根据国家有关电源维护规程以及蓄电池维护效果要求,电池组荷电容量达不到80%便应整组淘汰,但是,一般客户在使用过程中,即便电池容量只有60%,有甚至只有40%也还在继续使用,更有相对落后地区,电池组实际容量甚至不到20%,这是非常危险,一旦市电突然中断,造成后果可想而知。出现这个情况原因首先是由于蓄电池更换费用昂贵,其次是我们一线工程师没有一种有效手段可以及时、准确、可靠地掌握电池的实际特性状态。在这种情况下,我们认为蓄电池内阻测试技术与产品推出有效的解决目前困扰电池测试领域一个世界性难题。
    谈到内阻测试,目前也有不同的方法,有直流法、交流法等,哪种方法比较实用,随着我们一线工程师对蓄电池维护工作的不断深入研究,将不断实际应用中得到很好的检验。
六、结语
    目前国内市电供电状况虽已经得到逐步改善,但全国范围内用电情况仍处于紧张状态,因此,今后供电保障状况将重中之重,蓄电池使用环境将更恶劣,如何确保设备的安全运行,提高设备的可靠性,提升服务质量,同时又经济合理配置设备是各电源专家们面临一个课题,而如何延长蓄电池供电时间和使用寿命是该课题一个最主要内容。当然影响蓄电池寿命因素很多,可靠的测试仪器、有效的测试方法,是及时地发现蓄电池所出现问题并解决问题的最好手段,只有这样才能确保设备的运行安全。


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