Ошибки в эксплуатации свинцово-кислотных аккумуляторных батарей и их последствия

Устройство свинцового аккумулятора

Прежде чем перейти к рекомендациям о прочтении инструкций и условиях эксплуатации, напомним, что такое свинцовый аккумулятор. Свинцовая аккумуляторная батарея (АКБ) – это химический источник тока, в котором отдача электрической энергии происходит в результате химической реакции. Обратите внимание: вне зависимости от режимов эксплуатации и условий хранения в АКБ всегда будут протекать различные химические реакции.
Аккумуляторная батарея является многокомпонентным устройством и состоит из 6 отдельных элементов (рис. 1).


На положительном электроде используется паста на основе диоксида свинца, на отрицательном – паста на основе пористого свинца. Во всех свинцовых батареях используется жидкий электролит, который представляет собой раствор серной кислоты. В аккумуляторах, произведённых по технологиям AGM и GEL, электролит находится в жидком состоянии, но при этом отсутствует в свободном состоянии.
В аккумуляторах, сделанных по технологии AGM, электролит абсорбирован в сепараторе. А в батареях, выполненных по технологии GEL, электролит связан силиконовой основой, которая образует гелеобразную массу. Описанные типы АКБ отличаются не только технологией производства, но и сферами применения. Батареи, изготовленные по технологии GEL, наиболее часто применяются в системах автономного электропитания, которые включают в себя возобновляемые источники энергии. АКБ, выполненные по технологии AGM, чаще всего используются для обеспечения бесперебойного питания, как правило, на сравнительно непродолжительных интервалах времени.

Основные нарушения условий использования АКБ

Все производители АКБ дают рекомендации относительно эксплуатации своих батарей. Параметры условий работы АКБ хоть и незначительно, но могут меняться от серии к серии и от производителя к производителю, так как они отличаются компонентным составом и имеют разное назначение, поэтому так важно разобраться в рекомендациях и соблюдать технические параметры, которые указываются в инструкции по эксплуатации АКБ. Опираясь на свой практический опыт, авторы рассмотрели наиболее частые нарушения условий использования источников питания и их последствия.

Отсутствие температурной компенсации

Пример. Параметры эксплуатации для батарей серии Х и серии Y отличаются только напряжением поддерживающего режима для заданного значения температуры: 2,25 В/эл. (вольт на элемент) и 2,30 В/эл. соответственно. Параметры эксплуатации включают в себя нормальные условия, что подразумевает одинаковую температуру корпуса батареи и температуру помещения или окружающей среды, где они эксплуатируются. Аккумуляторы серии X заменили на аккумуляторы серии Y, условия эксплуатации остались неизменными, корректировка напряжения поддерживающего режима не проводилась. Через 2 года произошло аварийное срабатывание, и АКБ не выдержали расчётного времени автономной работы. При заявленном производителем сроке службы в 10 лет аккумуляторы вышли из строя уже через 2 года.
Основываясь на данных примера, когда разница напряжения поддерживающего режима составляет 0,05 В/эл., можно сказать, что срок службы АКБ сокращается в 5 раз. Однако несмотря на отсутствие корректировки напряжения поддерживающего режима, работоспособность АКБ можно восстановить, так как были соблюдены условия эксплуатации. Например, достаточно провести всего 2 контрольно-тренировочных цикла (КТЦ) по рекомендации производителя, чтобы восстановить до 90% остаточной ёмкости аккумуляторной батареи. При осуществлении КТЦ 1 раз в полгода/год гарантирована стабильная работа АКБ на протяжении всего заявленного производителем срока службы.
Эксплуатирующие организации не всегда проводят корректировку эксплуатационных параметров АКБ и оставляют те параметры, которые выставлены в источнике бесперебойного питания по умолчанию. А если корректировка или настройка параметров происходит, то в соответствии с рекомендациями, указанными в инструкции к ИБП. Параметры эксплуатации АКБ, которые предоставляет производитель ИБП, могут быть указаны для определённой модели аккумуляторов. Производитель ИБП не является экспертом в области химических источников тока, поэтому для максимального срока службы батареи необходимо соблюдение эксплуатационных условий, указанных в инструкции для АКБ. В частности, неправильно выставленное напряжение поддерживающего режима в отсутствие термической компенсации может привести к быстрой потере ёмкости и преждевременному выходу из строя АКБ.
Пример. В нормальных условиях эксплуатация АКБ проводится при температуре +25°С, при этом напряжение поддерживающего режима составляет 2,27 В/эл. В помещении, где установлена группа АКБ, постоянная температура +20°С. Для группы из 40 аккумуляторов выставляется напряжение поддерживающего режима 2,27∙6∙40=544,8 В, где 2,27 В/эл. – напряжение для одного элемента, 6 – количество элементов в батарее 12 В, 40 – количество АКБ в группе. Такое значение уже будет считаться низким напряжением при +20°С. Но это ещё не самый худший вариант из возможных. В инструкции ИБП могут быть прописаны и другие, более худшие значения напряжения поддерживающего режима: 2,25 В/эл. или 2,23 В/эл., соответственно 540 В/группа и 535,2 В/группа. В такой ситуации низкое значение напряжения рабочего режима может спровоцировать рост кристаллов сульфата свинца, что приведёт к уменьшению ёмкости и сокращению срока службы АКБ. А при оп­ределённом стечении факторов на пластинах образуется кристаллический суль­фат свинца, который приводит к термическому разгону и «вздутию» батарей.
Термический разгон (терморазгон) – это неконтролируемый процесс, протекающий с обильным выделением тепла и увеличением зарядного тока, сопровождающийся газообразованием (когда возрастает скорость электролиза). Скорость газообразования настолько велика, что превышает скорость рекомбинации на несколько порядков, и в аккумуляторной батарее внутреннее давление начинает превышать критическое значение, что приводит к стравливанию газов через клапан. Изменение геометрии корпуса, «вздутие» АКБ можно будет наблюдать только при разогретом корпусе. Если температура аккумуляторов превышает +90°С, то корпуса соседних батарей могут слипнуться (рис. 2).


