影響閥控式鉛酸蓄電池使用壽命的原因及其維護

李建軍 滄州供電公司 061001

影響閥控式鉛酸蓄電池使用壽命的原因及其維護

李建軍 滄州供電公司 061001

介紹了閥控式鉛酸蓄電池的基本原理,分析了影響VRLA蓄電池使用壽命的因素,提出了閥控式鉛酸蓄電池的維護措施。

自從VRLA蓄電池投入使用以來，由于其“免維護”性能,輕便以及易于安裝等優(yōu)點,在滄州電網(wǎng)中得到廣泛的推廣和應用,正在逐步取代固定型鉛酸蓄電池和鎘鎳蓄電池。但是VRLA蓄電池在使用中出現(xiàn)了一系列的問題,如極柵腐蝕及增長問題;電池端電壓過低甚至電池的正負極反極問題；VRLA蓄電池性能不均勻,個別VRLA蓄電池提前失效問題等，這些問題嚴重影響VRLA蓄電池的使用壽命,進而影響到相關設備和電池本身的安全,對變電站的安全運行是十分不利的。本文從介紹閥控式鉛酸蓄電池的基本原理著手，著重分析了影響VRLA蓄電池壽命的因素，闡釋了VRLA蓄電池維護的有關措施。

一.閥控式鉛酸蓄電池的基本原理

VRLA蓄電池的工作原理[1]，基本上仍沿襲于傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池，它的正極物質是二氧化鉛（PbO2）,負極活性物質是海綿狀金屬鉛（Pb）,電解液是稀硫酸（H2SO4）其電極反應方程式如下：

VRLA蓄電池工作原理示意圖：

如圖所示：正極板采用鉛鈣合金或鉛鎘合金、低銻合金，負極板采用鉛鈣合金，隔板采用超細玻纖隔板，并使用緊裝配和貧液設計工藝技術，整個蓄電池化學反應密封在塑料蓄電池殼內，出氣孔上加上單向的安全閥。這種蓄電池結構，在規(guī)定充電電壓下進行充電時，正極析出的氧，（O2），可通過隔板通道傳達到負極表面，還原為水（H2O），由于VRLA蓄電池采用負極板比正極多出10%的容量，使氫氣析出時電位提高，加上反應區(qū)域和反應速度的不同，使正極出現(xiàn)氧氣先于負極析出氫氣，正極電解水反應如下：

2H2O→O2+4H++4e-

氧氣通過隔板通道或頂部到達負極進行化學反應：

Pb+1/2O2+2H2SO4→PbSO4+ H2O

負極被氧化成硫酸鉛，經(jīng)過充電又轉變成海綿狀鉛

PbSO4+2e-+H+→Pb+HSO-4

這是VRLA蓄電池特有的內部氧循環(huán)反應機理。

二.影響VRLA蓄電池壽命的因素

VRLA蓄電池的壽命不僅和產品質量有關，還與VRLA蓄電池的實際使用情況有關，VRLA蓄電池的壽命受到內外兩方面因素的影響。

1.影響VRLA蓄電池壽命的外部因素主要有以下幾個方面：

（1）過充電。過充電是影響VRLA蓄電池壽命的最主要原因。過充電會引起VRLA蓄電池的正極析氧，極板深處生成的氧氣從電極表面逸出，增大了殼體內壓力，而在形成氣泡過程中，以強力沖擊PbO2，促使活性物質與板柵結合力變壞，甚至脫落，影響正負極板活性物質的使用壽命，使VRLA蓄電池的容量下降。長期過充電狀態(tài)下，正極因析氧反應，水被消耗，H+增加，從而導致正極附近酸度增加，板柵腐蝕加速，使板柵變薄加速VRLA蓄電池的腐蝕，使VRLA蓄電池容量降低。同時因水損耗加劇，將使VRLA蓄電池有干涸的危險，從而影響VRLA蓄電池壽命。

（2）過放電。過放電會使VRLA蓄電池極板表面生成大顆粒PbSO4結晶，此結晶是難以恢復的，久之會造成極板硫酸化，大大降低極板活性物質的孔率，縮短VRLA蓄電池的使用壽命。當VRLA蓄電池被過度放電到其電壓過低甚至為零時，會導致VRLA蓄電池內部有大量的硫酸鉛被吸附到VRLA蓄電池的陰極表面，在VRLA蓄電池的陰極造成“硫酸鹽”化。硫酸鉛是一種絕緣體，陰極上形成的硫酸鹽越多，VRLA蓄電池的內阻越大，VRLA蓄電池的充、放電性能就越差，VRLA蓄電池的使用壽命就越短。

