CC BY
52СПОСОБ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ СНИЖЕНИЯ ЕМКОСТИ ОТКРЫТЫХ СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ И МЕТОДИКА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИХ РАБОТОСПОСОБНОСТИ
М.Д. Маслаков, доктор технических наук, профессор, заслуженный работник высшей школы РФ; А.П. Корольков, кандидат технических наук, профессор; М.В. Довиденко.
Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России
Рассмотрено снижение емкости открытых свинцово-кислотных аккумуляторов, используемых в устройствах бесперибойного питания, по причине увеличения сопротивления диффузии электролита. Предложен способ диагностирования таких аккумуляторов на снижение их емкости и методика восстановления их работоспособности по причине увеличения сопротивления диффузии электролита. Приведены результаты устранения этой неисправности: увеличение срока службы открытых свинцово-кислотных аккумуляторов и повышение надежности важнейших потребителей, питающихся от них.
Ключевые слова: открытые свинцово-кислотные аккумуляторы, диагностирование снижения емкости, диффузия электролита, устройства бесперебойного питания, плотность электролита в порах пластин, плотность электролита над блоком пластин, перезаряд аккумуляторов, лечебный цикл
WAY OF DIAGNOSING OF DECREASE IN CAPACITY OPEN LEAD-ACID ACCUMULATORS AND TECHNIQUE OF RESTORATION OF THEIR WORKING CAPACITY
M.D. Maslakov; A.P. Korolkov; M.V. Dovidente.
Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia
It was considered reducing capacity of the open lead-acid batteries used in uninterruptible power supply devices, because of increased diffusion resistance of the electrolyte. Proposed a method of of diagnosing these batteries to reduce their capacity, due to increase diffusion resistance of the electrolyte. It was proposed a method for eliminating this malfunction. Here are the results of correction the malfunction: Increased service life of open batteries, improved the reliability of the major consumers.
Key words: open lead-acid accumulators, diagnosing of decrease in capacity, diffusion of electrolit, device of an uninterrupted food, density of electrolit in a time of plates, density of electro-lit over the block of plates, recharge of accumulators, medical cycle
Для потребителей важнейшим требованием к системам электропитания, от которых зависит жизнь и здоровье людей, является требование бесперебойного электроснабжения. Это, в первую очередь, важно для таких систем, как системы охранной и пожарной сигнализации, аварийного освещения, аварийной эвакуации людей и т.п. В соответствии с
современными требованиями установка электропитания должна быть рассчитана на работу в нормальном режиме без вмешательства эксплуатационного персонала. В аварийном режиме в зависимости от требований питаемой аппаратуры, установка должна обеспечивать бесперебойное электропитание. При отказе основного источника электроэнергии резервный источник практически мгновенно должен принимать на себя нагрузку. В качестве такого источника обычно используется аккумуляторная батарея. При этом переключение режимов работы аккумуляторов должно осуществляться автоматически и соответствовать требованиям применяемых аккумуляторов. Если позволяют условия, то есть существует отдельное аккумуляторное помещение с проточно-вытяжной вентиляцией, то целесообразно использовать открытые свинцово-кислотные аккумуляторы, имеющие в крышке вентиляционное отверстие, через которое удаляются выделяющиеся газы, заливается электролит, замеряется плотность электролита. Обслуживание их не требует больших трудозатрат, и при соблюдении режимов эксплуатации они обычно отрабатывают срок службы, указанный в технических условиях (ТУ).
Закрытые необслуживаемые аккумуляторы отличаются большей зависимостью срока службы от температуры окружающей среды, ограниченным числом зарядно-разрядных циклов (в пределах 200-300) и жесткой зависимостью от буферного напряжения. В частности, при любых отклонениях напряжения, превышающих 2,5 %, или выключениях выпрямителя, снижается срок службы таких аккумуляторов и надежность системы. В отличие от закрытых необслуживаемых аккумуляторов, открытые свинцово-кислотные аккумуляторы можно диагностировать по различным параметрам, принимать меры по устранению их отклонений от нормы, и таким образом повышать срок службы до значения, указанного в ТУ.
