核心局密封式阀控铅酸蓄电池的安全维护和管理

在核心动力机房直流供电系统中,阀控式密封铅酸电池组是整个通信直流供电系统的最后一道保障防线,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,由电池组引发的故障所占比重较大。

一、密封式阀控铅酸蓄电池的原理、结构和特点
　　
　　1.1密封式阀控铅酸电池的工作原理
　　
　　电池的基本原理是由正极、负极、电解质、隔离物和容器组成的,其中正、负两极的活性物质和电解质起电化反应,对电池产生电流起着主要作用,图1示出了电化学反应区和反应式。

　　在电极和电解液的接触面有电极电位产生,不同的两极活性物质产生不同的电极电位,有着较高电位的电极叫做正极,有着较低电位的电极叫做负极,这样在正、负极之间产生了电位差,当外电路接通时,就有电流从正极经过外电路流向负极,再由负极经过内电路流向正极,电池向外电路输送电流的过程,就是电池的放电过程。
　　
　　电池放电以后,用外来直流电源以适当的反向电流通入,可以使已形成的新化合物还原成为原来的活性物质,而电池又能放电,这种用反向电流使活性物质还原的过程就是电池的充电过程。
　　
　　电解液全部吸附在隔板和极板中,负极活性物质(海绵状铅)在潮湿条件下活性很高,能与氧气快速反应。充电过程中,正极板产生的氧气通过隔板扩散到负极板,与负极活性物质快速反应,化合成水。因此,在整个使用过程中,不需要添加蒸馏水和补充稀硫酸。
　　
　　1.2 密封式阀控铅酸电池的基本结构
　　
　　电池的基本结构是由正负极板、超细玻璃纤维隔板、电解液、安全阀、导电端子以及壳盖、壳体组成。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等树脂材料组成。
　　
　　1.3 密封式阀控铅酸电池的特点
　　
　　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。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,在蓄电池内部循环的方式被阴极吸收,即称为阴极吸附式原理。由于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。
　　
　　具有以下几个特点:电池在密封贫液状态下运行;不需要补充稀硫酸和添加蒸馏水,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,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,没有记忆效应。
　　
　　二、阀控式密封铅酸蓄电池的充、放电性能
　　
　　电池充电时,可分为浮充、均充限流方式,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,采用浮充充电方式。当电池放电时间较长,蓄电池容量消耗电量较大或同组电池中浮充时各单体电池端电压差大于90mV时,应采用均充限流放式充电调整。
　　
　　但是,若环境温度过高,造成蓄电池内阻的变化,则浮充电压提高,导致充电电流增大,会造成蓄电池失水过快,蓄电池容量下降,使蓄电池寿命的缩短,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℃,一般温度每增加或减少1℃,则浮充电压应减少或增加1～3mV(每个单体),48V电池组补偿24～72mV。对于核心局环境温度较好,电池温度补偿电压应设定每度补偿1mV/单体为佳。
　　
　　电池组放电时,可分为放电时间率和放电电流率,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10、5、3、1小时率。而放电电流率,是比较标称容量不同的电池放电电流大小而定的,通常以10小时电流放电率为标准,即电池在标准温度25℃时,按10小时电流放电到电池端电压为1.8V/只,电池组所能达到的容量为电池组的额定容量。
　　
　　三、影响密封式阀控铅酸蓄电池的重要因素
　　
　　3.1 温度对电池的影响
　　
　　电池若在低温下工作,电解液扩散能力变差,粘度增大,电池内阻增加,容量降低。实践证明,温度低于一定值时,负极容量比正极容量降低得更快,尤其是大电流放电时更为明显,以25℃时的电解液为标准,当电解液的温度在10℃～35℃范围内,每升高1℃时,电池容量将增大0.8%,温度每降低1℃时,容量平均降低约0.7%。
　　
　　同时电池在浮充状态下,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,加速了合金腐蚀速度,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。所以要求电池室应在20～25℃,若温度大于标准温度10℃,则电池寿命将降低一半。
　　
　　3.2 浮充电压对电池的影响
　　
　　浮充电压过低时,电池长期处于欠充电状态,极板深处的活性物质不能参与化学反应,因而在活性物质与板栅之间形成高电阻层,电池的内阻增大,容量下降。
　　
　　浮充电压过高时,一方面,电池将长期处于过充电状态,电池内产生的气体量增加,安全阀经常处于开阀状态,电解液中的水分大量损失。通常,水分损失15%,电池的容量就减小15%。另一方面,随着充电电流的增大,极板腐蚀速度加快,蓄电池的寿命相对缩短。
　　
　　同时由于环境温度变化,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。电池组浮充电压过高,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,在形成气体的过程中,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,蓄电池内部水分损失,导致蓄电池容量下降。同时由于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。因而电池对环境温度变化引起的电池过充电更为严重。
