地鐵通信閥控式鉛酸蓄電池的維護與性能評估

徐錦材，阮啟寧

(廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州510380)

1 概述

蓄電池作為不間斷電源系統的儲能裝置，起著極其重要的作用，它在機房輸入電源供應中斷后，繼續向負載供電。目前廣州地鐵通信專業不間斷電源系統中廣泛使用了閥控式密封鉛酸蓄電池，可在機房輸入電源中斷時，為通信專業傳輸系統、公務電話系統、調度電話系統、站內及軌旁電話系統、無線通信系統等供電4 h，為視頻監控系統、票務系統、廣播系統、時鐘系統供電1 h。

但由于日常維護與管理不當，或本身質量問題，在蓄電池的使用過程中經常會出現提前失效或容量達不到使用要求等，影響了供電保障性。雖然特殊的閥控式密封結構使VRLA蓄電池具有免維護的優勢，但維護人員無法準確掌握蓄電池的性能狀況。因此，在正確使用和維護蓄電池的同時，如何更有效地檢測出失效蓄電池并預測蓄電池性能變化趨勢，以便及時更換性能下降的蓄電池，具有十分重要的意義。

2 使用與維護

2.1 VRLA蓄電池使用時應注意的問題

影響VRLA蓄電池使用壽命的因素主要有環境溫度、過壓充電、過度放電、長期浮充電等。在地鐵新線建設中，受物資采購與設備安裝工期的影響，蓄電池往往會提前到貨，如未能正確存放與維護電池，電池容易早期失效。在設備安裝過程中，新線機房環境差、溫度高，為了延長蓄電池的使用壽命，有必要在空調系統正常運轉后再安裝蓄電池。因此，蓄電池使用時應注意以下問題:

(1)保證穩定的環境溫度

環境溫度在很大程度上影響了蓄電池的使用壽命。電池溫度過高，意味著化學反應增強，會加快電池水分的損失和板柵的腐蝕，進而縮短蓄電池的使用壽命。通常溫度在25℃以上每升高10℃，電池壽命就會減少一半。而溫度過低又會造成負極硫酸鹽化，使蓄電池容量減少。經測試與計算，在20℃時，容量會降低為25℃的95%左右;在15℃時，容量會降低為25℃的90%左右。大量研究表明，蓄電池在25℃的環境下可獲得較長的壽命。因此，為了盡可能延長蓄電池的使用壽命，應使蓄電池存放環境最高與最低溫度的溫度差小于3℃，建議維持蓄電池環境溫度處于22℃ ～25℃之間。

(2)避免過壓充電

地鐵通信不間斷電源系統的蓄電池長期處于浮充充電狀態。浮充電壓過高，會發生過壓充電，造成蓄電池電解液所含的水被電解成氫和氧而逸出，使電解液濃度增大，導致蓄電池壽命縮短，甚至損壞。當然，浮充電壓過低，蓄電池又會充不滿，容量可能達不到使用要求。對于端電壓為12 V的蓄電池，其正常的浮充電壓在13.5 V ～13.8 V之間。

(3)避免過度放電

蓄電池的過度放電主要是發生在機房輸入電源中斷后，蓄電池長時間為負載供電。當蓄電池被放電到終止電壓后繼續放電，致使其電壓過低甚至為零，造成蓄電池組的深放電，導致蓄電池內部大量的硫酸鉛被吸附到蓄電池的陰極表面，在陰極發生“硫酸鹽化”，使蓄電池的內阻增大，造成電池容量下降，充放電性能變差，進而縮短了使用壽命。同時，蓄電池放電深度越深，其循環使用次數就越少。因此，在使用時應避免過度放電。在蓄電池組進行了緊急放電后，有必要對蓄電池組進行容量恢復的維護。

