在核心動力機房直流供電系統中,閥控式密封鉛酸電池組是整個通信直流供電系統的最后一道保障防線,又是電源維護工作的重點與難點,在通信設備供電中斷的事故中,由電池組引發的故障所占比重較大。

一、密封式閥控鉛酸蓄電池的原理、結構和特點

1.1密封式閥控鉛酸電池的工作原理

電池的基本原理是由正極、負極、電解質、隔離物和容器組成的,其中正、負兩極的活性物質和電解質起電化反應,對電池產生電流起著主要作用,圖1示出了電化學反應區和反應式。

在電極和電解液的接觸面有電極電位產生,不同的兩極活性物質產生不同的電極電位,有著較高電位的電極叫做正極,有著較低電位的電極叫做負極,這樣在正、負極之間產生了電位差,當外電路接通時,就有電流從正極經過外電路流向負極,再由負極經過內電路流向正極,電池向外電路輸送電流的過程,就是電池的放電過程。

電池放電以后,用外來直流電源以適當的反向電流通入,可以使已形成的新化合物還原成為原來的活性物質,而電池又能放電,這種用反向電流使活性物質還原的過程就是電池的充電過程。

電解液全部吸附在隔板和極板中,負極活性物質(海綿狀鉛)在潮濕條件下活性很高,能與氧氣快速反應。充電過程中,正極板產生的氧氣通過隔板擴散到負極板,與負極活性物質快速反應,化合成水。因此,在整個使用過程中,不需要添加蒸餾水和補充稀硫酸。

1.2 密封式閥控鉛酸電池的基本結構

電池的基本結構是由正負極板、超細玻璃纖維隔板、電解液、安全閥、導電端子以及殼蓋、殼體組成。正負極板是電化學反應的區域,在板柵上敷涂鉛膏經過固化、化成等工藝處理后形成。正極板有效成分為二氧化鉛,負極板有效成分為海綿狀鉛。隔板為孔率在93%以上超細玻璃纖維組成。安全閥是一種排氣裝置,釋放多余的氣體保持電池的氣密性和液密性,并保持電池內部壓力在最佳的安全范圍內。電池端子與負載連接起到傳導電流的作用,電池槽和外殼是由阻燃材料ABS或PP等樹脂材料組成。

1.3 密封式閥控鉛酸電池的特點

電池在充電過程中,負極反應近似為還原反應,所以負極也稱為陰極。電池負極活性物質相對于正極有盈余,超細隔板透氣性好,能吸附全部電解液,使電解液在蓄電池內部無流動性,同時又有自動開、閉的安全閥,保證了正極產生的氧氣,在蓄電池內部循環的方式被陰極吸收,即稱為陰極吸附式原理。由于電池具有獨特的內部設計結構,保證了電池內部氧氣循環復合的有效建立。

具有以下幾個特點:電池在密封貧液狀態下運行;不需要補充稀硫酸和添加蒸餾水,無需測量電解液比重,電池內部使用了不流動電解液;有效防止了電解液分層,自放電率小,可以立放和臥放兩個方向放置;能與通信設備同室安裝,采用陶瓷過濾器基本無酸霧逸出;不漏液、不腐蝕設備,對環境污染小,沒有記憶效應。

二、閥控式密封鉛酸蓄電池的充、放電性能

電池充電時,可分為浮充、均充限流方式,在電池放電時間短或補償電池內部自放電而產生的容量損失時,采用浮充充電方式。當電池放電時間較長,蓄電池容量消耗電量較大或同組電池中浮充時各單體電池端電壓差大于90mV時,應采用均充限流放式充電調整。

但是,若環境溫度過高,造成蓄電池內阻的變化,則浮充電壓提高,導致充電電流增大,會造成蓄電池失水過快,蓄電池容量下降,使蓄電池壽命的縮短,所以浮充電壓必須隨溫度的變化進行相應補償,標準溫度為25℃,一般溫度每增加或減少1℃,則浮充電壓應減少或增加1～3mV(每個單體),48V電池組補償24～72mV。對于核心局環境溫度較好,電池溫度補償電壓應設定每度補償1mV/單體為佳。

