地鐵通信閥控式鉛酸蓄電池的維護(hù)與性能評(píng)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(tǒng)的儲(chǔ)能裝置，起著極其重要的作用，它在機(jī)房輸入電源供應(yīng)中斷后，繼續(xù)向負(fù)載供電。目前廣州地鐵通信專(zhuān)業(yè)不間斷電源系統(tǒng)中廣泛使用了閥控式密封鉛酸蓄電池，可在機(jī)房輸入電源中斷時(shí)，為通信專(zhuān)業(yè)傳輸系統(tǒng)、公務(wù)電話(huà)系統(tǒng)、調(diào)度電話(huà)系統(tǒng)、站內(nèi)及軌旁電話(huà)系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)等供電4 h，為視頻監(jiān)控系統(tǒng)、票務(wù)系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、時(shí)鐘系統(tǒng)供電1 h。

但由于日常維護(hù)與管理不當(dāng)，或本身質(zhì)量問(wèn)題，在蓄電池的使用過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)提前失效或容量達(dá)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(jié)構(gòu)使VRLA蓄電池具有免維護(hù)的優(yōu)勢(shì)，但維護(hù)人員無(wú)法準(zhǔn)確掌握蓄電池的性能狀況。因此，在正確使用和維護(hù)蓄電池的同時(shí)，如何更有效地檢測(cè)出失效蓄電池并預(yù)測(cè)蓄電池性能變化趨勢(shì)，以便及時(shí)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(hù)

2.1 VRLA蓄電池使用時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題

影響VRLA蓄電池使用壽命的因素主要有環(huán)境溫度、過(guò)壓充電、過(guò)度放電、長(zhǎng)期浮充電等。在地鐵新線(xiàn)建設(shè)中，受物資采購(gòu)與設(shè)備安裝工期的影響，蓄電池往往會(huì)提前到貨，如未能正確存放與維護(hù)電池，電池容易早期失效。在設(shè)備安裝過(guò)程中，新線(xiàn)機(jī)房環(huán)境差、溫度高，為了延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，有必要在空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后再安裝蓄電池。因此，蓄電池使用時(shí)應(yīng)注意以下問(wèn)題:

(1)保證穩(wěn)定的環(huán)境溫度

環(huán)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(guò)高，意味著化學(xué)反應(yīng)增強(qiáng)，會(huì)加快電池水分的損失和板柵的腐蝕，進(jìn)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(huì)減少一半。而溫度過(guò)低又會(huì)造成負(fù)極硫酸鹽化，使蓄電池容量減少。經(jīng)測(cè)試與計(jì)算，在20℃時(shí)，容量會(huì)降低為25℃的95%左右;在15℃時(shí)，容量會(huì)降低為25℃的90%左右。大量研究表明，蓄電池在25℃的環(huán)境下可獲得較長(zhǎng)的壽命。因此，為了盡可能延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，應(yīng)使蓄電池存放環(huán)境最高與最低溫度的溫度差小于3℃，建議維持蓄電池環(huán)境溫度處于22℃ ～25℃之間。

(2)避免過(guò)壓充電

地鐵通信不間斷電源系統(tǒng)的蓄電池長(zhǎng)期處于浮充充電狀態(tài)。浮充電壓過(guò)高，會(huì)發(fā)生過(guò)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(dǎo)致蓄電池壽命縮短，甚至損壞。當(dāng)然，浮充電壓過(guò)低，蓄電池又會(huì)充不滿(mǎn)，容量可能達(dá)不到使用要求。對(duì)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(guò)度放電

蓄電池的過(guò)度放電主要是發(fā)生在機(jī)房輸入電源中斷后，蓄電池長(zhǎng)時(shí)間為負(fù)載供電。當(dāng)蓄電池被放電到終止電壓后繼續(xù)放電，致使其電壓過(guò)低甚至為零，造成蓄電池組的深放電，導(dǎo)致蓄電池內(nèi)部大量的硫酸鉛被吸附到蓄電池的陰極表面，在陰極發(fā)生“硫酸鹽化”，使蓄電池的內(nèi)阻增大，造成電池容量下降，充放電性能變差，進(jìn)而縮短了使用壽命。同時(shí)，蓄電池放電深度越深，其循環(huán)使用次數(shù)就越少。因此，在使用時(shí)應(yīng)避免過(guò)度放電。在蓄電池組進(jìn)行了緊急放電后，有必要對(duì)蓄電池組進(jìn)行容量恢復(fù)的維護(hù)。

(4)盡量避免蓄電池新舊混用

在使用了一段時(shí)間之后，舊電池內(nèi)阻都有不同程度的增大，而新電池的內(nèi)阻相對(duì)較小。當(dāng)新舊電池串聯(lián)在一起充電時(shí)，舊電池內(nèi)阻大分壓較大，新電池內(nèi)阻小分壓較小，容易使某些電池長(zhǎng)時(shí)間處于過(guò)壓充電或欠壓充電的情況，進(jìn)而導(dǎo)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(shuō)，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(huì)拖垮性能好的電池，從而使整套蓄電池組提前失效。因此，應(yīng)盡量避免把新舊電池混合在一起使用。

