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在直流供电系统中,后备蓄电池组是整个通信供电系统的最后一道供电保障防线,又是电源维护工作的重点与难点,在通信设备供电中断的事故中,由蓄电池组引发的故障所占比重较大。其原因之一是蓄电池内部结构的复杂性及不可预见性;其次是蓄电池组受环境温度、温度补偿、浮充电压、充电电流和电池的深浅放电等诸多因素的影响。到目前为止,除了对蓄电池容量放电实验外,很难对蓄电池组性能进行全面定性、定量的测试分析,特别是蓄电池组引发的障碍一旦发生,将会造成直流供电系统中断的事故。因此,为确保通信网络的供电安全,必须根据阀控密封铅酸(VRLA)蓄电池的特点及科学有效的维护,确保通信设备直流供电安全、稳定、节能、环保。
1 VRLA蓄电池的结构和特点
(1)VRLA蓄电池的结构
VRLA蓄电池的基本结构是由正负极板、超细玻璃纤维隔膜、电解液、安全阀、导电端子以及壳盖、壳体组成,如图1所示。正负极板是电化学反应的区域,在板栅上敷涂铅膏经过固化、化成等工艺处理后形成。正极板有效成分为二氧化铅,负极板有效成分为海绵状铅。隔板为孔率在93%以上超细玻璃纤维组成。安全阀是一种排气装置,释放多余的气体来保持电池的气密性和液密性,并保持电池内部压力在最佳的安全范围内。电池端子与负载连接起到传导电流的作用,电池槽和外壳是由阻燃材料ABS或PP等树脂材料构成。
(2)VRLA蓄电池的特点
VRLA蓄电池在充电过程中,负极反应近似为还原反应,所以负极也称为阴极。VRLA蓄电池电池负极活性物质相对于正极有盈余,超细隔板透气性好,能吸附全部电解液,使电解液在蓄电池内部无流动性,同时又有自动开、闭的安全阀,保证了正极产生的氧气,在蓄电池内部以循环的方式被阴极吸收,即称为阴极吸附式原理。由于VRLA蓄电池具有独特的内部设计结构,保证了电池内部氧气循环复合的有效建立。在传统消氢和防酸隔爆铅酸蓄电池的基础上进行了改进,已成为一种新型的换代产品,并广泛地应用于通信行业。它与消氢和防酸隔爆式蓄电池相比,具有以下几个特点:电池在密封贫液状态下运行;不需要补酸和添加蒸馏水,无需测量电解液比重,电池内部使用了不流动电解液;有效防止了电解液分层,自放电率小,在标准温度下每月自放电小于3%,可以立放和卧放两个方向放置;能与通信设备同室安装,采用陶瓷过滤器基本无酸雾逸出;不漏液、不腐蚀设备,对环境污染小,但运行时对环境温度和浮充电压要求较严;没有记忆效应;比能量较高,具有大电流放电能力。
2 VRLA蓄电池的充、放电性能
VRLA蓄电池的充电可分为浮充式、恒压限流式和递增电压式三种,在电池放电时间短或补偿电池内部自放电而产生的容量损失时,采用浮充方式充电。当电池放电时间较长,蓄电池容量损失较大或同组电池中各单体电池端电压差大于100mV时,应采用恒压限流式或递增电压式充电。递增电压式也就是充电电压值小于或等于均充电压值。但是,若环境温度过高,造成蓄电池内阻变化,则浮充电压提高,导致充电电流增大,造成蓄电池失水过快,蓄电池容量下降,使蓄电池寿命缩短。所以浮充电压必须随温度的变化进行相应补偿,标准温度为25℃时,一般温度每增加或减少1℃,则浮充电压应减少或增加1～3mV。对于枢纽楼环境温度较好,电池温度补偿电压应设定每度补偿1mV为佳。
VRLA蓄电池放电时,可分为放电时间率和放电电流率两种放电规则,放电时间率是在一定的放电条件下,放电到终止的时间长短,放电时间率有20、10、5、3、1、0.5小时率。而放电电流率,是比较标称容量不同的蓄电池放电电流大小而定的,通常以10h电流放电率为标准,即蓄电池在标准温度25℃时,按10小时率电流放电到电池端电压为1.8V/只,电池所能达到的容量为电池的额定容量。
3 影响VRLA蓄电池的重要因素
