Открытые стационарные аккумуляторы

Области применения и специфические требования, предъявляемые к стационарным аккумуляторам

Применение стационарных аккумуляторов вызвано необходимостью функционирования важнейших энергопотребляющих систем в условиях нарушения сетевого электроснабжения.

Кроме того, указанные аккумуляторы широко применяются при использовании альтернативных источников энергии, где выработка электроэнергии имеет переменный характер. В таком случае аккумуляторная батарея, работающая буферном режиме, позволяет обеспечить постоянство параметров питающей сети. Примером являются солнечные и ветроэнергетические установки.

Критерии применения стационарных акб

Критерием применения стационарных аккумуляторных батарей является тяжесть последствий, вызванных нарушением подачи электроэнергии. Нетрудно представить последствия, когда не срабатывает система атомного реактора, пропадает освещение и отключаются приборы в операционной при проведении хирургической операции, обесточивается система посадки на аэродроме при заходе на посадку самолета в ночных условиях. Примеров подобных последствий можно привести множество, и всегда надежным гарантом энергообеспечения является стационарная аккумуляторная батарея.

Не менее важна роль стационарных аккумуляторов в энергетике, телекоммуникационных и компьютерных системах, где вопросы обеспечения надежности функционирования имеют первостепенное значение.

Стационарные аккумуляторы на электрических станциях

В энергетике важнейшими потребителями электроэнергии являются системы защиты энергоблоков и электрических сетей, от надежности которых зависит безаварийная работа всей энергетической системы.

Переключения в электрических сетях при аварийных ситуациях производится за счет энергии подстанционных аккумуляторных батарей, что значительно снижает тяжесть последствий таких ситуаций.

Стационарные аккумуляторные батареи

На электрических станциях одним из важнейших потребителей энергии являются двигатели масляных насосов, обеспечивающих подачу масла под давлением в подшипники роторов энергоблоков. При условии, что выбег (время остановки) ротора энергоблока достигает 1 часа, отсутствие подачи смазки в этот период чревато колоссальным экономическим ущербом и другими, более серьезными последствиями.

С учетом назначения стационарных аккумуляторных батарей к ним предъявляются специфические требования, к которым относятся: высокая надежность, длительный срок службы, пологость разрядных характеристик и малое внутреннее сопротивление. Дополнительным требованием для работы в энергетической системе является возможность обеспечения «толчковых» нагрузок, которые на 1-2 порядка превышают ток постоянного режима. Длительность таких нагрузок — секунды и доли секунд, в течение которых производятся различные переключения. Гарантия выполнения переключения должна быть максимальна.

Всем перечисленным требованиям в наибольшей степени отвечают свинцовые аккумуляторы. Поскольку для стационарных батарей габариты и вес имеют второстепенное значение, они предпочтительны для применения с учетом стоимостного фактора.

Открытые стационарные свинцовые аккумуляторы

В настоящее время на энергообъектах страны значительную долю  эксплуатируемых стационарных аккумуляторных батарей составляют батареи Курского завода типа СК. Это АКБ с поверхностными положительными и коробчатыми отрицательными электродами, которые чаще всего размещаются в стеклянных сосудах. Открытая конструкция обусловливает необходимость их установки в специальных помещениях.

До модели СК-16 аккумуляторы изготавливались в стеклянных сосудах, до СК-76 — в эбонитовых, от СК-76 до СК-148 — в деревянных бахах, футерованных листовым свинцом. Завод производит и электроды для обеспечения ремонтными комплектами функционирующих аккумуляторных батарей типа СК.

При новом строительстве и капитальных ремонтах энергообъектов применение стационарных аккумуляторов открытого исполнения практически исключено. Это связано с весьма низкими удельными показателями, высокой трудоёмкостью обслуживания и значительным вредным воздействием таких батарей на обслуживающий персонал и конструкции зданий и сооружений.

Эксплуатационное обслуживание открытых АКБ

При грамотной эксплуатации и постоянном подзаряде стационарные аккумуляторы типа СК служат не менее 30 лет. При работе в режиме заряд — разряд срок службы не превышает 15 лет. Важнейшим элементом грамотной эксплуатации является своевременное обнаружение неисправностей, а чаще их прогнозирование на базе изменения параметров аккумуляторных батарей.

Обсуживание стационарных АКБ

Периодичность таких замеров — не реже 1 раза в месяц при наличии постоянного обслуживающего персонала. Для объектов без постоянного персонала эта периодичность может быть увеличена до 1 раза в 3 месяц.

