鄒劍坤 上海鐵路局供電處

鉛酸蓄電池維護(hù)及修復(fù)方案的研究

鄒劍坤 上海鐵路局供電處

通過(guò)分析鉛酸蓄電池的構(gòu)造原理和充電、放電過(guò)程與原理，結(jié)合牽引、電力變配電所鉛酸蓄電池的實(shí)際運(yùn)行情況，找出蓄電池失效的真實(shí)原因，經(jīng)過(guò)實(shí)際修復(fù)試驗(yàn)，提出了切實(shí)可行的鉛酸蓄電池維護(hù)及修復(fù)方案。

鉛酸蓄電池；維護(hù)；修復(fù)

1 背景

目前，承擔(dān)著鐵路牽引、信號(hào)和站場(chǎng)等供電任務(wù)的牽引變電所（AT所、分區(qū)所、開(kāi)閉所）和電力變配電所，基本上采用了鉛酸蓄電池作為斷路器機(jī)構(gòu)的操作電源或綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)的后備電源，以保障斷路器機(jī)構(gòu)正常分合閘操作或在電源線路停電時(shí)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。而牽引變電所和電力變配電所的實(shí)際運(yùn)行情況是斷路器機(jī)構(gòu)操作并不頻繁、電源線路供電可靠性較高，從而使得鉛酸蓄電池長(zhǎng)期處于浮充狀態(tài)，其使用壽命大大縮短，甚至在需要使用時(shí)發(fā)揮不了作用。因此，有必要對(duì)鉛酸蓄電池維護(hù)及修復(fù)方案進(jìn)行研究，延長(zhǎng)鉛酸蓄電池的使用壽命，減少成本支出，減少?gòu)U舊電池對(duì)環(huán)境的污染，保障鐵路供電安全，減少對(duì)鐵路交通運(yùn)輸安全的影響。

2 技術(shù)分析

2.1 鉛酸蓄電池的構(gòu)造原理

鉛酸蓄電池是采用稀硫酸液做電解液，用二氧化鉛和絨狀鉛分別作為電池的正極和負(fù)極，放完電以后用充電的方法獲得復(fù)原并能再次使用的電池。雖然各牽引變電所、電力變配電所和信號(hào)基站箱變采用的蓄電池大小不一、容量從12Ah到200Ah不等，但是它們的結(jié)構(gòu)是基本相同的，每組由2節(jié)、9節(jié)或18節(jié)組成，每節(jié)都是由正極板、負(fù)極板、隔板、電解液、接線端子、安全閥等部分組成。每節(jié)蓄電池額定電壓均為12V，由6個(gè)單格串聯(lián)組合而成，每個(gè)單格由若干片正極板和若干片負(fù)極板間隔重疊，正負(fù)極板中間用超細(xì)玻璃纖維隔板隔離。

2.2 鉛酸蓄電池的放電過(guò)程及原理

當(dāng)極板浸入電解液時(shí)，在負(fù)極板，有少量鉛溶入電解液生產(chǎn)Pb2+，從而在負(fù)極板上留下兩個(gè)電子2e-，使負(fù)極板帶負(fù)電，此時(shí)負(fù)極板具有0.1 V的負(fù)電位。

在正極處，少量PbO2溶入電解液，與水反應(yīng)生產(chǎn)Pb（OH）4再分離成四價(jià)鉛離子和氫氧根離子。一部分Pb4+沉附在正極板上，使極板呈正電位，約為+2.0V。故當(dāng)外路未接通時(shí)，蓄電池的靜止電動(dòng)勢(shì)E0=2.0-（-0.1）=2.1 V，若接通外電路，在電動(dòng)勢(shì)的作用下，使電路產(chǎn)生電流If，在正極板處Pb4+和負(fù)極板來(lái)的電子結(jié)合，生產(chǎn)二價(jià)鉛離子Pb2+，Pb2+再與電解液中的SO42-結(jié)合，生成PbSO4而沉附在正極板上，使得正極板電位降低。在負(fù)極板處Pb2+與SO42-結(jié)合，生PbSO4而沉附在負(fù)極板上。則放電反應(yīng)原理如公式1所示：

整個(gè)放電過(guò)程可歸納為圖1所示：

圖1 蓄電池放電過(guò)程

2.3 鉛酸蓄電池的充電過(guò)程及原理

充電時(shí)，蓄電池接直流電源，因直流電源端電壓高于蓄電池電動(dòng)勢(shì)，故電流從正極流入，負(fù)極流出。這時(shí)，正、負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)與放電過(guò)程相反。正極板處有少量PbSO4溶于電解液變成Pb2+和SO42-，Pb2+在電源力作用下失去兩個(gè)電子變成Pb4+，它又和電解液中OH-結(jié)合，生成Pb（OH）4，Pb（OH）4又分解成PbO2和H2O，PbO2沉附在正極板上，而SO42-與電解液中的H+結(jié)合成H2SO4。負(fù)極板上有少量PbSO4溶入電解液中，變成Pb2+和SO42-，Pb2+在電源力作用下獲得兩個(gè)電子變成Pb，沉附在負(fù)極板上，SO42-與電解液中的H+結(jié)合成H2SO4。則充電