(1)温度对VRLA蓄电池的影响
VRLA蓄电池在浮充状态下,电池内部产生的气体通过氧复合反应被负极板吸收变成水回到电池内部,不会使电解液枯竭引起容量降低。但环境温度偏离标准温度而升高时,将使电池水分子过度损失,提高了电解液浓度,从而加速合金腐蚀速度。若长期处于这一环境中,蓄电池正、负极板板栅慢慢穿孔损坏,易使活性物质附着能力减弱而脱落。所以,环境温度的升高,虽使容量有所增加,但高温又会使蓄电池正、负极板腐蚀剧增,严重地影响电极反应速度,同时环境温度过高时,蓄电池内部气体产生的压力增加。当蓄电池内部压力到10～35kPa时,蓄电池安全阀打开,内部水分子损失,降低了电池的额定容量,影响蓄电池的使用寿命。所以要求电池室标准温度保持在20～25℃,若环境温度高于标准温度10℃,则电池寿命将降低一半。
(2)浮充电压对VRLA蓄电池的影响
由于环境温度变化,将引起参加反应的离子数、PbSO4溶解度、溶解速率等的变化,同时将引起电池内阻的变化,从而导致浮充电压随之变化。VRLA蓄电池浮充电压过高,会使正极的析出量增加,气体再化合效率低,蓄电池内部压力升高,在形成气泡的过程中,气压强力冲击正极板栅,使正极板栅腐蚀,活性物质与板栅结合力变差,甚至脱落。这样,影响正极活性物质的使用寿命,使电池的容量下降,而且使气阀开启次数增加,蓄电池内部水分丧失,导致蓄电池容量下降。同时由于VRLA蓄电池结构上的密封性,又无游离电液,导致其散热条件比普通电池的散热条件要差。因而VRLA蓄电池对环境温度变化引起的电池过充电更为严重。
若VRLA蓄电池浮充电压过低,会使蓄电池经常处于欠充电状态,负极就会逐渐形成一种坚硬的硫酸铅枝体结晶,该晶体几乎不溶解,用常规方法充电很难使它转化为有效的活性物质,进而大大减少了蓄电池的实际容量,从而使蓄电池在放电时放不到额定容量。一旦市电停电,柴油发电机组未及时起动,通信设备供电将中断,后果不堪设想。
(3) 浮充电流对VRLA蓄电池的影响
由于VRLA蓄电池在浮充工作时,其负极电位近似为开路平衡电极电位,浮充电流值仅与正极电位和环境温度有关,所以在同一浮充电压下,浮充电流会随温度的升高而增大,虽然各蓄电池厂家浮充电压与浮充电流和环境温度的特性略有不同,但是浮充电流是随浮充电压的增大而增加的,浮充电流随环境的温度升高而增加。这种现象可以从开关电源监控模块电池充电电流显示出来,它与用数字钳型电流表测试的数据一样,所以开关电源监控模块对电池组必须按0.1C10设定浮充限流值。
4 VRLA蓄电池安装时应该注意的事项
虽然VRLA蓄电池出厂时,极板都进行了充、放电活化。但如果蓄电池的安装日期距出厂日期时间较长,经过长期的自放电,容量必然大量损失,靠单纯的浮充难以恢复其初始容量。并且,由于单体蓄电池自放电大小的差异,致使各蓄电池的端电压出现不均衡,个别电池会进一步扩展成落后电池甚至出现反极现象,所以VRLA蓄电池搁置三个月不用,必须进行补充电。
新蓄电池安装前测量开路电压,开路电压差值不大于20mV,并做好蓄电池测试纪录。此后应对其进行补充充电,在2.35V的补充充电电压下充电24h、2.40V充电12h,充电后期充电电流小于蓄电池10小时率的千分之三,测量单体蓄电池电压并纪录,此时蓄电池补充充电完成,断开蓄电池与充电设备的所有连接线。静置2～4h后,用假负载对蓄电池按10小时率进行容量试验,试验时每小时对蓄电池的总电压、放电电流、单体蓄电池电压进行记录,蓄电池放电后期,每10min检测单体蓄电池电压低的电池,若某只蓄电池端电压低到1.8V,应马上停止放电。计算出实际蓄电池放出的容量和蓄电池容量与温度关系曲线是否一致,若基本一致,证明蓄电池放电试验合格。
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