電池組放電時,可分為放電時間率和放電電流率,放電時間率是在一定的放電條件下,放電到終止的時間長短,放電時間率有10、5、3、1小時率。而放電電流率,是比較標稱容量不同的電池放電電流大小而定的,通常以10小時電流放電率為標準,即電池在標準溫度25℃時,按10小時電流放電到電池端電壓為1.8V/只,電池組所能達到的容量為電池組的額定容量。

三、影響密封式閥控鉛酸蓄電池的重要因素

3.1 溫度對電池的影響

電池若在低溫下工作,電解液擴散能力變差,粘度增大,電池內阻增加,容量降低。實踐證明,溫度低于一定值時,負極容量比正極容量降低得更快,尤其是大電流放電時更為明顯,以25℃時的電解液為標準,當電解液的溫度在10℃～35℃范圍內,每升高1℃時,電池容量將增大0.8%,溫度每降低1℃時,容量平均降低約0.7%。

同時電池在浮充狀態下,電池內部產生的氣體通過氧復合反應被負極板吸收變成水回到電池內部,不會使電解液枯竭引起容量降低。但環境溫度偏離標準溫度而升高時,將使電池水分子過度損失,提高了電解液濃度,加速了合金腐蝕速度,若長期處于這一環境中,蓄電池正、負極板板柵慢慢穿孔損壞,易使活性物質附著能力減弱而脫落。

所以,環境溫度的升高,雖使容量有所增加,但高溫又會使蓄電池正、負極板腐蝕劇增,嚴重地影響電極反應速度,同時環境溫度過高時,蓄電池內部氣體產生的壓力增加。當蓄電池內部壓力到10～35kPa時,蓄電池安全閥打開,內部水分子損失,降低了電池的額定容量,影響蓄電池的使用壽命。所以要求電池室應在20～25℃,若溫度大于標準溫度10℃,則電池壽命將降低一半。

3.2 浮充電壓對電池的影響

浮充電壓過低時,電池長期處于欠充電狀態,極板深處的活性物質不能參與化學反應,因而在活性物質與板柵之間形成高電阻層,電池的內阻增大,容量下降。

浮充電壓過高時,一方面,電池將長期處于過充電狀態,電池內產生的氣體量增加,安全閥經常處于開閥狀態,電解液中的水分大量損失。通常,水分損失15%,電池的容量就減小15%。另一方面,隨著充電電流的增大,極板腐蝕速度加快,蓄電池的壽命相對縮短。

同時由于環境溫度變化,將引起參加反應的離子數、PbSO4溶解度、溶解速率等的變化,同時將引起電池內阻的變化,從而導致浮充電壓隨之變化。電池組浮充電壓過高,會使正極的析出量增加,氣體再化合效率低,蓄電池內部壓力升高,在形成氣體的過程中,氣壓強力沖擊正極板柵,使正極板柵腐蝕,活性物質與板柵結合力變差,甚至脫落。這樣,影響正極活性物質的使用壽命,使電池的容量下降,而且使氣閥開啟次數增加,蓄電池內部水分損失,導致蓄電池容量下降。同時由于電池結構上的密封性,又無游離電液,導致其散熱條件比普通電池的散熱條件要差。因而電池對環境溫度變化引起的電池過充電更為嚴重。

若電池浮充電壓過低,會使電池經常處于欠充電狀態,負極就會逐漸形成一種堅硬的硫酸鉛枝體結晶,該晶體幾乎不溶解,用常規方法充電很難使它轉化為有效的活性物質,進而大大減少了電池的實際容量,使電池在放電時放不出額定容量。

3.3 浮充電流對電池的影響

由于電池在浮充工作時,其負極電位近似為開路平衡電極電位,浮充電流值僅與正極電位和環境溫度有關,所以在同一浮充電壓下,浮充電流會隨溫度的升高而增大,雖然各電池廠家浮充電壓與浮充電流和環境溫度的特性略有不同,但是浮充電流是隨浮充電壓的增大而增加的,浮充電流隨環境的溫度升高而增加。這種現象可以從開關電源監控模塊電池組充電電流顯示出來,所以一定在開關電源監控模塊設置好電池組浮充狀態下的限流值。