反應(yīng)原理如式2.2所示：

整個(gè)充電過(guò)程可歸納為圖2所示：

圖2 蓄電池充電過(guò)程

2.4 鉛酸蓄電池失效的原因分析

由于牽引變電所和電力變配電所的鉛酸蓄電池長(zhǎng)期處于浮充狀態(tài)，極板上的PbSO4有一部分溶解于電解液中，其溶解度隨溫度變化而變化。環(huán)境溫度升高，溶解度變大，環(huán)境溫度降低，溶解度減小，溶解的PbSO4就會(huì)重新析出，長(zhǎng)期運(yùn)行下來(lái)就形成了硫化，在負(fù)極板表面上附著一層不能剝離轉(zhuǎn)化為活性物質(zhì)的硫酸鉛（硫酸鹽）。硫化的電池就像給負(fù)極板罩上一層薄膜，導(dǎo)致負(fù)極板反應(yīng)面積大幅下降，從而導(dǎo)致蓄電池失效。而且充電過(guò)程中正、負(fù)極板析出的氧氣和氫氣除一部分“氧合”還原為水外，一部分則通過(guò)安全閥排出電池，失去氧氣和氫氣就等于失去了水。失水后的電池電解液中酸的比重逐漸增大，促使電池硫化現(xiàn)象加重，降低負(fù)極板氧循環(huán)的能力，使電池的容量逐漸降低。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，鉛酸蓄電池失效的原因90%以上都是硫化和失水引起的。主要表現(xiàn)為充電時(shí)電池發(fā)熱、膨脹、容量變低，一充就滿，一放就光，嚴(yán)重時(shí)影響斷路器機(jī)構(gòu)操作、綜合自動(dòng)化系統(tǒng)和SCADA系統(tǒng)的運(yùn)行安全。因此，需要改善維護(hù)方式來(lái)延緩蓄電池的失水和硫化，采取相應(yīng)措施來(lái)修復(fù)失效的蓄電池，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，減少成本支出，減少?gòu)U舊電池對(duì)環(huán)境的污染，保障鐵路供電安全，減少對(duì)鐵路交通運(yùn)輸安全的影響。

3 維護(hù)及修復(fù)方案

通過(guò)查找資料、解剖失效電池，分析討論和實(shí)際修復(fù)試驗(yàn)，牽引變電所和電力變配電所的鉛酸蓄電池維護(hù)及修復(fù)方案主要包括以下4個(gè)方面的內(nèi)容。

3.1 定期檢測(cè)蓄電池電壓

運(yùn)行、檢修人員定期進(jìn)行巡視檢測(cè)，檢查外觀有無(wú)鼓脹、氧化和發(fā)熱等現(xiàn)象，并在斷開(kāi)充電回路后，利用萬(wàn)用表檢測(cè)整組和單節(jié)蓄電池的開(kāi)路電壓，根據(jù)串聯(lián)電池節(jié)數(shù)的不同，整組蓄電池的電壓應(yīng)控制在設(shè)定電壓值上下不超過(guò)2V，而單節(jié)電池電壓應(yīng)在10.8 V～14 V以內(nèi)，最高與最低電池間的壓差不超過(guò)1 V。如有異常，需及時(shí)匯報(bào)調(diào)度，對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電或脈沖除硫修復(fù)。

3.2 定期進(jìn)行整組放電、充電修復(fù)

除巡視發(fā)現(xiàn)鉛酸蓄電池異常時(shí)需進(jìn)行整組充電、放電外，檢修人員每半年利用放電負(fù)載儀按照電池標(biāo)稱的放電電流進(jìn)行一次整組放電、充電修復(fù)。放電時(shí)測(cè)量各節(jié)電池端電壓，如果電池電壓下降較緩慢，說(shuō)明蓄電池失水或硫化程度較輕，單節(jié)電池一般放電至10.5 V即停止放電，然后根據(jù)整組蓄電池額定電壓進(jìn)行均充，最后轉(zhuǎn)為浮充，一般放電、充電循環(huán)1～3次即可。如果放電過(guò)程中電壓下降較快，可判斷該節(jié)電池發(fā)生了嚴(yán)重的失水和硫化，需單獨(dú)進(jìn)行脈沖除硫修復(fù)。

3.3 失效蓄電池進(jìn)行脈沖除硫修復(fù)

蓄電池脈沖除硫修復(fù)原理是：任何絕緣層在足夠高的電壓下都可以擊穿。一旦絕緣層被擊穿，就會(huì)由絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)，如果對(duì)電導(dǎo)差阻值大的硫酸鹽層施加瞬間的高電壓，就可以擊穿大的硫酸鉛結(jié)晶，只要這個(gè)高電壓足夠短，并且進(jìn)行限流，在打穿硫化層的情形下，控制充電電流適當(dāng)，就不會(huì)引起電池析氣。電池析氣量取決于電池的端電壓以及充電電流的大小，如果脈沖寬度足夠短，占空比夠大，就可以在保證擊穿粗大硫酸鉛結(jié)晶的條件下，同時(shí)發(fā)生的微充電來(lái)不及形成析氣，如果含有負(fù)脈沖去極化，就更能保證在擊穿硫酸鹽層時(shí)極板的氣體析出，這樣就實(shí)現(xiàn)了脈沖消除硫化。