　　
　　若电池浮充电压过低,会使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,进而大大减少了电池的实际容量,使电池在放电时放不出额定容量。
　　
　　3.3 浮充电流对电池的影响
　　
　　由于电池在浮充工作时,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组充电电流显示出来,所以一定在开关电源监控模块设置好电池组浮充状态下的限流值。
　　
　　四、阀控式密封铅酸电池工作的环境及其温度补偿
　　
　　如上所述,温度和浮充电压的变化将给电池带来严重危害,造成蓄电池过量腐蚀、极板过度腐蚀或水分过量流失,从而使寿命锐减或容量陡降。为解决这一关键性问题,电池组的温度补偿问题必须密切关注,电池组必须与具有温度补偿功能的智能型开关电源配套使用。其实目前大多数智能型开关电源都有温度补偿功能,但由于未引起重视而使该功能长期处于取消状态,造成不必要的损失。
　　
　　电池应工作在适宜的环境温度下,环境温度对电池的放电容量、寿命、自放电、内阻等方面都有较大影响。开关电源都有电池温度补偿功能,每度每只单体电池补偿1～3mV。对于枢纽楼由于冬季和夏季环境温度在20～25℃之间,电池组的温度补偿应该设定为1mV为佳;而对于环境差的综合接入局和基站电池组的温度补偿应该设定为3mV;对于大型UPS电池组,由于UPS的稳压精度为±1%,电压波动大,最好不加温度补偿功能为好。总之,电池的最佳工作环境温度为20～25℃。
　　
　　开关电源监控模块接入电池组的温度传感器应尽可能放置在最接近每组电池温度最高点的地方,建议将其放置在每组电池组的中间位置的电池上。当启动电池组温度补偿功能之后,浮充电压和均衡电压都按照以下方式进行补偿:
　　
　　Utc=Un-TC×N(T-20)
　　
　　Utc-经温度补偿后的浮充或均充电压;
　　
　　Un-未经补偿的电压,即开关电源设置的浮充或均充电压;
　　
　　TC-在监控模块前面板上设置的补偿系数,单位:mV/℃;
　　
　　N-每组电池的只数,对于48V系统为24节,
　　
　　T-温度传感器指示的温度(单位:℃)。温度补偿功能的温度有效范围是:10～35℃。
　　
　　监控模块的面板上有“设定系数”按键,按设定系数按键后,监控模块上的字母数字显示器将显示当前的补偿系数,该值可以通过“增加”、“减小”和“确认”键进行修改,电池组温度补偿系数的范围在0.1～5mV/℃(单体电池)可以调整。
　　
　　当监控模块检测到电池组的温度与设定的温度相比有差异时,监控模块能够根据上述方程式设定的反比例关系对输出电压进行调整,浮充电压会自动跟随电池温度变化而进行补偿。所以,由于电池独有的特性,应采取相应的维护管理措施,而解决电池温度补偿问题,是根据环境温度对电池组电压补偿最简单有效的方法,也是提高电池使用年限,保障供电安全的最佳选择。
　　
　　五、密封式阀控铅酸蓄电池安装时注意事项
　　
　　虽然电池出厂时,极板都进行了充、放电活化。但如果电池的安装日期距出厂日期时间较长,经过长期的自身放电,容量必然损失,靠单纯的浮充难以恢复其初始容量。并且,由于单体电池自放电大小的差异,致使各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,所以电池搁置三个月不用必须进行补充电。
　　
　　新电池安装前测量开路电压,开路电压差值不大于20mV,并做好单体电池测试纪录。此后应对电池组进行补充充电,补充电电压为2.35V充电24h、2.40V充电12h,充电后期充电电流小于电池组10h放电率的千分之三,测量单体电池电压并纪录,此时电池补充充电完成,断开电池组与充电设备的所有连接线,静置2～4h后。根据环境温度不同,计算出电池组实际应该放电容量为多少,计算公式C25=Ct/1+k(t-25),其中k是温度系数,10小时率容量试验时k=0.006/℃,计算出实际温度下的电池容量。
　　
　　全在线充、放电过程为:被测电池组的正极与全在线(充)放电设备串联,不需要调整开关电源的浮充电压值,使被测电池组所在支路的电压略高出开关电源输出(有智能电池组充、放电仪自动调整),另一组电池仍在浮充电压状态下备用,容量实验的电池组对实际负荷进行放电,放电过程中被测电池组电压随着放电时间的变化而逐渐下降,通过全在线(充)放电设备进行自动电压补偿调整,保证被测电池组始终保持恒定电流0.1C10状态下放电,当电池组放电终止即单体电压1.8V、容量2000AH、时间10小时和电池组组电压43.2V。四个指标达一个指标,即预期所设置的放电门限值时,放电自动结束。自动转入对被测电池组的全在线充电恢复过程,以消除两组电池之间存在的电压差,并引导在线开关电源输出电流的增大,经过充电、等电位控制保护电路自动对被测放电后的电池组进行0.1C10限流充电,自动完成在线等电位连接,恢复系统的正常连接,当该电池组全在线充电完成后,结束电池组充电恢复等电位连接过程。实现了该电池组在线充、放电实验完成,了解新安装该电池组的实际容量。
　　
　　全在线充、放电设备串接电池组进行的操作过程中,拆、接线只在电池组正极,无须拆电池组负极,只在负极接一根放电设备的工作电源线,操作过程不存在短路风险。充、放电全部在线自动运行,测试记录自动进行存储,被测电池组按0.1C10率直接对负载放电和对电池组充电,无线采集充、放电池组数据无须值守,同时通过软件分析直观的查看电池组的实际容量。
　　
　　如图2所示为新安装2000Ah的电池组容量实验。表1给出了单体电池容量数据,从表中可以看出该电池的技术数据都达到了用户的要求。