Чтобы избежать таких последствий, следует вводить температурную компенсацию в обязательном порядке. Значение температурной компенсации можно узнать из инструкции к аккумуляторным батареям.
Температурная компенсация – это изменение напряжения поддерживающего режима в зависимости от отклонений температуры.
Для аккумуляторных батарей типа AGM значение температурной ком­пенсации поддерживающего режима 0,0033 В/эл./°С, то есть при пониже-нии температуры на один градус рабочее напряжение следует повысить на 0,0033 В/эл./°С. На первый взгляд, это ничтожно малая цифра, однако для 12 В батарей значение температурной компенсации будет следующим: 0,0033∙6=0,0198 В/эл./°С. А для группы из 40 батарей, эксплуатирующихся при +20°С, величина температурной компенсации составит 0,0198∙40∙5 = 3,96 В/эл./°С, практически 4 В. В итоге зарядное напряжение для группы из 40 аккумуляторных батарей, при +20°С должно быть 548,76 В/группа (табл. 1).


В отсутствие термической компенсации недостаточный уровень зарядного напряжения приведёт к «хроническому» недозаряду АКБ и, как следствие, к перекристаллизации сульфата свинца, в результате чего сокращается срок службы АКБ. Если не вводить температурную компенсацию, то срок службы сократится в 4–5 раз.

Ограничение зарядного тока

Также на срок службы аккумуляторной батареи влияет ограничение тока заряда. Следует устанавливать ограничение зарядного тока не менее 10% и не более 30% от номинальной ёмкости, например, для батарей AGM-типа.
Очень часто встречается ограничение зарядного тока 5% от номинальной ёмкости, что ниже рекомендуемого значения. Также не соблюдается величина ограничения зарядного тока при подключении к источнику бесперебойного питания нескольких параллельных групп, специалисты просто забывают о первом законе Кирхгофа.
При заряде аккумуляторной батареи происходит разрушение сульфата свинца с восстановлением свинца/диоксида свинца. Ограничение тока заряда менее 10% от номинальной ёмкости является слишком низким, так как для разрушения сульфата его будет недостаточно. Сульфат свинца будет частично оставаться на пластинах и под действием протекания низкого тока может начать перестраиваться в кристаллическую структуру.
Сильная степень кристаллизации сульфата свинца может привести к термическому разгону при заряде АКБ после выхода из аварийного режима. Кристаллический сульфат свинца является малопроводящим веществом и при протекании зарядного тока начнёт работать как резистор с выделением тепла. Батарея начнёт греться изнутри, что приведёт к термическому разгону.
Причиной термического разгона может быть не только необратимая сульфатация, но и влияние температуры. Поэтому следует проводить температурную компенсацию по замерам температуры корпуса аккумуляторной батареи, а не по температуре рабочего помещения, которую замеряет источник бесперебойного питания.
Пример. Рассмотрим влияние температуры на работу АКБ при следующих условиях. Группа аккумуляторных батарей установлена в батарейном шкафу. Батарейный шкаф и источник бесперебойного питания находятся в одном помещении. Время автономной работы составляет 1 час.
Во время аварийного отключения происходит значительное повышение температуры воздуха в помещении за счёт работы ИБП. Восстановление электроснабжения произошло в течение 40 минут после аварийного отключения. За это время АКБ успели нагреться до +40…+50°С. Аккумуляторы начали заряжаться из разогретого состояния, что привело к термическому разгону.
Внимание: если аккумуляторные батареи ушли в термический разгон и геометрия корпуса начала изменяться, появляется большая вероятность того, что на корпусе шкафа произойдёт короткое замыкание. При этом образуется контур протекания тока без задействования автоматов защиты, и это, в свою очередь, приведёт к гарантированному возгоранию.