四、閥控式密封鉛酸電池工作的環境及其溫度補償

如上所述,溫度和浮充電壓的變化將給電池帶來嚴重危害,造成蓄電池過量腐蝕、極板過度腐蝕或水分過量流失,從而使壽命銳減或容量陡降。為解決這一關鍵性問題,電池組的溫度補償問題必須密切關注,電池組必須與具有溫度補償功能的智能型開關電源配套使用。其實目前大多數智能型開關電源都有溫度補償功能,但由于未引起重視而使該功能長期處于取消狀態,造成不必要的損失。

電池應工作在適宜的環境溫度下,環境溫度對電池的放電容量、壽命、自放電、內阻等方面都有較大影響。開關電源都有電池溫度補償功能,每度每只單體電池補償1～3mV。對于樞紐樓由于冬季和夏季環境溫度在20～25℃之間,電池組的溫度補償應該設定為1mV為佳;而對于環境差的綜合接入局和基站電池組的溫度補償應該設定為3mV;對于大型UPS電池組,由于UPS的穩壓精度為±1%,電壓波動大,最好不加溫度補償功能為好。總之,電池的最佳工作環境溫度為20～25℃。

開關電源監控模塊接入電池組的溫度傳感器應盡可能放置在最接近每組電池溫度最高點的地方,建議將其放置在每組電池組的中間位置的電池上。當啟動電池組溫度補償功能之后,浮充電壓和均衡電壓都按照以下方式進行補償:

Utc=Un-TC×N(T-20)

Utc-經溫度補償后的浮充或均充電壓;

Un-未經補償的電壓,即開關電源設置的浮充或均充電壓;

TC-在監控模塊前面板上設置的補償系數,單位:mV/℃;

N-每組電池的只數,對于48V系統為24節,

T-溫度傳感器指示的溫度(單位:℃)。溫度補償功能的溫度有效范圍是:10～35℃。

監控模塊的面板上有“設定系數”按鍵,按設定系數按鍵后,監控模塊上的字母數字顯示器將顯示當前的補償系數,該值可以通過“增加”、“減小”和“確認”鍵進行修改,電池組溫度補償系數的范圍在0.1～5mV/℃(單體電池)可以調整。

當監控模塊檢測到電池組的溫度與設定的溫度相比有差異時,監控模塊能夠根據上述方程式設定的反比例關系對輸出電壓進行調整,浮充電壓會自動跟隨電池溫度變化而進行補償。所以,由于電池獨有的特性,應采取相應的維護管理措施,而解決電池溫度補償問題,是根據環境溫度對電池組電壓補償最簡單有效的方法,也是提高電池使用年限,保障供電安全的最佳選擇。

五、密封式閥控鉛酸蓄電池安裝時注意事項

雖然電池出廠時,極板都進行了充、放電活化。但如果電池的安裝日期距出廠日期時間較長,經過長期的自身放電,容量必然損失,靠單純的浮充難以恢復其初始容量。并且,由于單體電池自放電大小的差異,致使各電池的端電壓出現不均衡,個別電池會進一步擴展成落后電池甚至出現反極現象,所以電池擱置三個月不用必須進行補充電。

新電池安裝前測量開路電壓,開路電壓差值不大于20mV,并做好單體電池測試紀錄。此后應對電池組進行補充充電,補充電電壓為2.35V充電24h、2.40V充電12h,充電后期充電電流小于電池組10h放電率的千分之三,測量單體電池電壓并紀錄,此時電池補充充電完成,斷開電池組與充電設備的所有連接線,靜置2～4h后。根據環境溫度不同,計算出電池組實際應該放電容量為多少,計算公式C25=Ct/1+k(t-25),其中k是溫度系數,10小時率容量試驗時k=0.006/℃,計算出實際溫度下的電池容量。