(5)定期進(jìn)行充放電操作

若蓄電池長(zhǎng)期處于浮充狀態(tài)或長(zhǎng)時(shí)間閑置不用，都會(huì)發(fā)生“硫酸鹽化”現(xiàn)象，造成電池的陽(yáng)極極板鈍化，使電池內(nèi)阻增大、端電壓降低、容量下降，使用壽命也會(huì)縮短。蓄電池靜態(tài)存儲(chǔ)時(shí)間在常溫環(huán)境下一般為9個(gè)月，在溫度為31℃ ～40℃時(shí)一般為5個(gè)月。

由于蓄電池具有自放電的特性，為了確保地鐵通信設(shè)備24 h不間斷供電，蓄電池始終處于浮充充電狀態(tài)，確保以滿(mǎn)容量的狀態(tài)處于備用。而地鐵新線(xiàn)建設(shè)時(shí)間較長(zhǎng)，蓄電池從到貨到正式投入使用時(shí)間間隔往往達(dá)半年以上。因此，在運(yùn)營(yíng)維護(hù)與新線(xiàn)建設(shè)過(guò)程中，都應(yīng)該保證每半年至少進(jìn)行一次“激活”電池的放電操作，以活化電池內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。放電時(shí)間可控制在正常放電時(shí)間的25% ～30%之間。

2.2 常見(jiàn)的故障

在蓄電池維護(hù)中常見(jiàn)的故障有:

(1)電液滲漏。電液滲漏是蓄電池日常維護(hù)中常見(jiàn)的問(wèn)題，常常表現(xiàn)為蓄電池極柱周?chē)?、安全閥周?chē)螂姵貧づc蓋封合處有白色粉末。

(2)殼體變形。蓄電池使用時(shí)的輕微變形、鼓脹屬正?，F(xiàn)象。但是，在使用過(guò)程中，因碰撞或故障等原因，會(huì)出現(xiàn)外觀(guān)嚴(yán)重變形、嚴(yán)重鼓脹或殼體上有微小裂紋。

(3)單個(gè)蓄電池電壓過(guò)低。蓄電池組出現(xiàn)某個(gè)蓄電池電壓低于標(biāo)準(zhǔn)電壓值90%的現(xiàn)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(huì)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(xiàn)、電池柜的接地線(xiàn)松動(dòng)。其主要表現(xiàn)為螺絲、接頭或連接條的松動(dòng)。

(6)蓄電池容量變小。一般表現(xiàn)在蓄電池組中的個(gè)別蓄電池性能?chē)?yán)重下降。

2.3 維護(hù)措施

蓄電池每周需要完成以下檢查與測(cè)量，一旦發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理。

(1)外觀(guān)檢查:電池的極柱、安全閥周?chē)螂姵貧づc蓋封合處是否有電液滲漏，電池殼體有無(wú)滲漏、變形或發(fā)熱現(xiàn)象，蓄電池外殼的干燥與清潔狀況，電池連線(xiàn)與緊固螺絲有無(wú)松動(dòng)或腐蝕現(xiàn)象。

(2)日常測(cè)量:蓄電池組的浮充電壓，電池環(huán)境溫度。根據(jù)閥控式密封鉛酸蓄電池的特性與地鐵的設(shè)備使用環(huán)境，建議定期開(kāi)展以下保養(yǎng)內(nèi)容。

a.每半年進(jìn)行一次“激活”電池的充放電操作。

b.每年做一次核對(duì)性放電試驗(yàn)，放出額定容量的30% ～40%。電池在放電過(guò)程中，應(yīng)定時(shí)測(cè)量電流、單個(gè)電池電壓、單個(gè)電池內(nèi)阻和電池組總電壓，做好記錄。

c.每三年使用假負(fù)載做一次容量試驗(yàn)，放電深度為80%C10，做好電壓、電流與內(nèi)阻等數(shù)據(jù)的記錄，評(píng)判蓄電池組的性能狀態(tài)。

3 性能評(píng)估預(yù)判

3.1 性能評(píng)估方法

VRLA蓄電池的使用壽命理論上可達(dá)15～20年，廠(chǎng)家一般建議使用8～10年。通信行業(yè)蓄電池維護(hù)規(guī)程一般規(guī)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(shí)際使用中，由于蓄電池本身質(zhì)量或維護(hù)的原因，部分蓄電池的使用壽命往往達(dá)不到8年。為了能夠及時(shí)更換性能下降電池，應(yīng)對(duì)電池性能進(jìn)行評(píng)估預(yù)判。

