德国银杉阀控密封式铅酸蓄电池的原理及其运行维护

阀控密封式铅酸蓄电池(以下简称为阀控蓄电池)，具有体积小、运用安全性高、放电功用好、保护量小等特色，使其在许多使用领域敏捷取代了传统的防酸隔爆式蓄电池。阀控蓄电池的规划寿数一般大于5年，最长可以抵达20年以上，可是因为其结构特色，阀控蓄电池的功率和寿数比传统的防酸隔爆蓄电池更容易受环境的改变、运用条件等要素的影响。MICHAEL R．MOORE经过对超越7万5千只阀控蓄电池近10年的研究标明，阀控蓄电池的实际运用寿数为4～8年，远低于其10～20年的规划运用寿数。因而有必要从阀控蓄电池的原理动身，论述各种影响蓄电池容量和寿数的要素，以便可以对蓄电池进行更好地保护，延伸其运用寿数，下降因蓄电池失效所带来的安全危险。 l 阀控蓄电池开展 MF、SLA、VRLA都是国内外对阀控蓄电池连续运用过的称谓。MF(Maintenance—Free)是免保护蓄电池的简称；SLA(Sealed Lead—AcidBattery)是密封铅酸蓄电池的简称；VRLA(ValveRegulated Lead—Acid Battery)直译应为阀控式铅酸蓄电池，在一些文献中也选用了其直译名称，国标GBT 19638．2—2005固定型阀控密封式铅酸蓄电池中译为阀控密封式铅酸蓄电池。这是阀控蓄电池的当今的名称。从MF、SLA到VRLA，不仅是名称的改变，也说明了阀控蓄电池的开展进程。 早期的“免保护蓄电池”MF，是指蓄电池所用期不需加水、补酸。蓄电池免保护技术的使用可追溯到20世纪30年代。1935年美国为军用的意图，首次将Pb—Ca合金栅使用于需求低自放电率(浮充)场合。70年代中期，美国的Gates公司推出了现代MF电池。80年代，因为先进的冶金、化工新技术引进电池行业中使MF电池愈加完善，呈现了SLA一密封铅酸蓄电池的称谓。SLA除了选用电池内部气体复合技术外，还对电池结构进行了改善，选用单向气阀，使电池抵达密封。随着排气阀(安全阀)的日益完善，特别是有比较准确的开、闭阀压力，阀成了气体复合与防泄漏、密封的首要部件。因而称为VRLA(ValVe Regulated Lead—Acid Battery)阀控密封式铅酸蓄电池 2 运转保护规范 阀控蓄电池的运转保护规范首要有IEEE规范、行业规范和企业规范。IEEE(电气和电子工程师协会)1996年发布了IEEE规范1188一1996 IEEE推荐的对固定运用的阀控蓄电池的保护、实验和替换规范，2005年对该规范进行了修订后重新发布。修订改动内容不多，首要对其中蓄电池核定性充放电周期、内阻(电导)测验等部分做了调整。我国2000年发布了电力行业规范，DL／T724—2000电力体系用蓄电池直流电源设备运转与保护技术规程。国家电网公司2004年底发布了企业内部的《直流电源体系管理规范》，其中包含了对阀控蓄电池的运转保护的规则。 3 原理、结构及其特色 1)阀控蓄电池的结构和原理 阀控蓄电池由极板、隔板、防爆帽、外壳等部分组成，选用全密封、贫液式结构和阴极吸附式原理，在电池内部经过完成氧气与氢气的再化合，抵达全密封的作用。阀控蓄电池按固定硫酸电解液的办法不同而分为两类，即选用超细玻璃纤维隔板(AGM)来吸附电解液的吸液式电池和选用硅凝胶电解质(GEL)的胶体电池。这两类阀控蓄电池都是利用阴极吸收原理使电池得以密封的。所谓阴极吸收是让电池的负极比正极有多余的容量。当蓄电池充电时，正极会分出氧气，负极会分出氢气，正极析氧是在正极充电量抵达70％时就开端了，负极析氢则要在充电到90%时方开端，分出的氧抵达负极，跟负极起下述反响：2Pb+O2=2PbO；2PbO+2H2SO4=2PbSO4+2H2O。经过这两个反响，抵达阴极吸收的意图。