Параметры аккумуляторной батареи

Параметры аккумуляторной батареи, имеющей нормативную емкость в режиме постоянного подзаряда, должны быть следующими:

  •  напряжение элементов — 2,22±0,02 В.
  •  плотность электролита – 1,21±0,005 г/см3.

Измерение напряжения производится цифровым вольтметром класса точности не хуже 0,1, а плотность —  ареометром с ценой деления 0,001 г/см3. При измерении плотности учитывать температурный градиент, равный 0,0007 г/см на 1С. Плотность приводить к температуре 20С. При фактической температуре выше 20С рассчитанная поправка прибавляется к измеренному значению плотности, если ниже 20С — поправка вычитается. При указанных параметрах компенсируется саморазряд и поддерживается состояние полной заряженности батарей. Потребный ток подзаряда при этом равен 20-35 мА, умноженный на номер батареи. С увеличением срока службы происходит увеличение потребного тока подзаряда.

В процессе эксплуатации необходимо отслеживать и анализировать изменение параметров всех элементов аккумуляторной батареи. Если происходит падение напряжения и плотности электролита у большинства элементов, это говорит о недостаточном напряжении подзаряда всей батареи и развивающемся процессе сульфатации. При уменьшении этих величин у отдельных элементов (обычно не более 5% общего количества), необходимо выявить причины ухудшения состояния и принять меры для их устранения. В первом случае достаточно провести уравнительный заряд, после чего установить несколько большее напряжение подзаряда. При выяснении причин отставания отдельных элементов необходимо проверить:

  1. состояние электродов (коробление или значительный рост положительных, их цвет, наросты на отрицательных электродах);
  2. уровень и характер шлама;
  3. отсутствие механических дефектов, отсутствие контакта разнополярных электродов;
  4. целостность сепарации;
  5. наличие электрического контакта всех электродов элемента с соединительной полосой;
  6. уровень электролита, который должен быть на 15-20мм выше верней кромки электродов.

Необходимо помнить, что уменьшение плотности электролита происходит из-за связывания моногидрата серной кислоты электролита в химическое соединение PbSO4, (сульфат свинца) в результате саморазряда из-за наличия хотя бы одной из 6 вышеперечисленных причин.

Работы по эксплуатационному обслуживанию должны заключаться в недопущении их возникновения. Основную роль в этом играет поддержание оптимального режима подзаряда.

Режим постоянного подзаряда

Поддержание оптимального режима подзаряда батареи является наиболее сложной задачей. В силу технологических причин при производстве аккумуляторов, предыдущей эксплуатации отдельные аккумуляторные батареи по электрическим параметрам не являются идентичными. Соответственно, каждый аккумулятор требует своего, индивидуального режима подзаряда, что не может быть обеспечено при работе в составе аккумуляторной батареи. Необходимое, равное 2,22÷0,02 В/элемент напряжение подзаряда уже при установке имеет определенный допуск. С учетом особенностей отдельных аккумуляторов какие-то из них будут иметь незначительный перезаряд, какие-то — недозаряд. Результатом является, с учетом длительности процесса, появление «отстающих» элементов.

Для выравнивания степени заряженности всех элементов батареи и устранения сульфатации применяется уравнительный заряд (перезаряд). Устанавливать периодичность проведения уравнительных перезарядов нецелесообразно. Рекомендуется их проведение при падении плотности электролита на 0,003÷0.005 г/см3 не менее чем у 30% элементов батареи. Уравнительный заряд проводят до достижения паспортной плотности электролита и устойчивой величины плотности в течение не менее 3 часов. Ток уравнительного заряда, даже в начальный период, не должен превышать 0,05С10, а напряжение к концу заряда должно быть 2,5÷2,7 В/элемент.

При наличии в составе батареи единичных «отстающих» элементов целесообразно производить их дозаряд от стороннего источника тока путем наложения на нормальный ток подзаряда аккумуляторной батареи.

Следует иметь ввиду, что любой перезаряд ведет к сокращению срока службы АКБ, поэтому главной задачей является установление близкого к оптимальному тока подзаряда батареи, устранение причин отставания отдельных элементов и их дозаряд от дополнительного источника тока.

Контрольные разряды аккумуляторных батарей рекомендуется проводить не чаще чем 1 раз в 3 года, если работоспособность батареи не вызывает сомнений (напряжение и плотность электролита всех элементов находятся в нормативных пределах: U=2,22÷0,2 В/элемент, =1,210÷0,005 г/см3).

Контрольный разряд необходимо проводить током 10-часового режима, поскольку более жесткие режимы оказывают отрицательное воздействие на положительные электроды, сокращая срок их службы.