В ходе эксплуатации открытых свинцово-кислотных аккумуляторов возможны случаи, когда аккумуляторная батарея начинает отдавать пониженную емкость. Это может происходить за счет загрязнения электролита и увеличения саморазряда или за счет увеличения сопротивления диффузии электролита, которое может происходить из-за недозарядов или других нарушений правил эксплуатации свинцово-кислотных аккумуляторов. Как следствие, не весь РЬ804, находящийся на пластинах аккумулятора, превращается при заряде в активные вещества РЬ02 и РЬ. Поскольку РЬБ04 имеет существенно больший удельный объем [1], то он в определенной мере закупоривает поры, увеличивая тем самым сопротивление диффузии электролита и снижая емкость аккумулятора. В этом случае для устранения нежелательного эффекта необходимо проводить перезаряд или лечебный цикл аккумуляторов. Авторами рассматривается способ [2] диагностирования и восстановления емкости открытых свинцово-кислотных аккумуляторов, применяемых в устройствах бесперибойного питания (УБП).
Для реализации данного способа диагностирования после эксплуатации свинцово-кислотной аккумуляторной батареи открытого типа в течение 10-12 циклов заряда/разряда ей дают полный заряд с перезарядом в течение двух часов, а затем 10-часовой разряд до установленного для этого разряда конечного разрядного напряжения. После окончания разряда аккумуляторной батареи ее оставляют стоять без тока в течение 3-х часов, а затем измеряют температуру электролита, электродвижущую силу (ЭДС) аккумуляторов и вычисляют установившееся значения ЭДС аккумуляторов при 250 С.
Вычисление установившегося значения ЭДС осуществляют по формуле:
(Е - Е)).™™ 1
Я' = 2,041+ 0,02566-^ + 0,059
250 от- ' Г>3/.0
ЯТ Р3(*и - 25)
где Е - измеренная ЭДС аккумулятора, В; Е0= 2,041+0,00136(1;0-25) - стандартная ЭДС
00
свинцово-кислотного аккумулятора при температуре электролита 1; С, В; 1 - температура
электролита, находящегося сверху блока пластин аккумулятора, 1 0С; Т = 237+1° - абсолютная температура электролита, К; Б = 96484,93 Кл- моль-1 - постоянная Фарадея; Я = 8,3144 Дж-К-1-моль - универсальная газовая постоянная; Р =0,99 - коэффициент, характеризующий изменение активности серной кислоты в электролите для значений плотности электролита, которые имеют место после разряда свинцового аккумулятора различными режимами разряда до конечного разрядного напряжения.
Затем, по вычисленному значению установившейся ЭДС аккумулятора при 25° С, интерполяцией данных (табл. 1), определяют плотность электролита, находящегося в порах пластин при 25° С.
Таблица 1
й 25°, кг / л Е' В 25° ' й 25°, кг / л Е' В 25° '
1,°°°6 1,76183 1,158 2,°137°
1,°°4 1,79625 1,2°° 2,°5289
1,°1° 1,83122 1,239 2,°8974
1,°28 1,881°2 1,274 2,12368
1,°57 1,91945 1,3°5 2,155°4
1,11° 1,97°99 1,334 2,1822°
Далее ареометром измеряется плотность электролита, находящегося над блоком пластин аккумулятора и измеренное значение плотности электролита приводится к значению при 25° С по известной зависимости:
и0 /25°
йг = й25 -а,(г° -25), (1)
где а! - температурная поправка изменения плотности электролита на 1° С [3], приведенная ниже в табл. 2.
Затем вычисляется разность плотности электролита при 25° С над блоком пластин аккумулятора и плотности электролита при 25° С, находящегося в порах пластин аккумулятора.