再加上氧在负极上的还原作用及负极自身氢过电位的提高，然后避免了许多析氢反响。AGM密封铅蓄电池运用纯的硫酸水溶液作电解液，隔阂坚持有10％的孔隙不被电解液占有，正极生成的氧便是经过这部分孔隙抵达负极而被负极吸收的。Gel胶体密封铅蓄电池内的硅凝胶的电解液是由硅溶胶和硫酸配成的，电池灌注的硅溶胶变成凝胶后，骨架要进一步收缩，使凝胶呈现裂缝贯穿于正负极板之间，给正极分出的氧提供了抵达负极的通道。两种阀控蓄电池遵循相同的氧循环机理，所不同的仅是为氧抵达负极建立通道的办法不同。 2)阀控蓄电池的特色 与防酸隔爆式蓄电池相比，阀控蓄电池有以下特色：　　 (1)固定的电解液，增进氧气从正极向负极的扩散。 (2)内部密封结构和自动开关的安全阀。蓄电池在内部压力下作业，以促进氧气的再化合。蓄电池内部压力添加到必定程度时，安全阀自动打开排气；而当气压将低到规则极限以下时，安全阀自动关闭。 (3)改善的板栅资料。阀控蓄电池的正极板用高纯度的铅锑合金制成，负极板用高纯度的铅钙合金支撑，这样的结构可削减电腐蚀的程度 (4)较坚固的外壳。因为阀控蓄电池的外壳要承受必定的内部压力，故外壳选用高强度耐压防爆的资料制成，使得外壳愈加坚固耐用。 (5)不需加水、补酸。阀控蓄电池的阀控密封结构和内部的氧循环机制使得其电解液丢失小，在运用期间无需加水、补酸。 (6)设备占用空间小，可分层设备在电池架上或电池屏内。 (7)对环境污染小。运转期间酸雾和可燃气体逸出少。 (8)对运用环境要求较高，受环境温度影响大。 4 失效的机制 阀控蓄电池是一个复杂的电化学体系，其功用和寿数取决于制备电极的资料、工艺、活性物质的组成和结构、电池运转状况和条件等。它的失效要素首要有如下几种。 1)正极板的腐蚀 对浮充电运用的电池，板栅腐蚀是限制电池寿数的重要要素。在电池过充电状况下，正负极板上反响如下： 可见，负极产生水，下降了酸度，而正极反响产生H+，加快了正极板栅的腐蚀。阀控蓄电池中的电解液固定，在浮充进程中因为氧复合的作用，其浮充电流高于活动电解液的蓄电池，一起正极的电位也比活动电解液蓄电池中高。因而对阀控蓄电池来说其板栅腐蚀的问题尤为重要。 2)水丢失 阀控蓄电池在运用期间氧复合机制的功率不是100％，因为再化合反响不彻底及板栅腐蚀引起水的丢失，当每次充电时，因为产生气体的速率大于气体再化合速率，导致一部分气体逸出，构成水的丢失。阀控蓄电池因为其电解液不行弥补，所以失水也是其特有的失效原因之一。 3)枝状结晶生成 阀控蓄电池因为电解液不活动所以不易产生枝状晶体。但当阀控蓄电池处于过放电状况，或长时刻以放电状况放置时，枝状晶体穿透隔阂的现象仍会产生。在这种情况下，负极pH值添加，极板上生成可溶性铅颗粒，促进板状结晶生成穿透隔阂构成极间短路，使电池失效。这种失效电池的电压为零。 4)负极板硫酸盐化 负极在电池充、放电中的反响： 放电进程Pb+H2SO4—2e-→PbSO4+2H+ 充电进程Pb+1／2O2+H2SO4→PbSO4+H2O 因为白化合反响的产生，无论电池处于充电或放电状况，负板总有硫酸铅存在，使负极长时刻处于非彻底充电状况，构成不行逆硫酸铅，使电池容量削减，导致电池失效。阀控蓄电池比防酸隔爆蓄电池更易呈现负极的硫酸化。这是因为：①完成氧循环而构成的负极板较低的电位；②固定的电解液构成的电解质的分层。 5)热失控 热失控是阀控蓄电池所特有的一种失效形式热，它与闭合氧循环的机理有关。水分解为氢气和氧气的进程会产生热量，每18克水分解产生210．6千焦的热量。惯例蓄电池在充电时，除了活性物质的再生外，还有电解质中的水电解生成氢气和氧气。气体从电池内分出的进程中带走了水电解所产生的热量。阀控蓄电池在充电时内部产生的氧气流向负极，氧气在负极板使活性物质海棉状铅氧化，并有效地弥补了电解而失掉的水。