Разряд проводить до отбора 80% номинальной емкости: если при этом напряжение наихудшего элемента не ниже 1,85 В, батарея считается выдержавшей испытание и годна для дальнейшей эксплуатации.

При отборе 80% номинальной ёмкости напряжение большинства элементов батареи будет находиться в пределах 1,88-1,92 В на элемент. Целесообразно выделить и зафиксировать в аккумуляторном журнале элементы с напряжением 1.85÷1,87 В с целью дальнейшего индивидуального дозаряда от стороннего источника тока. При подобном подходе аккумуляторная батарея будет гарантированно иметь номинальную ёмкость без ущерба для основной массы элементов.

При проведении контрольного разряда измерения напряжения необходимо проводить ежечасно. При фиксировании быстрого уменьшения напряжения отдельных элементов периодичность измерения сократить до 15 минут для выделяющихся элементов. Замеры плотности электролита допускается проводить каждые 2 часа. К концу контрольного разряда плотность электролита не должна быть ниже 1,150 г/см3.

Ремонт батарей типа СК

К ремонтным работам на батареях типа СК следует относить те из них, которые связаны с проведением огневых работ. Остальные без значительных затруднений могут быть выполнены в процессе эксплуатационного обслуживания, поскольку, в основном, заключаются в замене отдельных сепараторов и их держателей. Замену электролита, при необходимости, целесообразно проводить при замене или рихтовке электродов, приварке новых опорных поверхностей взамен значительно окислившихся у отрицательных электродов.

ремонт батарей

Опыт эксплуатации батарей типа СК показывает, что такая неисправность как короткое замыкание электродов через шлам, при шламовом пространстве, предусмотренном конструкцией аккумуляторов типа СК, даже при повышенном его уровне, практически не встречается. Объём шламового пространства при сроке эксплуатации более 20 лет никогда не заполнялся более чем на 40%.

Следовательно, работы по откачке шлама, представляющие определённую сложность, практически исключаются. Вышесказанное относится к аккумуляторам, имеющим стеклянные сосуды.

Наиболее серьезными неисправностями, требующими проведения ремонтных работ, являются:

  •  коробление и рост положительных электродов;
  •  окисление опорных поверхностей отрицательных электродов.

Коробление положительных электродов обычно выявляется визуально при просвечивании элементов в стеклянных сосудах. В случаях, когда невозможно определить степень коробления электродов, необходимо пользоваться линейкой из поливинилхлорида или органического стекла толщиной не более 3мм. Линейка поочередно вставляется между сепаратором и положительным электродом. Защемление линейки указывает на значительную степень коробления и необходимость проведения рихтовки электродов.

Рихтовку необходимо производить после проведения уравнительного (десульфатирующего) заряда. Наличие сульфатов в порах положительных электродов предопределяет их повышенную хрупкость, что при проведении рихтовки может привести к разрушению электрода.

При рихтовке электродов не допускается применять ударные методы, а требуется использовать винтовой пресс с применением плоских диэлектрических прокладок. Поштучно можно производить рихтовку с использованием плоской поверхности, на которую укладывается электрод, заключенным в полиэтиленовый чехол. Рихтовка производится под воздействием веса человека. Метод позволяет судить об остаточной сравнительной прочности электрода при минимальном количестве оснастки, необходимой для проведения ремонта.

Окисление опорной поверхности отрицательного электрода часто приводит к полной потере прочности. В результате разрушении электрод зависает на соединительной пластине, что со временем приводит к нарушению электрического контакта.

Это явление характерно для отрицательных электродов вo второй половине их срока службы. Под воздействие паров серной кислоты и кислорода воздуха происходит интенсивное окисление опорной поверхности выше уровня электролита. Поверхность покрывается студнеобразным слоем окисла, часто происходит расслоение свинца.

Определяется необходимость замены опорной поверхности с помощью плоскогубцев с изолированными держателями. Захватывая опорную поверхность плоскогубцами, обеспечивают её незначительный поворот от плоскости электрода. По прикладываемому усилию можно судить о необходимости замены. Для замены опорной поверхности электрод вырезается из элемента, производится обрезка опорной поверхности на расстоянии 10-15 мм от кромки электрода, поверхность зачищается. Электрод и вновь отлитая опорная поверхность укладываются в шаблон, где и производится сварка.

Плоскость электрода в месте выхода опорной поверхности необходимо прижать бруском свинца для обеспечения теплоотвода, чтобы исключить повреждение рабочей части электрода.

Ремонтные работы на аккумуляторных батареях, связанные с вырезкой электродов из элементов, можно производить как на объектах, допускающих выход батарей из работы, так и на объектах, где это недопустимо (подстанционные АБ). В последнем случае необходимо иметь от 1 до 3 элементов, размещенных в контейнерах, допускающих переноску. Предпочтительны элементы закрытого исполнения с жидким электролитом емкостью 20÷300 Ач. Эти элементы включаются параллельно ремонтируемым.