全在線充、放電過程為:被測電池組的正極與全在線(充)放電設備串聯,不需要調整開關電源的浮充電壓值,使被測電池組所在支路的電壓略高出開關電源輸出(有智能電池組充、放電儀自動調整),另一組電池仍在浮充電壓狀態下備用,容量實驗的電池組對實際負荷進行放電,放電過程中被測電池組電壓隨著放電時間的變化而逐漸下降,通過全在線(充)放電設備進行自動電壓補償調整,保證被測電池組始終保持恒定電流0.1C10狀態下放電,當電池組放電終止即單體電壓1.8V、容量2000AH、時間10小時和電池組組電壓43.2V。四個指標達一個指標,即預期所設置的放電門限值時,放電自動結束。自動轉入對被測電池組的全在線充電恢復過程,以消除兩組電池之間存在的電壓差,并引導在線開關電源輸出電流的增大,經過充電、等電位控制保護電路自動對被測放電后的電池組進行0.1C10限流充電,自動完成在線等電位連接,恢復系統的正常連接,當該電池組全在線充電完成后,結束電池組充電恢復等電位連接過程。實現了該電池組在線充、放電實驗完成,了解新安裝該電池組的實際容量。

全在線充、放電設備串接電池組進行的操作過程中,拆、接線只在電池組正極,無須拆電池組負極,只在負極接一根放電設備的工作電源線,操作過程不存在短路風險。充、放電全部在線自動運行,測試記錄自動進行存儲,被測電池組按0.1C10率直接對負載放電和對電池組充電,無線采集充、放電池組數據無須值守,同時通過軟件分析直觀的查看電池組的實際容量。

如圖2所示為新安裝2000Ah的電池組容量實驗。表1給出了單體電池容量數據,從表中可以看出該電池的技術數據都達到了用戶的要求。

圖3就是實驗得出的電池的容量分析和單體電壓特性曲線,表2給出了單體電壓的實驗數據,從而得出了圖4的電池組總電壓曲線和圖5的恒流放電曲線和時間。

六、閥控式密封鉛酸蓄電池的核對性放電試驗和容量放電試驗

6.1電池組的核對性放電試驗

電池組端電壓的測量不能只在浮充狀態,還應在放電狀態下進行。端電壓是反映單體電池工作狀況好壞的一個重要參數。浮充狀態下進行電池端電壓測量,由于外加電壓的存在,測量出的電池端電壓易造成假象。即使有些單體電池斷路也能測量出正常數值,實際上是外加電壓在該單體電池兩端造成的電壓差。

當市電停電時,電池組若有問題則放電時間很短,造成通信阻斷故障。根據聯通動力維護規程每年定期對電池組進行一次帶實際負載的核對性放電試驗,根據環境溫度計算出電池組的實際容量,放出電池組實際容量的30%～40%,并利用電池監控系統對電池組、單體電池和實際負載電流數據進行檢測分析,截屏打印存檔,同時檢查電池連接條接觸情況,對電池組連接條有松動的進行緊固,確保電池組安全穩定地運行。圖6給出了電池組核對性放電前截圖,圖7是電池組核對性放電完成后截圖。

6.2電池組的容量放電試驗

目前核心局電源直流供電系統,開關電源與電池組為并聯浮充供電方式,因為沒有開關電源備用充電設備,電池組無法脫離供電系統進行容量實驗,只能用智能在線充、放電儀單組對電池在線容量試驗。

根據聯通動力維護規程要求,核心局在線運行的電池組,每三年對電池組進行容量試驗,電池組使用6年后每年進行容量試驗一次,在這種情況下電池組只能用智能在線充、放電儀進行容量實驗。同時首先對柴油發電機組進行試機檢查,確保柴油發電機組供電正常,然后以10小時率放電電流為0.1C10放電。按10小時率進行電池組放電容量試驗,放出容量的80%以上最佳。例如:使用三年的電池組運行情況如表3所示:

從圖8至圖11及從表4至表5都給出了詳細的實驗數據。

七、閥控式密封鉛酸蓄電池組浮充電壓和充電限流的設定

電池目前多采用在線浮充方式運行,在線電池組的浮充電壓必須保持恒定電壓,在該恒定電壓工作下,充電電量應該足以補償電池組由于本身自放電而損失的電量及氧循環的需要,保證短時間內使放電的電池組充足所需電量,使蓄電池在浮充情況下長期處于充足電狀態,該浮充電壓的設定值即滿足用電設備的供電電壓的要求,又滿足蓄電池浮充電壓需要,也使電池因過充電所造成的損壞程度最低,所以必須設定好開關電源的浮充電壓、充電限流數值和開關電源模塊個數,以達到雙重浮充限流安全系數,以確保蓄電池運行在最佳狀態下,延長電池使用年限,節約維護投資成本。

