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        蓄電池的選擇與故障分析

        時間:2020-10-09 來源:廣播電視信息 本文字數:3784字
        作者:徐銘澤. 單位:國家廣播電視總局542臺

          摘    要: 診斷蓄電池狀態,不能僅依靠一些智能監測設備,也要掌握全面的維護技能,在日常巡視檢查過程中,可運用“看、聽、嗅、摸”的方式,診斷運行中的蓄電池是否存在異常。一般來說,個別蓄電池使用維護不當導致整組蓄電池過早發生老化故障的情況比較常見,因此做好蓄電池的故障分析,可以在很大程度上幫助預防事故發生。

          關鍵詞: UPS蓄電池; 充放電; 蓄電池組;

          1 、引言

          當前,在UPS的整個系統成本中,蓄電池所占的比例是很高的,一般成本可達到整個UPS的1/4~1/3。對于長延時UPS而言,往往蓄電池組的成本超過主機成本。蓄電池是易耗品,性能下降或到使用壽命期限必須更換,當今機房的UPS電源通常使用免維護鉛酸蓄電池,這種蓄電池維護得當,使用壽命能達到十年,但多方面的因素使UPS蓄電池的使用達不到其設計的使用壽命。若想讓蓄電池的使用壽命更長,就得避免讓蓄電池損壞的因素出現,必須要注意UPS配置的蓄電池的放電效率比,提高蓄電池的利用效率,確保選好、用好蓄電池是使用者應該考慮的重要因素之一。

          大中型UPS后備時間可根據蓄電池數量進行調整,可以使用幾十只甚至更多的蓄電池通過串聯與并聯相互組合構成的蓄電池組,其中蓄電池個體對于整個蓄電池組而言均是一個故障點,一只蓄電池出現故障,一組內的蓄電池在短時間內也會被影響。部分蓄電池性能下降,時間越長故障的蓄電池越多,導致整個UPS系統的可靠性降低,存在安全隱患。

          2 、蓄電池的選擇

          2.1 、蓄電池內各組件

          單只蓄電池是由正極群、負極群、多孔性隔膜、蓄電池槽蓋、電解液、排氣閥6個主要組件組成的,其中任何一個組件故障都會給蓄電池可靠性帶來損害,降低整塊蓄電池的可靠度。

          蓄電池正極群與負極群指的是將許多正、負極片分別相并聯且焊接在一起,正負極極板之間需要插入隔板,在每個蓄電池中,負極板的總數量要比正極板的總數量多一片,這樣做可以使蓄電池的容量增加。

          多孔性隔膜指的是蓄電池正負極板之間的隔板,所用材料要具有良好的滲透性,且不易被電解液和氧化物腐蝕,化學穩定性高。其在蓄電池中一般起到兩種作用:一是防止正負極之間相互接觸導致短路;二是為了增強蓄電池的空間利用率和減小蓄電池的內部阻值,讓蓄電池內部正負極極板盡可能的縮小間距。

          蓄電池槽蓋一般是整體式結構,一般材料有橡膠、聚丙烯、聚苯乙烯等,分3到6個獨立不相互連通的槽體,底部有間隔放置極板的底座,底座之間的空間是存放沉積的活性物質,防止脫落物在極板之間形成短路。
         

        蓄電池的選擇與故障分析
         

          蓄電池電解液是由專用硫酸和蒸餾水按比例配制而成,密度一般是1.24g/cm3~1.30g/cm3,電解液在充放電的電能和化學能反應中起到離子間轉化的導電作用,所以電解液密度也是影響蓄電池的性能和使用壽命的重要環節。需要注意的一點是,電解液中若有異物掉落,要用木棍夾出,不可用金屬物質伸入,否則被電解液溶解的金屬物質會損害蓄電池。