Таблица 2
Плотность при 2°° С, г/см3 Поправка на 1°С, (а^ Плотность при 2°°С, г/см3 Поправка на 1°С, (а^
1,°1 °,°°°2 1,42 °,°°°8
1,°4 °,°°°3 1,56 °,°°°9
1,°7 °,°°°4 1,7° °,°°1°
1,11 °,°°°5 1,77 °,°°11
1,15 °,°°°6 1,84 °,°°1°
1,22 °,°°°7 - -
Полученная разность, которая зависит от величины сопротивления диффузии электролита, фиксируется. Если окажется, что эта разность возросла на °,°1 г/см3 по сравнению с зафиксированной, то это указывает на то, что причиной снижения емкости соответствующего аккумулятора батареи является увеличение сопротивления диффузии электролита.
В разные УБП входят аккумуляторные батареи с номиналом напряжения 24, 48, 6° В, которые состоят из 12, 24 и 3° аккумуляторов. В состав некоторых аккумуляторных батарей
УБП может входить и большее число аккумуляторов. Аккумуляторы, у которых указанным выше способом будет установлено снижение емкости по причине увеличения сопротивления диффузии электролита, следует подвергнуть перезаряду или лечебному циклу. Перезаряд рекомендуется проводить по следующей методике [4]:
а) с окончанием нормального заряда батареи УБП аккумуляторы, у которых указанным выше способом будет установлено снижение емкости по причине увеличения сопротивления диффузии электролита, следует соединить в группу и продолжить их заряд током, равным половине величины тока III ступени нормального заряда; данный ток поддерживается постоянным в течение 3 часов; если аккумуляторная батарея состоит из неразъемных элементов, перезаряд проводится для всей батареи;
б) замеры и записи величины зарядного тока, напряжения этой группы аккумуляторов, напряжения, плотности и температуры электролита контрольных аккумуляторов производятся каждые 30 мин. перезаряда; в качестве контрольных аккумуляторов выбираются два аккумулятора, имеющие средние показатели напряжения, плотности и температуры электролита;
в) по окончании перезаряда измерить у всех аккумуляторов группы (батареи) плотность электролита ареометром и температуру электролита;
г) пересчитать плотность электролита каждого аккумулятора на температуру 250 С по формуле (1);
д) подсчитать и записать количество аккумуляторов, имеющих нормальную плотность электролита, количество аккумуляторов, имеющих пониженную плотность, сгруппировав их через 0,005 г/см3; выписать номера аккумуляторов, отстающих по плотности, а также имеющих плотность электролита на 0,01 г/см3 выше номинальной.
Для аккумуляторов, у которых плотность электролита на 0,01 г/см3 и более выше номинальной, следует снизить плотность электролита до нормы. Для этого за 2 часа до окончания очередного заряда всей батареи УБП у аккумуляторов с завышенной плотностью необходимо изъять резиновой грушей определенное количество электролита и долить такое же количество дистиллированной воды.
Ориентировочно количество электролита v в литрах, которое необходимо удалить из аккумулятора для снижения плотности электролита до нормальной величины, определяется по формуле (2), приводимой в [4]:
в ф - В
м ф н
v = V--(2)
Вф , (2)
ф
где V - количество всего электролита в аккумуляторе данного типа; Вф - количество моногидрата в одном литре электролита фактической плотности, приведенной к температуре 30° С согласно табл. 3, г/л; Вн - количество моногидрата в одном литре электролита номинальной плотности, приведенной к 300 С согласно табл. 3.