(4)盡量避免蓄電池新舊混用

在使用了一段時間之后，舊電池內阻都有不同程度的增大，而新電池的內阻相對較小。當新舊電池串聯在一起充電時，舊電池內阻大分壓較大，新電池內阻小分壓較小，容易使某些電池長時間處于過壓充電或欠壓充電的情況，進而導致蓄電池容量下降、壽命縮短，影響蓄電池組的整體性能。也就是說，新舊電池混用，電池組的性能均一性較差，性能差、電壓低的電池會拖垮性能好的電池，從而使整套蓄電池組提前失效。因此，應盡量避免把新舊電池混合在一起使用。

(5)定期進行充放電操作

若蓄電池長期處于浮充狀態或長時間閑置不用，都會發生“硫酸鹽化”現象，造成電池的陽極極板鈍化，使電池內阻增大、端電壓降低、容量下降，使用壽命也會縮短。蓄電池靜態存儲時間在常溫環境下一般為9個月，在溫度為31℃ ～40℃時一般為5個月。

由于蓄電池具有自放電的特性，為了確保地鐵通信設備24 h不間斷供電，蓄電池始終處于浮充充電狀態，確保以滿容量的狀態處于備用。而地鐵新線建設時間較長，蓄電池從到貨到正式投入使用時間間隔往往達半年以上。因此，在運營維護與新線建設過程中，都應該保證每半年至少進行一次“激活”電池的放電操作，以活化電池內部化學物質，延長蓄電池的使用壽命。放電時間可控制在正常放電時間的25% ～30%之間。

2.2 常見的故障

在蓄電池維護中常見的故障有:

(1)電液滲漏。電液滲漏是蓄電池日常維護中常見的問題，常常表現為蓄電池極柱周圍、安全閥周圍或電池殼與蓋封合處有白色粉末。

(2)殼體變形。蓄電池使用時的輕微變形、鼓脹屬正常現象。但是，在使用過程中，因碰撞或故障等原因，會出現外觀嚴重變形、嚴重鼓脹或殼體上有微小裂紋。

(3)單個蓄電池電壓過低。蓄電池組出現某個蓄電池電壓低于標準電壓值90%的現象。

(4)極柱、連接板和螺絲的銹蝕。蓄電池極柱、連接板和螺絲的銹蝕，會增大極柱和連接板之間的接觸電阻，整體上增大了蓄電池組的阻值，降低蓄電池的容量。

(5)電池間的連線、電池柜的接地線松動。其主要表現為螺絲、接頭或連接條的松動。

(6)蓄電池容量變小。一般表現在蓄電池組中的個別蓄電池性能嚴重下降。

2.3 維護措施

蓄電池每周需要完成以下檢查與測量，一旦發現異常及時處理。

(1)外觀檢查:電池的極柱、安全閥周圍或電池殼與蓋封合處是否有電液滲漏，電池殼體有無滲漏、變形或發熱現象，蓄電池外殼的干燥與清潔狀況，電池連線與緊固螺絲有無松動或腐蝕現象。

(2)日常測量:蓄電池組的浮充電壓，電池環境溫度。根據閥控式密封鉛酸蓄電池的特性與地鐵的設備使用環境，建議定期開展以下保養內容。

a.每半年進行一次“激活”電池的充放電操作。

b.每年做一次核對性放電試驗，放出額定容量的30% ～40%。電池在放電過程中，應定時測量電流、單個電池電壓、單個電池內阻和電池組總電壓，做好記錄。

c.每三年使用假負載做一次容量試驗，放電深度為80%C10，做好電壓、電流與內阻等數據的記錄，評判蓄電池組的性能狀態。

3 性能評估預判

3.1 性能評估方法

VRLA蓄電池的使用壽命理論上可達15～20年，廠家一般建議使用8～10年。通信行業蓄電池維護規程一般規定“全浮充供電方式的閥控式密封鉛酸蓄電池更新的條件為使用8年以上或容量低于80%的額定容量”。但在實際使用中，由于蓄電池本身質量或維護的原因，部分蓄電池的使用壽命往往達不到8年。為了能夠及時更換性能下降電池，應對電池性能進行評估預判。