蓄電池的評(píng)估預(yù)判應(yīng)包括運(yùn)行記錄分析與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試評(píng)估。蓄電池性能的變化是一個(gè)漸進(jìn)和積累的過(guò)程，準(zhǔn)確的運(yùn)行記錄有助于后期的評(píng)估預(yù)判。運(yùn)行記錄分析主要是對(duì)日常維護(hù)記錄、充放電情況記錄、電池出現(xiàn)的問(wèn)題記錄以及采取的措施記錄等進(jìn)行分析，從容量、內(nèi)阻等方面進(jìn)行運(yùn)行性能參數(shù)與設(shè)計(jì)性能參數(shù)對(duì)比分析，提供支撐數(shù)據(jù)及性能預(yù)測(cè)結(jié)論?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試評(píng)估是在蓄電池將要達(dá)到使用年限或預(yù)計(jì)性能無(wú)法滿(mǎn)足使用需求的時(shí)候所進(jìn)行的設(shè)備評(píng)估，主要包括外觀(guān)檢查、電壓測(cè)量、容量測(cè)量、內(nèi)阻測(cè)量四個(gè)方面。

(1)外觀(guān)檢查

蓄電池的外觀(guān)檢查主要是用目測(cè)的方法檢查電池殼體變形與裂紋情況，極柱周?chē)?、安全閥周?chē)c電池殼與蓋封合處有無(wú)漏液情況，連線(xiàn)與緊固螺絲的腐蝕情況。

(2)電壓測(cè)量

蓄電池的性能狀態(tài)最終體現(xiàn)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(tài)下，測(cè)試蓄電池組各個(gè)電池的端電壓。

(3)容量測(cè)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(guān)鍵設(shè)備，要求其容量必須滿(mǎn)足負(fù)載所需最小容量要求，所以檢測(cè)蓄電池的容量是非常重要的。可采用恒電流法測(cè)量電池容量，即對(duì)蓄電池采用恒定電流放電到規(guī)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(guò)程中，一組電池中只要有一只電池已放到終止電壓，就應(yīng)該停止放電。

(4)內(nèi)阻測(cè)量

單純依靠測(cè)量電池的電壓和容量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)無(wú)法準(zhǔn)確反映出電池的真實(shí)狀況，因此蓄電池的性能評(píng)估還應(yīng)結(jié)合電池的內(nèi)阻變化情況。大量的研究與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，在電池壽命期內(nèi)，電池實(shí)際容量的單調(diào)下降，總是會(huì)伴隨著內(nèi)阻的單調(diào)上升。也就是說(shuō)，在同一條件下測(cè)量比較電池內(nèi)阻的變化可以對(duì)電池性能提供預(yù)判信息。因此，在蓄電池進(jìn)行核對(duì)性放電過(guò)程中，還需要定時(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行內(nèi)阻測(cè)量。

3.2 更換標(biāo)準(zhǔn)

(1)單個(gè)蓄電池更換標(biāo)準(zhǔn)

單個(gè)蓄電池滿(mǎn)足下列條件之一，建議更換:蓄電池存在嚴(yán)重的變形、裂紋、漏液或極柱嚴(yán)重腐蝕等情況;12 V蓄電池的端電壓低于10.5 V且在經(jīng)過(guò)充電或激活充電后仍達(dá)不到12 V;進(jìn)行放電測(cè)試時(shí)，在1 h內(nèi)單個(gè)蓄電池電壓迅速下降到放電終止電壓，經(jīng)重新充放電試驗(yàn)后仍不滿(mǎn)足要求;同一組蓄電池中在保證連接等方面均不存在問(wèn)題的前提下，單個(gè)電池3次內(nèi)阻測(cè)試平均值均高于當(dāng)前整組蓄電池內(nèi)阻平均值40%以上。

由于廠(chǎng)家的工藝控制以及原材料的差異，不同的蓄電池內(nèi)阻存在差異。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，廣州地鐵通信不間斷電源系統(tǒng)中常用的12 V閥控式鉛酸蓄電池內(nèi)阻參數(shù)參考值如表1。

表1 常用12 V閥控式鉛酸蓄電池內(nèi)阻參數(shù)參考值

若僅從內(nèi)阻大小判斷，在放電測(cè)試中，測(cè)量?jī)?nèi)阻3次后取平均值，其內(nèi)阻平均值應(yīng)在表1所示的內(nèi)阻參考值范圍內(nèi)。超出范圍，可初步判斷該電池性能下降嚴(yán)重，需進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)試或直接更換。

(2)蓄電池組更換標(biāo)準(zhǔn)

蓄電池組滿(mǎn)足下列條件之一，建議更換:若經(jīng)過(guò)3次核對(duì)性放充電，鉛酸蓄電池組的容量均低于制造商規(guī)定的額定容量值的80%。

4 結(jié)束語(yǔ)

正確了解VRLA蓄電池的特點(diǎn)，加強(qiáng)日常維護(hù)和測(cè)量，準(zhǔn)確評(píng)估蓄電池的性能狀態(tài)，更換性能下降的蓄電池，不僅可以有效保障地鐵通信設(shè)備的供電質(zhì)量，還可以避免不必要的報(bào)廢與更換，節(jié)省維護(hù)成本。

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