这样，尽管消除了爆破性混合气体排出的问题，但这种密封结构使得热扩散削减了一种重要途径，散热只能经过电池壳壁的热传导进行。 当VRLA电池作业在浮充或彻底再化合形式的过充状况时，没有纯化学反响，简直所有过充的能量都转化成热能。假如体系周围环境能将产生的热散发并抵达平衡，那么就没有热失控问题。当再化合反响热量升高率超越了散热率，电池的温度就会升高而且需求更大的电流来坚持浮充电压。而额外的电流又引起更多的化合反响和热量产生，然后进一上使电流温度升高，并如此往复。这种纯效应加快电池干涸和内部压力的升高，严峻时会构成电池熔化或爆破起火。热失控的潜在问题会因为环境温度的升高、单体或充电体系的毛病而进一步恶化。因而电池设备时杰出的通风和适宜的环境温度很重要。为下降产生热失控的危险，充电设备的浮充电压应根据蓄电池的环境温度进行温度补偿。 5 影响寿数的首要要素 有些用户以为阀控蓄电池是免保护电池，厂家也有相似的误导宣扬。阀控蓄电池特有的氧复合机理和阀控密封的结构，尽管在必定程度上削减了它的保护作业量，但使得其比防酸隔爆蓄电池在可靠性和鲁棒性上有所下降，更容易受环境的改变、运用条件等要素的影响。过充、过放、渗液、环境温度过高、浮充电压过高级要素对阀控蓄电池的健康影响更大。 1)环境温度 环境温度过高对阀控蓄电池运用寿数的影响很大。温度升高时，蓄电池的极板腐蚀将加重，一起将耗费更多的水，然后使电池寿数缩短。阀控蓄电在运用中对温度有必定要求。典型的阀控蓄电池高于25℃时，每升高6～9℃，电池寿数缩短一半。因而，其浮充电压应根据温度进行补偿，一般为2～4 mV／℃，而现有许多充电机没有此功用。为抵达阀控蓄电池的最佳运用寿数，应尽或许发明恒温下的运用环境，一起坚持蓄电池杰出的通风和散热条件。详细来说，安放蓄电池的房间应有空调设备。蓄电池摆放要留有恰当的间距，改善电池与环境前言的热交换。电池间坚持不小于15mm的间隙，电池与上层隔板间有不小于150mm的间距的“通风道”来下降温升。 2)过度充电 提升浮充电压，或环境温度升高，使充入电流陡升，气体再化合功率随充电电流增大而变小，如图1所示，在0．05C时复合率为90％，当电流在0．1C时，气体再化合功率近似为零。因为过充电将使产生的气体不行能彻底被再化合，然后引起电池内部压力添加，当抵达必定压力时，安全阀打开，氢气和氧气逸出，一起带出酸雾，耗费了有限的电解液，导致电池容量下降或早期失效。其次，在长时刻过充电状况下，H+添加，然后导致正极附近酸度添加，板栅腐蚀加快，使板栅变薄，加快电池的腐蚀，使电池容量下降，然后影响蓄电池的寿数。为避免产生多余的气体，阀控蓄电池对充电机稳压、限流精度提出了较高的要求。 3)过度放电或小电流放电 蓄电池过度放电首要产生在交流电源停电后，蓄电池长时刻为负载供电。当蓄电池被过度放电时，会在电池的阴极构成“硫酸盐化”。因硫酸铅是一种绝缘体，它的构成必将对蓄电池的充、放电功用产生很大的负面影响。在阴极上构成的硫酸盐越多，蓄电池的内阻越大，电池的充、放电功用就越差，蓄电池的运用寿数就越短。小电流放电条件下构成的硫酸铅，要氧化还原是十分困难的，若硫酸铅晶体长时刻得不到整理，必然会影响蓄电池的容量和运用寿数。由第4节可知，过度放电或小电流放电对阀控蓄电池的影响比对惯例蓄电池的影响更大。因而在直流体系交流电源失掉后，要紧密监督蓄电池的电压和电流，避免阀控蓄电池过度放电。为避免小电流放电，阀控蓄电池不应长时刻退出体系运转。6 运转保护 1)核对性充放电 核对性充放电能最直接地反映蓄电池的健康状况，需求定时进行。 对于阀控蓄电池核对性充放电的周期，不同规程的规则也不彻底相同。IEEE规范1188—2005(IEEE推荐的对固定运用的阀控蓄电池的保护、实验和替换规范)规则“阀控蓄电池的核对性充放电周期不大于2年，当抵达85％的规划寿数或容量小于90％后每年进行一次容量测验”。