蓄電池的評估預判應包括運行記錄分析與現場測試評估。蓄電池性能的變化是一個漸進和積累的過程，準確的運行記錄有助于后期的評估預判。運行記錄分析主要是對日常維護記錄、充放電情況記錄、電池出現的問題記錄以及采取的措施記錄等進行分析，從容量、內阻等方面進行運行性能參數與設計性能參數對比分析，提供支撐數據及性能預測結論。現場測試評估是在蓄電池將要達到使用年限或預計性能無法滿足使用需求的時候所進行的設備評估，主要包括外觀檢查、電壓測量、容量測量、內阻測量四個方面。

(1)外觀檢查

蓄電池的外觀檢查主要是用目測的方法檢查電池殼體變形與裂紋情況，極柱周圍、安全閥周圍與電池殼與蓋封合處有無漏液情況，連線與緊固螺絲的腐蝕情況。

(2)電壓測量

蓄電池的性能狀態最終體現在電池的容量與電壓上，電池電壓可以在一定程度上反映出電池性能的好壞。在放電狀態下，測試蓄電池組各個電池的端電壓。

(3)容量測量

電池的容量是電池在一定放電條件下所能供給的電量。蓄電池是保證不間斷供電的關鍵設備，要求其容量必須滿足負載所需最小容量要求，所以檢測蓄電池的容量是非常重要的。可采用恒電流法測量電池容量，即對蓄電池采用恒定電流放電到規定的終止電壓。蓄電池組的容量受一組電池中最差的一只電池的容量影響，在放電過程中，一組電池中只要有一只電池已放到終止電壓，就應該停止放電。

(4)內阻測量

單純依靠測量電池的電壓和容量兩個指標無法準確反映出電池的真實狀況，因此蓄電池的性能評估還應結合電池的內阻變化情況。大量的研究與實驗數據證明，在電池壽命期內，電池實際容量的單調下降，總是會伴隨著內阻的單調上升。也就是說，在同一條件下測量比較電池內阻的變化可以對電池性能提供預判信息。因此，在蓄電池進行核對性放電過程中，還需要定時對蓄電池進行內阻測量。

3.2 更換標準

(1)單個蓄電池更換標準

單個蓄電池滿足下列條件之一，建議更換:蓄電池存在嚴重的變形、裂紋、漏液或極柱嚴重腐蝕等情況;12 V蓄電池的端電壓低于10.5 V且在經過充電或激活充電后仍達不到12 V;進行放電測試時，在1 h內單個蓄電池電壓迅速下降到放電終止電壓，經重新充放電試驗后仍不滿足要求;同一組蓄電池中在保證連接等方面均不存在問題的前提下，單個電池3次內阻測試平均值均高于當前整組蓄電池內阻平均值40%以上。

由于廠家的工藝控制以及原材料的差異，不同的蓄電池內阻存在差異。經數據統計，廣州地鐵通信不間斷電源系統中常用的12 V閥控式鉛酸蓄電池內阻參數參考值如表1。

表1 常用12 V閥控式鉛酸蓄電池內阻參數參考值

若僅從內阻大小判斷，在放電測試中，測量內阻3次后取平均值，其內阻平均值應在表1所示的內阻參考值范圍內。超出范圍，可初步判斷該電池性能下降嚴重，需進行進一步的測試或直接更換。

(2)蓄電池組更換標準

蓄電池組滿足下列條件之一，建議更換:若經過3次核對性放充電，鉛酸蓄電池組的容量均低于制造商規定的額定容量值的80%。

4 結束語

正確了解VRLA蓄電池的特點，加強日常維護和測量，準確評估蓄電池的性能狀態，更換性能下降的蓄電池，不僅可以有效保障地鐵通信設備的供電質量，還可以避免不必要的報廢與更換，節省維護成本。

［1］陳 波.地鐵系統蓄電池維護方法探討［J］.技術與市場，2013，20(1):12-13.

［2］秦鳴峰.蓄電池的使用與維護［M］.北京:化學工業出版社，2011:13-276.

［3］梁明暉.閥控式鉛酸蓄電池在城市軌道交通中的應用［J］.蓄電池，2012，49(5):237-240.