          2.2 、蓄電池使用可靠性分析

          冗余設計是提高可靠性設計技術之一,在設計蓄電池時,采用冗余設計使蓄電池的設計容量按一定比例大于額定容量。這樣設計一方面可以保證蓄電池的容量高于額定值,實現可靠輸出;另一方面會對延長蓄電池使用壽命有利。蓄電池在使用過程中,需要特別注意的是長期充電不足、過充電、過放電都會嚴重影響蓄電池的性能,進而降低使用壽命。

          3、 蓄電池故障分析

          3.1 、蓄電池早期失效及解決方法

          早期失效是指部分蓄電池在使用階段,一年左右或數個月內電容量低于標準額定值的80%,或一組蓄電池內的少部分蓄電池性能急劇下降。發生這類情況時,對整組蓄電池的危害主要表現在兩個方面:一是已經失效的蓄電池在恒定的電流充電情況下,電壓會迅速升高,在一組蓄電池沒充滿電前,其中失效的蓄電池已處在過充電狀態,使當前蓄電池的運行溫度超出正常運行時的溫度,蓄電池內的液體溫度快速提升,電解質溶液分解流失速度加快,最終導致整組蓄電池充電時電壓升高、電流下降,蓄電池充電時間延長,蓄電池使用壽命縮短;二是失效的蓄電池內部有短路現象,該蓄電池充電時電壓就會低于其他正常蓄電池電壓,當整組蓄電池充滿電時,該落后的失效蓄電池卻尚未充好,大電流放電時,落后蓄電池端電壓迅速下降為零。這兩種情況長期如此,就會出現惡性循環。

          蓄電池失效后一般都直接表現為內阻增大、端電壓升高、容量不足、使用性能明顯下降等,為避免早期失效蓄電池混入蓄電池組中,在新的整組蓄電池安裝入電源系統投入使用前需先進行一次深放電檢查,例如額定電壓為2V的蓄電池以10h放電率電流放電終止電壓至1.8V,然后再充足電裝入系統中運行。若各個蓄電池放電終止前的電壓差別不大,比較均勻,則本組蓄電池性能良好;若其中個別蓄電池電壓下降的很快,則說明有落后的蓄電池,必須甄別更換。

          3.2、 蓄電池的充電故障分析

          個別蓄電池充電受阻時,需要檢查充電線路的連接是否緊固可靠,是否有損傷或中斷;檢查蓄電池的充電電路有無故障;檢查蓄電池內的電解液是否遠低于正常值;檢查蓄電池是否因長時間欠充電導致極板存在無法處理的硫酸鹽化。

          蓄電池發生充電受阻故障時,先確認充電回路的連接緊固,當蓄電池不能有效充電時,若表現無電流顯示卻有高電壓,則可判斷該蓄電池開路故障。若測量蓄電池的電壓低于正常標定值,充電時蓄電池電壓值上升差別不大,充電后蓄電池放置一段時間電壓仍低于正常標定值,則可判斷該蓄電池內部有短路現象。如果蓄電池使用時間不長,則屬于碰撞、震蕩等導致的裝機故障。如果使用時間很長,需查看蓄電池底部沉積物情況,若不多,則屬于電解液不純、雜質結晶過多引起的短路,若底部沉積物很多,則屬于蓄電池底部沉積物堆積導致極板之間產生接觸的慢性短路。

          3.3、 蓄電池內部短路故障分析

          蓄電池短路可簡單理解為,蓄電池內極板上沉積有污物,長時間積累最終引起短路,或電極板變形導致正極板與負極板相互接觸。蓄電池內部短路故障現象表現為:充電時蓄電池端電壓很低,甚至接近于零;充電時電解液的溫度上升快,密度上升較慢;蓄電池開路時電壓低,放電時很快達到終止電壓;蓄電池自行放電嚴重。

          造成蓄電池短路的主要原因如下:正負極極板變形導致二者之間有接觸;隔板損壞、移位導致極板相連造成短路;極板脫落的活性物質堆積在蓄電池槽底部引起短路;電解液不純、雜質結晶引起短路;蓄電池內落入異物導電造成短路。