  1.  При замене электродов нельзя в одном и том же элементе устанавливать одновременно старые и новые электроды одной полярности.
  2.  При замене только положительных электродов можно устанавливать новые положительные при старых отрицательных электродах.
  3.  Нельзя при замене отрицательных электродов новыми оставлять в элементе старые положительные электроды.
  4.  При работе аккумуляторной батареи с элементным коммутатором в основной блок батарей (1-108 элементы) должны монтироваться наиболее качественные, даже за счет перемонтажа из числа дополнительных. Чем больше номер элемента, тем реже он включается в работу. Практически не зафиксировано включение элементов 125-130 на блочных батареях, следовательно, на их место могут быть установлены элементы с несколько худшими электрическими параметрами.

При проведении ремонтных работ связанных с заменой электродов необходимо иметь переносной сторонний источник тока, обеспечивающий выпрямленное напряжение до 6 В и плавную регулировку тока примерно до 50 А. Это позволит производить формировку отдельных элементов или их десульфатирующий заряд.

Устранение сульфатации электродов

Образование кристаллов сульфата свинца в электродах аккумулятора при разряде — явление нормальное, заключенное в принципе работы свинцового аккумулятора. Разрядная структура активной массы электродов представляет собой мелкокристаллическую форму сульфата свинца (PbS04), равномерно покрывающую токообразующую поверхность электродов, включая поверхность пор. При несвоевременной постановке на заряд или неполном заряде мелкие кристаллы нормальной разрядной структуры становятся центрами кристаллизации, происходит рост кристаллов. Чем дольше времени аккумулятор находятся без заряда, тем больше размеры растущих кристаллов. Происходит закупорка пор, уменьшается эффективная поверхность электродов, резко снижается ёмкость батарей. В конечном итоге процесс сульфатации становится необратимым.

В процессе эксплуатации аккумуляторов необходимо учитывать, что растворимость кристаллов сульфата свинца обратно пропорциональна их размерам. Только при своевременном заряде сульфат свинца легко преобразуется в диоксид свинца (РЬО2) на положительном и в губчатый свинец на отрицательном электроде.

Основными причинами повышенной сульфатации являются:

  1.  Длительное время нахождения батареи без подзаряда;
  2.  Короткие замыкания в элементах;
  3.  Систематические недозаряды;
  4.  Повышенная плотность электролита;
  5.  Высокая температура электролита;
  6.  Глубокие разряды;
  7.  Частые заряды большими токами;
  8.  Наличие вредных примесей в электролите.

Признаки сульфатации следующие:

  1.  Падение плотности электролита в сравнении с начальной;
  2.  Повышенное напряжение в начале заряда, достигающее 3В на элемент.

Подробнее о сульфатации и десульфатации Вы можете почитать здесь.

Анализ причин сульфатации свидетельствует, что при грамотной эксплуатации аккумуляторных батарей она может быть полностью исключена.

При не очень глубокой сульфатации всей батареи её следует длительно заряжать токам 0,1÷0,3 нормального зарядного тока, равного 0,10С10. Признаком окончания десульфатации является рост плотности электролита ж» первоначальной, равной 1,21г/см3 для батарей типа СК и её стабильности в течение не менее 3 часов. Случаи, когда засульфатирована вся батарея, весьма редки. Чаще приходится иметь дело с отдельными «отстающими» элементами, количество которых в батарее обычно не превышает 5%. Отставание таких элементов предопределяет наличие в них каких-то конкретных, ранее перечисленных неисправностей.

После выявление и устранения неисправностей элементов, рекомендуется проводить десульфатирующий дозаряд этих элементов путем наложения стороннего источника на ток подзаряда аккумуляторной батареи. Для этой цели целесообразно использовать переносные элементные или многоканальные подзарядные устройства, имеющие плавную регулировку Основным признаком окончания десульфатации является рост плотности электролита до первоначальной, косвенным — рост напряжении до величины 2,55-2,7 В на элемент. При сильном газировании элементов снижать ток дополнительного источника с увеличением длительности процесса. Такая методика позволяет обеспечить восстановление элементов бед вывода аккумуляторной батареи из работы. При этом она является альтернативой проведению уравнительного заряда, при котором исправные элементы получают значительный перезаряд с соответствующим сокращением срока службы.

Статья о закрытых стационарных свинцовых аккумуляторах с жидким электролитом.

Ссылка на основную публикацию