Почему кондиционеры не всегда помогают?

Система кондиционирования помещения может быть эффективным решением только в том случае, если она будет подключена к источнику бесперебойного питания. В противном случае кондиционирование будет малоэффективным. Во время аварийного отключения кондиционирование не будет работать и включится только после восстановления электроснабжения. Даже если кондиционеры будут обладать достаточной мощностью и производительностью и быстро снизят температуру в помещении, это не значит, что температура АКБ сравняется с температурой окружающей среды. Так как аккумуляторы находятся в закрытом шкафу, в котором нет принудительной вентиляции, то теплообмен между окружающей средой и пространством внутри шкафа не будет происходить и аккумуляторы будут долго оставаться в разогретом состоянии.
Для нормальной работы АКБ при повышенных температурах кондиционеры должны быть запитаны от ИБП. Установка принудительной вентиляции в шкафу снизит риск возникновения термического разгона. Термическая компенсация должна осуществляться на основании показаний термодатчика внутри шкафа. Но лучшим решением будет установка аккумуляторных батарей на стеллажах в отдельном помещении.
Влияние температуры, рабочих напряжений и тока заряда является существенным, так как в основе свинцового аккумулятора лежит химическая реакция.

Что отличает современные АКБ

Если посмотреть на историю развития АКБ, то мы увидим, что основной конструктив свинцовой батареи не изменился. В батарее, собранной 150 лет назад, и в современной АКБ можно найти одинаковые составные части: положительный и отрицательный электроды, сепаратор и электролит.
Но если начать разбираться в составе аккумулятора, то становится ясно, что современные батареи далеко ушли от своих «прародителей». Основная химическая пара осталась неизменной, но в современных батареях присутствуют различного рода добавки и ингибиторы.
Каждый производитель использует свой компонентный состав, который отличается не только компонентами, но и массовым соотношением. И прежде чем выпустить новый продукт на рынок, производитель проводит массу экспертных исследований.
Разработка нового продукта занимает от двух лет. Затем происходит тестирование нового продукта в течение ещё двух-трёх лет. Таким образом, эксперты приступили к разработке технологии производства современных аккумуляторных батарей около 5 лет назад, и к каждой из них имеется инструкция по эксплуатации, соблюдение которой значительно увеличивает срок службы АКБ.
В модельном ряду профессиональной линейки DELTA Xpert (компания «Энергон») произошла модернизация самой энергоёмкой серии HRL-W. Эта серия предназначена для применения в сложных комплексных проектах резервного электроснабжения. Она разработана для эксплуатации в буферном режиме и удовлетворяет запросам экспертов, предъявляющих высокие требования к разрядным характеристикам.
Комплексное решение по обеспечению автономной работы объекта, реализуемое на модернизованной серии HRL-W, стало более энергоэффективным, компактным и экономически выгодным. Разрядные характеристики на коротких интервалах повысились на 10% и более, что позволяет использовать аккумуляторные батареи меньшей ёмкости при тех же параметрах разряда: мощности и времени автономной работы.

Заключение

В данной статье мы рассказали о некоторых ошибках в эксплуатации свинцовых аккумуляторных батарей и об их последствиях. Наглядные примеры ещё раз подтверждают важность не толь-
ко внимательного прочтения инструкции по эксплуатации, но и её соблюдения. Следуя указаниям технических специалистов компаний-производителей АКБ, вы уменьшите финансовые и трудовые затраты, будете уверены в надёжности работы всей системы и исключите её поломку по причине выхода из строя АКБ. В статье авторы также презентовали модернизацию самой энергоёмкой серии – HRL-W профессиональной линейки DELTA Xpert (компания «Энергон»).
В следующих статьях будет рассказано об аккумуляторах серии DTM I, в которых используется технология IC Power. Эксклюзивная особенность новинок – наличие LCD-дисплея, на котором отображается состояние АКБ. Кроме того, для аккумуляторов этой серии появилась возможность однократно увеличить срок их службы в процессе эксплуатации с помощью долива специального раствора, идущего в комплекте поставки. ●

Телефон: (495) 234-0636
E-mail: info@prosoft.ru