DL／17724—2000(电力体系用蓄电池直流电源设备运转与保护技术规程)和国家电网公司《直流电源体系管理规范》规则“新电池设备后每2～3年进行一次核对性实验，运转6年今后的，应每年进行一次”。从笔者对3 000余只阀控蓄电池近8年运转数据来看，4年今后容量不满足要求比率较高，产生毛病的蓄电池中运转4年以上的占80．3％。因而，主张4年内每2年进行一次核对性充放电，4年后每年进行一次核对性充放电；容量小于90％且大于等于80%的蓄电池组应每年进行一次核对性充放电；容量小于80%的蓄电池组应赶快替换，在替换前应将核对性充放电周期缩短为3个月至半年。 2)内阻测验 蓄电池的内阻是反映运转中蓄电池健康状况(SOH)的一项重要的参数，内阻值如明显的改变，标明单体电池的功用也产生明显的改变。在运转中应定时进行测验，测验周期为一季度到一年。不同的内阻仪器测验的成果误差较大，且同一蓄电池内阻进行纵向比较才与SOH有较高的相关性。因而，蓄电池投运6个月功用安稳后使用内阻测验仪记载蓄电池内阻的原始值作为基准值。在今后的运转中定时丈量蓄电池的内阻并与值相比较。当内阻值与基准值误差超越30%时就要引起留意，应选用容量测验等更准确的办法来确认蓄电池的SOH。 3)均衡充电 频频进行均衡充电都对蓄电池组晦气，详细应遵守制造厂的规则，还需求结合蓄电池组的运转状况，对其当前状况进行评估后，确认是否应进行均衡充电。不主张将直流体系的均衡充电设置为三个月自动进行。 对单个落后的蓄电池，应对单电瓶进行均衡充电处理，使其恢复容量，若处理无效，应替换。不宜选用对整组蓄电池进行均衡充电的办法处理单个落后蓄电池，避免多数正常电池被过度充电。 4)不一致性及其改善办法 蓄电池的不一致性是指同一规格型号的单体蓄电池组成电池组后，其电压、荷电量、容量及其阑珊率、内阻及其随时刻改变率、寿数、温度影响、自放电率及其随时刻改变率等参数存在必定的不同，其对外表现为串联运用时的单瓶浮充电压的不同。蓄电池即使成组前经过挑选电池的一致性较好，经过一段时刻的运用后也会呈现差异，其不一致性随着其单瓶浮充电压的不同添加而逐渐加重，呈现恶性循环，然后构成整组蓄电池寿数的下降。构成蓄电池不一致的原因首要由电池及电池组规划引起的差异、初期功用的差异、运用进程中呈现的差异等。 传统的改善蓄电池一致性的办法是整组均衡充电，这种均衡的价值是对电压高的蓄电池构成危害，尤其是阀控蓄电池因其贫液结构，易产生失水、热失控等现象。对均衡充电的改善的办法是进行单瓶的均衡充电保护，有必定的作用，但缺陷是需求将蓄电池退出体系，操作费时费力且无法底子处理问题。目前处理运转中蓄电池不一致较先进的的办法是蓄电池的自动均衡技术，其原理是在蓄电池组加装均衡器，经过外回路来强制将单瓶的充电电压差操控必定范围内，对2V的蓄电池一般操控在lOmV内。 5)阀控蓄电池的在线监测 由前面的评论可知阀控蓄电池的失效形式比惯例电池多，因而对其进行监测的必要性也愈加迫切。监测设备对阀控蓄电池的温度、电压过高，充电电流过大，单个电池短路、深度放电时单个电池电压过低等重要毛病应能及时检测并发出告警，以便及时采纳办法。随着蓄电池在线保护技术的开展，蓄电池监测体系逐渐融合了对蓄电池的保护功用，例如对蓄电池进行容量测验、在线对蓄电池组进行单瓶的内阻丈量、蓄电池的自动均衡等。 7 结束语 影响阀控蓄电池寿数的要素有许多，首要要素是温度和充电办法。了解阀控蓄电池失效的原因和影响其寿数的首要要素，便于我们根据阀控铅酸蓄电池的特色，针对影响阀控蓄电池运用寿数的首要要素，不断提高保护的水平。经过检测和保护，早期诊断来预防阀控蓄电池或许呈现的毛病，提高变电站直流体系的运转可靠性。