    图3就是实验得出的电池的容量分析和单体电压特性曲线,表2给出了单体电压的实验数据,从而得出了图4的电池组总电压曲线和图5的恒流放电曲线和时间。

　　六、阀控式密封铅酸蓄电池的核对性放电试验和容量放电试验
　　
　　6.1电池组的核对性放电试验
　　
　　电池组端电压的测量不能只在浮充状态,还应在放电状态下进行。端电压是反映单体电池工作状况好坏的一个重要参数。浮充状态下进行电池端电压测量,由于外加电压的存在,测量出的电池端电压易造成假象。即使有些单体电池断路也能测量出正常数值,实际上是外加电压在该单体电池两端造成的电压差。
　　
　　当市电停电时,电池组若有问题则放电时间很短,造成通信阻断故障。根据联通动力维护规程每年定期对电池组进行一次带实际负载的核对性放电试验,根据环境温度计算出电池组的实际容量,放出电池组实际容量的30%～40%,并利用电池监控系统对电池组、单体电池和实际负载电流数据进行检测分析,截屏打印存档,同时检查电池连接条接触情况,对电池组连接条有松动的进行紧固,确保电池组安全稳定地运行。图6给出了电池组核对性放电前截图,图7是电池组核对性放电完成后截图。

　　6.2电池组的容量放电试验
　　
　　目前核心局电源直流供电系统,开关电源与电池组为并联浮充供电方式,因为没有开关电源备用充电设备,电池组无法脱离供电系统进行容量实验,只能用智能在线充、放电仪单组对电池在线容量试验。
　　
　　根据联通动力维护规程要求,核心局在线运行的电池组,每三年对电池组进行容量试验,电池组使用6年后每年进行容量试验一次,在这种情况下电池组只能用智能在线充、放电仪进行容量实验。同时首先对柴油发电机组进行试机检查,确保柴油发电机组供电正常,然后以10小时率放电电流为0.1C10放电。按10小时率进行电池组放电容量试验,放出容量的80%以上最佳。例如:使用三年的电池组运行情况如表3所示:

      　　
　　从图8至图11及从表4至表5都给出了详细的实验数据。
　　

　七、阀控式密封铅酸蓄电池组浮充电压和充电限流的设定
　　
　　电池目前多采用在线浮充方式运行,在线电池组的浮充电压必须保持恒定电压,在该恒定电压工作下,充电电量应该足以补偿电池组由于本身自放电而损失的电量及氧循环的需要,保证短时间内使放电的电池组充足所需电量,使蓄电池在浮充情况下长期处于充足电状态,该浮充电压的设定值即满足用电设备的供电电压的要求,又满足蓄电池浮充电压需要,也使电池因过充电所造成的损坏程度最低,所以必须设定好开关电源的浮充电压、充电限流数值和开关电源模块个数,以达到双重浮充限流安全系数,以确保蓄电池运行在最佳状态下,延长电池使用年限,节约维护投资成本。
　　
　　具体操作方法:核心局电源机房电池组的浮充限流设置,核心局为有人值守机房,两路市电引入,一台柴油发电机组为备有电源,事故停电极少。直流供电系统负载电流为800A,电池组2000Ah两组,开关整流模块100A的14块,环境温度保持在20～25℃之间。由于两路市电停电后,可以在15min内起动油机发电,为了使开关电源工作在最佳效率状态,同时为了节约电能,对开关电源监控模块充电限流设置为0.05C10,即每组电池充电电流为100A,开关整流模块开启12块,使每个整流模块工作在额定输出电流在50%以上。
　　
　　八、阀控式密封铅酸蓄电池组的维护
　　
　　8.1电池的运行环境要求
　　
　　电池运行环境要求:安装该电池的机房应配有通风换气装置,温度不宜超过28℃,建议环境温度保持在20～25℃之间。避免阳光对电池直射,朝阳窗户应作遮阳处理。确保电池组之间预留足够的维护空间。UPS等使用的高电压电池组的维护通道应铺设绝缘胶垫。
　　
　　8.2电池组使用的注意事项
　　
　　不同规格、型号和使用寿命不同的蓄电池禁止在同一直流供电系统中使用,新旧程度不同的蓄电池不应在同一直流供电系统中混用。如具备动力及环境集中监控系统,应通过动力及环境集中监控系统对电池组的总电压、电流、单体电池电压、单体电池内阻及温度进行监测,并定期对蓄电池组进行检测。通过电池监测装置了解电池充放电曲线及性能,发现故障及时处理。
　　
　　8.3电池组经常检查的项目
　　
　　电池组应经常检查极柱、连接条是否清洁;有否损伤、变形或腐蚀现象;连接处有无松动,电池极柱处有否爬酸、漏液;安全阀周围是否有酸雾、酸液溢出;电池壳体有无损伤、渗漏和变形,电池及连接处温升有否异常。根据厂家提供的技术参数和现场环境条件,检查电池组均、浮充电压是否满足要求,浮充电流是否稳定在正常范围。检测电池组的充电限流值设置是否正确。检测电池组的低压告警、高压告警设置是否正确。
　　
　　8.4电池组均衡充电的注意事项
　　
　　池组的均衡充电:一般情况下,密封蓄电池组遇有下列情况之一时,应进行均衡充,均衡充电电流不应大于0.1C10:浮充电压有两只以上低于2.18V/只,搁置不用时间超过三个月。放电深度超过额定容量的20%。如有特殊技术要求的,按厂家产品技术说明书要求为准,均衡充电时电压设定值不能高于通信设备电压上限值。一般开关电源均衡充电电压设定56.4V为最佳。
　　
　　电池组充电终止的判据,达到下述三个条件之一者,可视为充电终止:充电量不小于放出电量的1.2倍;充电后期充电电流小于0.01C10;充电后期,充电电流连续3小时不变化。
　　
　　8.5电池组的核对性放电和容量试验
　　
　　电池组每年在线做一次核对性放电试验放出额定容量的30%～40%,每三年应在线做一次容量试验。使用6年后应每年一次。蓄电池放电期间,应定时测量供电系统电压和单体蓄电池端电压及单组放电电流,并利用蓄电池监控系统对蓄电池进行记录、分析并打印存档。对于核对放电试验,根据温度放出额定容量的30%～40%。对于容量试验,根据温度放出容量的80%以上。电池组中任意单体达到放电终止电压1.8V停止放电。已确保电池组在线核对性放电和容量试验情况下,供电系统安全可靠。
　　
　　8.6电池组浮充运行标准
　　
　　电池组平时处于浮充状态,电池组的浮充电压严格按照厂家说明书要求设置。一般蓄电池的浮充电压为2.23～2.27V之间(25℃,每2V单体),温度补偿U=Ua(25℃)+(25-t)*0.003(t为环境温度)。浮充是全组各电池端电压的最大差值不大于90mV。每月测量蓄电池浮充电压、浮充电流和单体电池的端电压,并按照联通动力维护规程记录在维护系统的电子表格中。
　　
　　作者简介
　　
　　武亚波,中国联合网络通信有限公司廊坊市分公司电源主管,本刊编委。
　　
　　邢殿辉,电气工程专业研究生学历,工程师,中国联通集团云网运营中心电源主管。
　　
　　王滨,计算机科学与技术本科学历,工程师,中国铁塔股份有限公司廊坊市分公司、铁塔能源有限公司河北分公司从事动环及能源工作20余年。
　　
　　庞军,中级工程师,中国铁塔股份有限公司廊坊市分公司运营维护部经理。
　　

 作者：邢殿辉 武亚波 庞军 王滨   来源：《数据中心建设+》杂志