（3）環(huán)境的影響。VRLA蓄電池要求的環(huán)境溫度在15～20℃，在此溫度范圍內可以發(fā)揮最佳效能。VRLA蓄電池的電解液濃度較大，在低溫、大電流密度下放電時，負極容易生成致密的PbSO4結晶層，減慢電極化學反應速度，影響放電。另一方面，如果VRLA蓄電池工作環(huán)境溫度過高，超過40℃正極析氧加速，加快了正極腐蝕速度，同時將消耗更多的水，從而使VRLA蓄電池壽命縮短，環(huán)境溫度一旦超過25℃，只要溫度每升高10℃，VRLA蓄電池的使用壽命就會縮短一半。

（4）長期浮充電。目前, VRLA蓄電池大多數(shù)都處于長期的浮充電狀態(tài)下,只充電,不放電, 這種工作狀態(tài)極不合理。這樣會造成VRLA蓄電池的實際容量(Ah)遠遠低于其標準容量,從而導致VRLA蓄電池所能提供的實際后備供電時間大大縮短,減少其使用壽命。

2.影響VRLA蓄電池壽命的內部因素

VRLA蓄電池內部的變化才是其壽命縮短的直接原因。VRLA蓄電池屬少液式蓄電池，其中的電解液量受到嚴格的限制，其電解液量在出廠前一次性加注，一旦減少很難恢復。因此，當電解液中水分減少到一定程度，就會引起VRLA蓄電池失效。VRLA蓄電池隔膜中電解液飽和度應在大于95%狀態(tài)正常工作，如果有25%的板柵被腐蝕，VRLA蓄電池隔膜的飽和度將由95%降至85%，從而使VRLA蓄電池容量降低20%以上。按照現(xiàn)行工業(yè)標準，VRLA蓄電池容量降低20%，便標志VRLA蓄電池工作壽命已終結。VRLA蓄電池失水還有下列幾種情況：

（1）由于板柵腐蝕而失水。

（2）氧復合反應不完全，不能使100%的氧復合成水，這些游離的氧氣經(jīng)過安全閥排出殼體外。

（3）由于VRLA蓄電池殼體內外壓力不同而使水經(jīng)過殼體材料向外滲透。

（4）排氣閥壓力設計不當，經(jīng)常動作而失水。

（5）維護過程中發(fā)生過充電，電解液中水分被大量分解氣體，由安全閥排出體外而失水。

（6）其他非正常失水，包括VRLA蓄電池質量問題等。

經(jīng)計算，如果氧復合效率為99%，一個1000Ah的VRLA蓄電池在正常浮充狀態(tài)下一年將失水60g,即達到年失水量為0.6%。由于極柵腐蝕而引起的年失水量為0.77%.這兩項相加時,將使年失水量達到1.37%。因此,如果失水10%將引起VRLA蓄電池容量損失20%,這意味著VRLA蓄電池使用7年后將因失水而失效。

三.VRLA蓄電池的技術維護

據(jù)統(tǒng)計，VRLA蓄電池供電系統(tǒng)的故障有50%以上是因為VRLA蓄電池組故障或VRLA蓄電池維護不當造成的，同時, VRLA蓄電池特性的變化也是一個漸進和積累的過程，為了保證VRLA蓄電池使用良好,確保VRLA蓄電池的使用壽命,在對VRLA蓄電池日常維護和定期檢查的基礎上,做到“三防、一及時”。

1.日常維護內容

1)檢查充電裝置是否良好，直流母線電壓是否正常，VRLA蓄電池是否運行在最佳運行溫度范圍內。

2)保持電源室和VRLA蓄電池本身的清潔, VRLA蓄電池的日常維護中需經(jīng)常檢查的項目有:

a)外觀是否完好，有無外殼變形和滲漏。

b)兩端電壓是否正常。

c)連接處有無松動、腐蝕現(xiàn)象，連接條的壓降是否正常。

d)極柱、安全閥周圍是否有酸霧析出。

e)VRLA蓄電池極柱應涂上中性凡士林，定期清潔，防止腐蝕極柱，防止VRLA蓄電池絕緣能力降低。

3)每組VRLA蓄電池應選擇幾只VRLA蓄電池作為代表電池,每日測量代表電池電壓,作為了解全VRLA蓄電池組工作情況的參考,定期普測蓄電池電壓.