經(jīng)過(guò)放電、充電方法不能修復(fù)的鉛酸蓄電池，可以單節(jié)進(jìn)行脈沖除硫法修復(fù)。修復(fù)前利用容量測(cè)試儀進(jìn)行容量測(cè)試，做好記錄；修復(fù)時(shí)應(yīng)根據(jù)蓄電池容量的不同選擇合適的脈沖電流，電流太大易導(dǎo)致電池徹底報(bào)廢，電流太小易導(dǎo)致修復(fù)時(shí)間延長(zhǎng)，脈沖電流一般不可超過(guò)0.6 A，如發(fā)現(xiàn)蓄電池有發(fā)熱、鼓脹等現(xiàn)象，必須降低脈沖電流。同時(shí)注意觀察電壓變化，待電壓升至14.7 V時(shí)，除硫結(jié)束。

對(duì)于除硫結(jié)束的蓄電池，還需利用容量測(cè)試儀進(jìn)行容量測(cè)試，做好記錄，與修復(fù)前電池容量進(jìn)行比對(duì)。根據(jù)比對(duì)結(jié)果，有三種處理方法：

（1）修復(fù)后達(dá)到額定容量的70%以上，可以認(rèn)為修好，修好的電池及時(shí)進(jìn)行充電，配組后投入使用。

（2）對(duì)于修復(fù)有效果，但沒(méi)有達(dá)到額定容量的70%以上，需進(jìn)行第二次脈沖除硫修復(fù)。

（3）對(duì)于修復(fù)無(wú)效的電池，進(jìn)行報(bào)廢處理。

3.4 鉛酸蓄電池配組運(yùn)行

對(duì)于進(jìn)行放電、充電和脈沖除硫修復(fù)的鉛酸蓄電池，需做好詳細(xì)的修復(fù)記錄，按照每節(jié)電池開(kāi)路電壓誤差不大于0.3 V，容量誤差不大于5%以內(nèi)，制作廠家一致的原則進(jìn)行配組，投入使用。防止使用一段時(shí)間后又因?yàn)槟彻?jié)蓄電池影響整組蓄電池的使用。

4 試用效果與推廣前景

江山、衢州、龍游、義烏和諸暨10 kV配電所自2006年開(kāi)通運(yùn)行以來(lái)，各采用18節(jié)一組的100Ah鉛酸蓄電池，已連續(xù)運(yùn)行6年，2012年上半年相繼發(fā)生多節(jié)電池電壓偏低的情況，在經(jīng)過(guò)放電、充電和脈沖除硫修復(fù)后，已配組2套蓄電池投入使用，目前運(yùn)行情況良好，完全報(bào)廢的蓄電池有24節(jié)，其余電池等待下一次的配組運(yùn)行。

長(zhǎng)興和德清10 kV配電所自2005年開(kāi)通運(yùn)行以來(lái)，采用18節(jié)一組的63Ah鉛酸蓄電池，已連續(xù)運(yùn)行7年，2012年上半年相繼發(fā)生多節(jié)電池電壓偏低的情況，在經(jīng)過(guò)放電、充電和脈沖除硫修復(fù)后，完全報(bào)廢的蓄電池僅有4節(jié)。

隨著鉛酸蓄電池維護(hù)及修復(fù)方案的貫徹實(shí)施，能夠在保障斷路器機(jī)構(gòu)正常分合閘操作、綜合自動(dòng)化系統(tǒng)和SCADA系統(tǒng)的可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)上，將大部分鉛酸蓄電池的使用壽命從6～7年延長(zhǎng)到8～10年，減少了蓄電池更換成本的支出，減少了廢舊電池對(duì)環(huán)境的污染，保障了鐵路供電安全，具有較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的鉛酸蓄電池維護(hù)及修復(fù)方案能夠及時(shí)有效的發(fā)現(xiàn)、處理鉛酸蓄電池存在的缺陷隱患，有效的提高鉛酸蓄電池的使用壽命，但在實(shí)際工作中，特別是在采用脈沖除硫修復(fù)時(shí)，其脈沖電流一般在0.6 A以內(nèi)，完成一次鉛酸蓄電池的充電、放電時(shí)間較長(zhǎng)，給鉛酸蓄電池的修復(fù)工作造成了一定的困難，下步將對(duì)整組活化修復(fù)及多節(jié)同時(shí)活化修復(fù)展開(kāi)進(jìn)一步的研究。

[1]杭州供電段.高壓變配電所運(yùn)行、檢修和故障應(yīng)急搶修管理等資料：2012.

[2]杭州得康蓄電池修復(fù)儀有限公司.蓄電池修復(fù)流程：2009.

責(zé)任編輯：宋 飛

來(lái)稿時(shí)間：2015-02-27