          3.4 、蓄電池漏液故障分析

          蓄電池發生漏液故障,除了運輸、搬運造成的蓄電池碰撞損傷外,主要是由于制造質量缺陷引起的,如蓄電池的電解液過多、密封膠口開裂、槽蓋密封不好、材料質量不好和材料出現老化等。

          對于漏液的蓄電池,應先做外觀檢查,找出滲漏液位置。一般國內外生產的蓄電池存在漏夜問題,主要表現在極柱漏液、安全閥滲液、殼體密封不良等方面。各部位產生漏液原因各不相同,要在分析后采取相應措施解決。

          極柱漏液處理方法如下:采用惰性氣體焊接,使焊接面不氧化;加高極柱端子,延長密封膠層高度;采用橡膠壓緊密封等。

          防止安全閥漏滲液的方法如下:采用質量好、抗老化的橡膠制作安全閥;按期更新安全閥,確保可靠;改變安全閥結構,開啟壓力可調,適當調整增大開啟壓力,保證密封性。

          針對殼體密封不良問題,可將熱熔和膠黏劑密封相結合,先熱熔密封,再用密封膠密封。

          3.5、 蓄電池的變形故障

          蓄電池變形鼓包是由于蓄電池內部壓力急速增加導致的,蓄電池的通氣孔堵塞或不暢通,致使蓄電池在充電過程中內部產生大量的爆炸性氣體,若無法及時排出就會積壓在蓄電池殼內,壓力越來越大,會將蓄電池外殼脹破,進而減少蓄電池使用壽命。

          若對蓄電池組過充電,個別性能較差的蓄電池會出現內部氣體復合不良情況,進而導致蓄電池變形。

          充電電流過大以及浮充電壓設計過高,會導致蓄電池正極板上氧氣析出加快,不能及時在負極板上復合,電池溫度也會很快升高,導致排氣不及時,壓力到達一定程度時會變形。

          3.6、 溫度對蓄電池的影響

          蓄電池在使用時對環境條件的要求較為苛刻,每低于或高于標準環境溫度10℃時,使用壽命減少一半。蓄電池使用環境溫度低于標準,其放電容量會下降,進而會產生充電不足現象,長期積累可能導致內部硫酸鹽化;蓄電池使用環境溫度高于標準,蓄電池恒壓下的充電電流接受量將增加,同時也加快了內部組件腐蝕速度和氣體生成析出。

          蓄電池的溫度最好能夠保持在20℃~25℃范圍內,且安放在通風、干燥、潔凈的場所,這種條件下,可使蓄電池狀態保持最有利,使用壽命延長。一方面,需要使用者合理安裝空調來改善蓄電池使用環境;另一方面,最好選用溫度適應性較寬泛的蓄電池。

          4、 結語

          UPS一般是為重要設備設施配置的不間斷電源,一旦出現供電中斷故障往往會造成嚴重的損失和不良影響。為了使UPS的蓄電池工作穩定,有較長的使用壽命,在蓄電池使用過程中,要充分結合蓄電池制造的原材料及結構特點和環境狀態幾個方面情況制定合理的檢修維護制度,平時按周、月、季度對電池進行電壓、內阻測量,每季度根據UPS所帶負載進行一次合理放電測試,負載最好不要超過UPS額定負載的60%,若發現異常數據,要及時查明原因,并采取相應措施予以解決。高度重視日常的檢查維護,是保證蓄電池穩定長效使用的重要保障。同時,蓄電池的數量和總電壓要符合UPS的要求,如此才能確保正常放電,避免因蓄電池的故障隱患導致UPS作用失效。

          參考文獻

          [1] 周志敏,紀愛華.UPS供電系統設計與工程應用實例[M].北京:中國電力出版社,2012.
          [2] 周志敏,周紀海,紀愛華.UPS應用與故障診斷[M].北京:中國電力出版社,2008.

          原文出處:徐銘澤.UPS蓄電池的故障分析[J].廣播電視信息,2020,27(10):103-105.
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