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閥控式鉛酸蓄電池的特性、應用及維護
摘要：介紹了閥控式鉛酸蓄電池的工作原理、特性、應用及維護時應注意的問題，并結合例子說明如何選擇蓄電池為UPS及電力系統配套。 關鍵詞：蓄電池；浮充；電池容量
上世紀80年代起，國外生產類似產品的企業大量發展，1988年深圳華達電源系統有限公司引進了美國GNB公司的技術，在消化吸收后開始生產閥控式鉛酸蓄電池，通過并聯組合最大容量可達12960Ah。20世紀90年代我國生產類似產品的廠家遍及全國。 1閥控式鉛酸電池的工作原理 閥控式鉛酸蓄電池的設計原理是把所需份量的電解液注入極板和隔板中，沒有游離的電解液，通過負極板潮濕來提高吸收氧的能力，為防止電解液減少把蓄電池密封，故閥控式鉛酸蓄電池又稱“貧液電池”。 閥控式鉛酸蓄電池的極柵主要采用鉛鈣合金，以提高其正負極析氣（H2和O2）過電位，達到減少其充電過程中析氣量的目的。正極板在充電達到70％時，氧氣就開始發生，而負極板達到90％時才開始發生氧氣。在生產工藝上，一般情況下正負極板的厚度之比=6：4，根據這一正、負極活性物質量比的變化，當負極上絨狀Pb達到90％時，正極上的PbO2接近90％，再經少許的充電，正、負極上的活性物質分別氧化還原達95％，接近完全充電，這樣可使H2、O2氣體析出減少。采用超細玻璃纖維（或硅膠）來吸儲電解液，并同時為正極上析出的氧氣向負極擴散提供通道。這樣，氧一旦擴散到負極上，立即為負極吸收，從而抑制了負極上氧氣的產生，導致浮充電過程中產生的氣體90％以上被消除（少量氣體通過安全閥排放出去）。 2閥控式鉛酸蓄電池的特性 2.1浮充電壓 浮充電壓=開路電壓＋極化電壓
=（1.30＋0.85）＋(0.10～0.18)V =2.15V＋0.10V =2.25V 例如，美國圣帝公司的電池電解液比重為1.240g/cm3,所以它的浮充電壓為2.19V。日本YUASA公司的浮充電壓為2.23V。 2.2浮充電流 固定型防酸隔爆蓄電池的浮充電流有兩個作用： 1）補充蓄電池自放電的損失； 2）向日常性負載提供電流。 閥控式鉛酸蓄電池的浮充電流有三個作用： 1）補充蓄電池自放電的損失； 2）向日常性負載提供電流； 3）浮充電流足以維持電池內氧循環。 2.3端電壓的偏差（靜態偏差與動態偏差） 動態偏差在浮充運行初期較大。實際上，剛出廠的蓄電池可能是因為部分電池中處于電解液飽和狀態而影響了氧復合反應的進行，從而使浮充電壓過高，電解液飽和的電池會因不斷的充電使水分解而“自動調整”至非飽和狀態，6個月后端電壓偏差逐漸減小。但偏差較大也不排除與有的制造商制造質量有關。 我國GB13337.1－Q1及德國DJN43539－84規定固定型電池靜態偏差范圍為電壓平均值的＋0.1～0.05V。 郵電部YD/T799－1996規定，靜態時，最高電壓與最低電壓值偏差為20mV，動態時，最高電壓值與最低電壓值偏差不超過50mV。 電力部DL/T637－1997規定，靜態時，最高電壓與最低電壓值偏差為30mV，動態時，最高電壓值與最低電壓值偏差不超過50mV。 2.4氣體的復合 在正常浮充電電壓下，電流在0.02C以下時，氣體100％復合，正極析出的氧擴散到負極表面。100％在負極還原，負極周圍無盈余的氧氣，負極析出的氫氣是微量的。若提升浮充電壓，或環境溫度升高，使充入電流徒升，氣體再化合效率隨充電電流增大而變小，在0.05C時復合率為90％，當電流在0.1C時，氣體再化合效率近似為零。如圖1所示，這時聚集在負極的氧氣和負極表面析出的氫氣很多，電池內壓徒升，排氣閥開啟，造成蓄電池嚴重缺水。 2.5溫度的影響 電池充電時其內部氣體復合本身就是放熱反應,使電池溫度升高，浮充電流增大，析氣量增大，促使電池溫度升得更高，電池本身是“貧液”，裝配緊密，內部散熱困難，如不及時將熱量排除，將造成熱失控。浮充末期電壓太高，電池周圍環境溫度升高，都會使電池熱失控加劇。 溫度每升高1℃,電池電壓下降約3mV/單電池，致使浮充電流升高，使溫度進一步升高。溫度高于50℃會使電池槽變形。 溫度低于－40℃時，閥控式鉛酸蓄電池還能正常工作，但蓄電池容量會減小。 閥控式鉛酸蓄電池由于結構問題對溫度要求很高，這一點大家都注意到了，為此，在設計充電設備時都考慮了溫度補償措施，但溫度采樣點的選取至關重要，它直接關系著補償的效果。溫度采樣點有三處，即蓄電池附近的空氣溫度、蓄電池外殼的表面溫度及蓄電池內部電解液溫度。第一處最容易，目前基本都采用此法，但這種方法很不準確，因為由于某種原因使蓄電池溫度升高，但蓄電池溫度的升高很難引起蓄電池附近的空氣溫度的升高，因此這種補償措施基本無用；第三處最能反應蓄電池的實際情況，但較難實現；第二處最實際，也較容易實現，目前已有企業根據第二處的采樣設計溫度補償單元。 2.6種類 閥控式鉛酸蓄電池分為三類，即大型、中性、小型。單體在200Ah及以上為大型，20～200Ah為中型，20Ah以下為小型。 電力系統在設計上一般均選用大型鉛酸蓄電池,而UPS電源在設計上則選用中型鉛酸蓄電池。 2.7電池容量 鉛酸蓄電池的極板在制造過程中，對生極板進行充電化成，使正極板上的鉛變成二氧化鉛，負極板上的鉛變成海綿狀鉛。但由于在制造廠對極板進行化