具體操作方法:核心局電源機房電池組的浮充限流設置,核心局為有人值守機房,兩路市電引入,一臺柴油發電機組為備有電源,事故停電極少。直流供電系統負載電流為800A,電池組2000Ah兩組,開關整流模塊100A的14塊,環境溫度保持在20～25℃之間。由于兩路市電停電后,可以在15min內起動油機發電,為了使開關電源工作在最佳效率狀態,同時為了節約電能,對開關電源監控模塊充電限流設置為0.05C10,即每組電池充電電流為100A,開關整流模塊開啟12塊,使每個整流模塊工作在額定輸出電流在50%以上。

八、閥控式密封鉛酸蓄電池組的維護

8.1電池的運行環境要求

電池運行環境要求:安裝該電池的機房應配有通風換氣裝置,溫度不宜超過28℃,建議環境溫度保持在20～25℃之間。避免陽光對電池直射,朝陽窗戶應作遮陽處理。確保電池組之間預留足夠的維護空間。UPS等使用的高電壓電池組的維護通道應鋪設絕緣膠墊。

8.2電池組使用的注意事項

不同規格、型號和使用壽命不同的蓄電池禁止在同一直流供電系統中使用,新舊程度不同的蓄電池不應在同一直流供電系統中混用。如具備動力及環境集中監控系統,應通過動力及環境集中監控系統對電池組的總電壓、電流、單體電池電壓、單體電池內阻及溫度進行監測,并定期對蓄電池組進行檢測。通過電池監測裝置了解電池充放電曲線及性能,發現故障及時處理。

8.3電池組經常檢查的項目

電池組應經常檢查極柱、連接條是否清潔;有否損傷、變形或腐蝕現象;連接處有無松動,電池極柱處有否爬酸、漏液;安全閥周圍是否有酸霧、酸液溢出;電池殼體有無損傷、滲漏和變形,電池及連接處溫升有否異常。根據廠家提供的技術參數和現場環境條件,檢查電池組均、浮充電壓是否滿足要求,浮充電流是否穩定在正常范圍。檢測電池組的充電限流值設置是否正確。檢測電池組的低壓告警、高壓告警設置是否正確。

8.4電池組均衡充電的注意事項

池組的均衡充電:一般情況下,密封蓄電池組遇有下列情況之一時,應進行均衡充,均衡充電電流不應大于0.1C10:浮充電壓有兩只以上低于2.18V/只,擱置不用時間超過三個月。放電深度超過額定容量的20%。如有特殊技術要求的,按廠家產品技術說明書要求為準,均衡充電時電壓設定值不能高于通信設備電壓上限值。一般開關電源均衡充電電壓設定56.4V為最佳。

電池組充電終止的判據,達到下述三個條件之一者,可視為充電終止:充電量不小于放出電量的1.2倍;充電后期充電電流小于0.01C10;充電后期,充電電流連續3小時不變化。

8.5電池組的核對性放電和容量試驗

電池組每年在線做一次核對性放電試驗放出額定容量的30%～40%,每三年應在線做一次容量試驗。使用6年后應每年一次。蓄電池放電期間,應定時測量供電系統電壓和單體蓄電池端電壓及單組放電電流,并利用蓄電池監控系統對蓄電池進行記錄、分析并打印存檔。對于核對放電試驗,根據溫度放出額定容量的30%～40%。對于容量試驗,根據溫度放出容量的80%以上。電池組中任意單體達到放電終止電壓1.8V停止放電。已確保電池組在線核對性放電和容量試驗情況下,供電系統安全可靠。

8.6電池組浮充運行標準

電池組平時處于浮充狀態,電池組的浮充電壓嚴格按照廠家說明書要求設置。一般蓄電池的浮充電壓為2.23～2.27V之間(25℃,每2V單體),溫度補償U=Ua(25℃)+(25-t)*0.003(t為環境溫度)。浮充是全組各電池端電壓的最大差值不大于90mV。每月測量蓄電池浮充電壓、浮充電流和單體電池的端電壓,并按照聯通動力維護規程記錄在維護系統的電子表格中。