4)發(fā)現(xiàn)有壓降大、電壓反極性、壓差大和酸霧泄漏現(xiàn)象的VRLA蓄電池，應及時恢復、修復或更換，壽命已過期的要及時更換。

2.定期檢查

1）每月逐個檢查VRLA蓄電池端子的損傷痕跡、外殼及殼蓋的損壞或過熱痕跡，單體和VRLA蓄電池組的浮充電壓、浮充電流。

2）半年檢查各VRLA蓄電池的端電壓和內阻，若單個VRLA蓄電池的端電壓低于其最低臨界電壓或VRLA蓄電池內阻大于80mΩ時，及時更換或進行均衡充電。

表1 VRLA蓄電池放出不同容量的標準電壓值(10小時率)

3）每年以實際負荷做一次核對性放電，放出額定容量的30%～40%，并作均充；每三年做一次容量試驗，放電深度為80%C10，若該組VRLA蓄電池實放容量低于額定容量的80%，則認為該蓄電池組壽命終止。

3.“三防、一及時”

（1）防高溫。VRLA蓄電池室要安裝空調,使溫度保持在20～25℃,在沒有空調的使用環(huán)境，要設置換氣通道并安裝防塵和防雨帽。安裝在柜內的VRLA蓄電池在夏季可卸掉機柜側面板，VRLA蓄電池單體之間避免緊密排列，以增加空氣的流動。

（2）防過充電。浮充電壓的設定；VRLA蓄電池的開路電壓可以由近似公式E=0.85+d得出(其中E為鉛酸VRLA蓄電池的電動勢;d為電解液的密度;0.85為鉛酸VRLA蓄電池的電動勢常數(shù)),浮充電壓一般按u(25)=E+0.1設定, 浮充電流點的設定：可以按I=（0.10～125）C10進行設定,最大充電電流不能大于10小時率充電電流的1.5倍,并要根據(jù)環(huán)境溫度的變化對浮充電壓進行補償。

（3)防過放電。過放電電壓值的設定:對于VRLA蓄電池組的放電時限為10h,設定欠壓告警門限為1.9V單體。

（4)及時充電。VRLA蓄電池放電后必須盡快進行充電,在充電過程中充電電流2～3h不變化可認為充電完畢,充入的電量應是放出容量的1.2倍左右,充電未結束或充電過程不要停止充電。禁止VRLA蓄電池組在深放電后長時間不充電(特殊情況下不得超過24h),否則將會嚴重降低VRLA蓄電池的容量和壽命。

4.核對性容量試驗

每年進行一次核對性容量試驗，以準確了解VRLA蓄電池的容量。放電時一組VRLA蓄電池中電壓降低最快的一只就是落后VRLA蓄電池,在不脫離負載的情況下,可以對一只最差的VRLA蓄電池進行充放電,它的容量就代表該組VRLA蓄電池的有效容量。

5.容量恢復試驗

為保證VRLA蓄電池有足夠的容量,每年要進行一次容量恢復試驗,讓VRLA蓄電池內的活性物質活化,恢復VRLA蓄電池的容量。

6.治療性充放電維護操作[1]

如果在半年內, VRLA蓄電池組從未放過電,應對VRLA蓄電池組進行一次治療性充放電維護操作。

（1）放電操作。放電一般采用10小時放電率放電,放電深度控制在30%～50%為宜，每小時檢測一次單體VRLA蓄電池電壓,通過計算放出的VRLA蓄電池容量,對照表1電壓值,判斷VRLA蓄電池是否正常。

在相應放出容量下,測出的單體VRLA蓄電池電壓值應等于或大于表中的相應電壓值,即VRLA蓄電池容量為正常,反之, VRLA蓄電池容量不足。

（2）充電操作。VRLA蓄電池組放電后,應立即轉入充電,開始可控制電流不大于0.2CA為宜, 當電流變小時,可慢慢提高VRLA蓄電池組充電電壓,達到均充電壓值,再充6h,然后再調回浮充電壓值。

四.結束語

以上是對影響VRLA蓄電池使用壽命的原因及其維護的探討。只有不斷地改善VRLA蓄電池的運行環(huán)境，選擇正確的維護手段，才能保證VRLA蓄電池的安全運行，發(fā)揮其最佳使用效能，延長其使用壽命，降低直流系統(tǒng)的運行維護成本，增強直流系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確保電力系統(tǒng)的運行可靠性。

[1]周志敏 ,周紀海, 紀愛華.閥控式密封鉛酸蓄電池[M].北京: 中國電力出版社.2004

[2]孫成寶 ,徐海明.直流設備檢修 [M].北京: 中國電力出版社.2003

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.20.056

閥控式鉛酸蓄電池;原理;使用壽命;因素;維護