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蓄電池型號
我國、日本、德國工業用電池采用10小時率，美國的工業用電池標準為8小時率。 我國電力、郵電標準規定，10小時率電池，1小時率時容量為0.55C10。 日本工業標準規定2V，10小時率電池，1小時率時容量為0.65C10；6V、12V，10小時率電池，1小時率時容量為0.6C10。20小時率電池，10小時率時容量為0.93C20，1小時率時容量為0.56C20。 電力系統一般在設計上均選用10小時率鉛酸蓄電池,而UPS電源在設計上則選用20小時率鉛酸蓄電池。 2.8壽命 工業電池可分為兩類：一類為深循環使用的電池，另一類為浮充使用的“備用電源”電池。循環使用的電池以深循環次數來表示其使用壽命，以0.8C10深度充放電循環使用的電池，其壽命達到1200次以上；而浮充使用的電池，年限可達到10～12年，有的可達到15～20年。蓄電池只有80％容量時認為壽命終止。 3閥控式鉛酸蓄電池的應用 3.1UPS電池的選擇 例如：某UPS的功率輸出為50kVA，其 直流電壓范圍330～480V； 放電時間30min； 單體終止電壓1.67V； UPS效率0.90； 功率因數0.95。 計算與選擇 1）將UPS的kVA數轉換為kW數 50/（0.9×0.95）=58.48kW 2）決定所需電池個數n n=330V/1.67V=198 3）確定電池電壓不超過直流電壓范圍 198×2.27=449.46V<480V 4）決定每單元所承受的功率 58480W/198=295.35W 由于蓄電池使用壽命終止的條件為電池放電容量的80％，因此應使用此時的容量作為初次選擇的條件，則 295.35W/0.8=369.19W 5）從YUASA說明書的功率資料找出適當的終止電壓（1.67V）放電時間（30min）。 從表1找出型號UXL220—2可承受387W>369.19W的功率，設計壽命15年。 3.2電力系統蓄電池的選擇 例如：某220kV變電所220V直流負荷為 經常負荷16.0A; 事故照明18.2A; 通信電源9.1A;
表2GFM型蓄電池不同時間放電率及不同放電終止電壓容量換算系數和容量系數表終止電壓V容量換算系數容量系數不同放電時間（min）的Kc和Kcc
遠動電源4.5A; 電流統計47.8A; 1小時容量統計47.8Ah。 計算與選擇 1）根據最高電壓確定蓄電池個數n n=1.05×額定電壓/浮充電壓 =1.05×220/2.25 =102.67取n=102個 2）蓄電池放電終止電壓UZ UZ≥0.85×額定電壓/n =0.85×220/102 =1.83V 3）蓄電池容量選擇CC CC=KK×CS/KCC =可靠系數×放電容量/容量系數 =1.4×47.8/0.656 =102Ah （容量系數可從表2查出）。 選擇蓄電池的標稱容量C10=200Ah。 注：可靠系數取1.4,其中已考慮低溫對蓄電池的影響、電池的參數不一致的影響及當電池容量低80％時為壽命終止。4使用注意事項 閥控式密封鉛酸蓄電池也有人稱之為“免維護電池”，由于使用方便，近幾年來在電力及郵電通信部門得到廣泛的應用，但由于不了解閥控式密封鉛酸蓄電池的特性，往往幾年就報廢了，給企業造成極大的損失。 首先將“免維護電池”當作不用維護就錯了，“免維護電池”只是制造商的廣告用語。閥控式密封鉛酸蓄電池在使用中應注意觀察電池的溫度情況，隨時注意觀察浮充電壓，若充電設備沒有補償溫度的功能，就應按溫度每上升1℃，每單體電池浮充電壓下降3mV進行修正。 由于觀察不到閥控式密封鉛酸蓄電池內部的情況，因此在使用中應定期對其進行放電試驗，以檢測蓄電池容量，避免因其容量下降而起不到備用電源的作用。需要注意的是蓄電池在放電時不要過放電，放電后必須在12h內補充電，否則將造成蓄電池的永久損壞。 注意選用閥控式密封鉛酸蓄電池的容量與電池的類型，同樣兩組100Ah220V日本湯淺電池，實際情況是：一組100Ah，36節電池，10小時率100Ah，1小時率時60Ah，15年壽命；另一組100Ah，18節電池，20小時率100Ah，1小時率時56Ah，3年壽命?？梢娫谌萘可嫌胁顒e，在壽命上亦有差別，在價格上的差別竟是4～5倍。 |
閥控式鉛酸蓄電池的特性、應用及維護
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