Лечебный цикл является более эффективным способом устранения снижения емкости по причине увеличения сопротивления диффузии электролита. Он проводится для аккумуляторов, соединенных в одну группу или для всей батареи, если в нее входят неразъемные элементы, в следующем порядке [4]:
а) проводится нормальный заряд этой группы аккумуляторов (батареи) с перезарядом в течение 3 часов;
б) по окончании перезаряда у всех аккумуляторов ареометром измеряется плотность электролита и его температура;
в) пересчитывается плотность электролита каждого аккумулятора на температуру 250 С по формуле (1);
г) согласно пункта (д) выполняются действия, производимые для устранения увеличения сопротивления диффузии электролита перезарядом;
д) осуществляется разряд группы (батареи) аккумуляторов током 2° часового или более длительного режима разряда до достижения конечного напряжения для данного режима у одного аккумулятора;
е) по окончании разряда производится обмер ареометром плотности электролита и температуры электролита всех аккумуляторов; плотность электролита приводится к температуре 25° С по формуле (1);
ж) подсчитываются ампер-часы, снятые с аккумуляторов во время разряда, и определяется в процентах от номинального значения емкость для данной температуры электролита по формуле [4]:
С
г 1°° %
С
где С - емкость, снятая при данной температуре, А-ч; Сф - емкость, указанная в формуляре
для аккумуляторов для данного режима разряда и температуры электролита, А-ч;
з) проводится нормальный заряд аккумуляторов с перезарядом;
и) по окончании заряда осуществляется замер ареометром плотности и температуры электролита у всех аккумуляторов; плотность электролита приводится к температуре 25° С по формуле (1);
к) согласно пункта (д) выполняются действия, производимые при устранении увеличения сопротивления диффузии электролита перезарядом.
Таблица 3
Плотность Количество Плотность Количество
раствора Н2804, г/см3 моногидрата в 1 л раствора, г раствора Н2Б04, г/см3 моногидрата в 1 л раствора, г
при 15° С при 3°° С при 15°С при 3°° С
1,°9 142 153 1,25 418 437
1,1° 158 17° 1,26 435 456
1,11 175 188 1,27 454 474
1,12 191 2°2 1,28 472 492
1,13 2°7 221 1,29 49° 512
1,14 223 237 1,3° 51° 531
1,15 239 253 1,31 529 55°
1,16 257 273 1,32 548 57°
1,17 275 292 1,33 567 588
1,18 292 31° 1,34 586 6°7
1,19 31° 328 1,35 6°5 626
1,2° 328 346 1,36 624 645
1,21 345 364 1,37 643 661
1,22 364 383 1,38 662 684
1,23 382 4°2 1,39 682 7°4
1,24 4°° 42° 1,4° 7°2 723
При отсутствии счетчика ампер-часов количество ампер-часов при заряде определяется для нормального режима заряда по формуле [4]:
С = Vi + /2 *2 + /3f 3 + |(у + 14 + 15 +••• + у),
где С - количество ампер-часов, данных группе аккумуляторов при нормальном заряде; I1, I2, I3 - величина тока на I, II, III ступенях заряда, А; t1, t2, t3 - продолжительность I, II, III ступеней заряда, ч; I4, I5,-- величина тока через каждые 30 мин. IV ступени заряда, А; Ik - величина тока в конце IV ступени заряда, А.
Примечания: 1. Величина тока на I, II, III ступенях заряда поддерживается постоянной, а на IV ступени заряда поддерживается постоянным напряжение заряда, ток заряда при этом уменьшается.
2. В период разряда группы аккумуляторов (батареи) при снятии 100 % емкости с учетом поправки на температуру электролита разряд аккумуляторов следует прекратить, не дожидаясь конечного напряжения.
Рассмотренный способ диагностирования снижения емкости открытых свинцово-кислотных аккумуляторов по причине увеличения сопротивления диффузии электролита и методика устранения этой неисправности позволяют увеличить срок их службы. В результате повышается надежность функционирования таких важнейших потребителей, питающихся от УБП, как системы охранной и пожарной сигнализации, аварийного освещения, аварийной эвакуации людей и другие.
Литература
1. Досоян М.А., Агуф И.А. Основы расчета конструирования и технологии производства свинцовых аккумуляторов. Л.: Энергия, 1978.
2. Маслаков М.Д. Способ диагностирования снижения емкости свинцового аккумулятора по причине увеличения сопротивления диффузии электролита: Пат. 2231173 РФ // Бюл. 17. 2004.
3. Перельман В.И. Краткий справочник химика. М.: ГНТИ химической литературы,
1963.
4. Руководство по эксплуатации аккумуляторных батарей подводных лодок. М.: Воениздат, 1991.
