閥控式鉛酸蓄電池結構特點及日常維護

李 霞

（清遠蓄能發電有限公司，廣東 清遠 511853）

0 引言

蓄電池作為支持直流電源系統工作的后備電源，在站用電失電的緊急情況下，便成為唯一的直流電源，故對其供電質量、可靠性等有極高的要求。閥控式鉛酸蓄電池從蓄電池活性物質、內部結構、制作工藝等方面均采用了新材料新工藝。基于其電池容量穩定可靠，耐過充、過放，深循環恢復能力強，安全排氣、密封，無流動酸、無腐蝕性氣體產生，長壽命、免維護等優點，在電力系統中得到了廣泛的采用。但由于維護人員對閥控式鉛酸蓄電池“免維護”認知誤區，閥控式鉛酸蓄電池過早失效情況時有發生，直接影響直流系統的可靠性和安全性。

掌握閥控式鉛酸蓄電池內部結構及工作原理，進行針對性的日常維護，使閥控式鉛酸蓄電池（下稱閥控蓄電池）在設計的壽命期內可靠供電是很有必要的。

1 閥控蓄電池的結構

閥控蓄電池結構如圖1所示。

（1）負極板：閥控蓄電池負極板為鉛-銻-鈣合金欄板，內含海綿狀纖維活性物質。主要用于長時間使用中保持蓄電池組足夠的容量，減小自放電。

（2）正極板：閥控蓄電池正極板為鉛-銻-鈣合金欄板，內含氧化鉛為活性物質。主要用于長時間使用中保持蓄電池組足夠的容量，減小自放電。

圖1 閥控蓄電池結構圖

（3）隔板：隔板采用的是多孔無紡超細玻璃纖維，在硫酸中化學性能穩定，多孔結構有助于保持活性物質反應所需的電解液，防止活性物質從電極表面脫落，防止正負極之間發生短路。

（4）封口樹脂：由環氧樹脂及色膠組成，作為蓄電池內部密封，色膠用于區分蓄電池正負極板，紅色為正極，黑色為負極。

（5）防爆栓：也稱安全閥，由具有優質耐酸和抗老化的合成橡膠組成，帽狀閥中有氯丁二烯橡膠制成的單通道排氣閥，在電池內壓高于正常壓力時釋放氣體，保證壓力正常，并防止外界氧氣進入。

（6）蓋：蓄電池的蓋子一般采用的是ABS樹脂，具有足夠的機械強度可承受電池內部壓力，可作為蓄電池內部密封。

（7）端子：根據電池的不同，正負極端子可為連接片、棒狀、螺柱或引出線。端子的密封為可靠的粘結劑密封。密封端子有助于大電流放電和長的電池使用壽命。

（8）電槽：蓄電池的電槽外殼一般采用的是ABS樹脂，為電池提供正負極組合板柵放置的空間，具有足夠的機械強度可承受電池內部壓力。

2 閥控蓄電池工作原理

2.1 閥控蓄電池放電過程的電化反應

電化反應式如下：

正極反應

負極反應

（1）閥控蓄電池放電時，在蓄電池電位差作用下，負極板上的e-經進入正極板形成電流I，負極板上每個鉛原子放出兩個e-后，生成的Pb2+與電解液中的SO42-反應，生成難溶的PbSO4。

（2）正極板的鉛離子得到負極的兩個e-后，變成Pb2+與電解液中的反應，生成難溶的PbSO4。正極板水解出的氧離子與電解液中的H+反應，生成水。

2.2 閥控蓄電池充電過程的電化反應

充電時，蓄電池外接一直流電源，使正、負極板在放電后生成的物質恢復成原來的活性物質，并把外界電能轉變為化學能儲存起來。

電化學反應式如下：

正極反應

負極反應

正極副反應（充電達70%時）

負極副反應（充電達90%時）

（1）正極板上，外電流作用下，硫酸鉛被離解為Pb2+和，外電源從正極吸取e-，正極板附近游離的Pb2+放出兩個e-補充，變成Pb4+，并與水反應，在正極極板上生成PbO2。

（2）負極板上，外電流的用下，PbSO4被離解為Pb2+和，負極從外電源獲得e-，負極板附近游離的Pb2+被中和為絨狀鉛附在負極板上。

（3）電解液中，正極不斷產生游離的H+和，負極不斷產生，在電場作用下，H+向負極移動，向正極移動，形成電流。

3 閥控蓄電池的日常維護

閥控蓄電池循環使用時，其壽命主要依賴于充放電深度；由于部分用戶對蓄電池免維護的認知誤區，常造成蓄電池組不能“壽終正寢”，下面將對蓄電池的日常維護方式做一個簡單的介紹。

3.1 蓄電池表面嚴禁積灰積塵，并定期檢查安全閥

閥控蓄電池是吸液式密封蓄電池，蓄電池在充電后期水解產生氧氣。雖然閥控蓄電池從原理上解決了氧循環，但長時間仍會從閥控蓄電池中排出少量氧氣、氫氣、水蒸氣、酸霧。此類氣體不能完全消耗在電池內部，故所有蓄電池在上端均裝設有一個可自動開啟和關閉的具有開/閉閥壓的單向安全閥，同時安全閥上還裝設有慮酸裝置，它不但能調節電池內部壓力，還能防止蓄電池內部的氣體及酸霧排出，使蓄電池內部保持一定的壓力來提高蓄電池的反應效果。因此，運維人員應加強對電池頂部的清掃，防止灰塵堵塞安全閥，定期檢查安全閥的好壞，避免蓄電池內部長期產生大量氣體無法及時排出積蓄在電池殼內使蓄電池內部壓力過高導致蓄電池膨脹破裂甚至爆炸。

3.2 蓄電池室的溫度應經常保持在5～35℃之間，并保持良好的通風

據國家標準，蓄電池運行標準溫度為25℃。溫度每升高10℃，電池壽命縮短一半。溫度每降低10℃，放電容量下降1%。

圖2 蓄電池溫度壽命關系曲線

溫度不同，電池存儲時間及剩余容量差別極大。

圖3 蓄電池不同溫度下存儲時間與剩余容量關系曲線

（1）環境溫度影響電池壽命。多數蓄電池在運行時均會發熱。閥控蓄電池由于良好的密封性，內部自放電時氧再化合過程使蓄電池內部產生熱量，較少的排氣量，減少了熱的消耗，且電池內部相對散熱面積小，故合理的環境溫度及充足的空氣流通量將保證蓄電池有效散熱。

（2）環境溫度影響蓄電池自放電，溫度越高蓄電池自放電率越高。一般蓄電池在負極會做出負極析氫抑制措施，電池自放電時，正極自放電析出氧氣在負極再化合成水，負極雖有析氫抑制措施，但少量的析出氫氣仍存在，自放電析出的氫氣被較慢的氧化，長時間積累后從安全閥排出造成電池失水。若環境溫度過高，強烈的自放電將導致電池失水干涸，故，蓄電池室內應有必要的溫控措施。

（3）環境溫度影響電池容量。溫度每降低10℃，放電容量下降1%。電池負極板受低濕的影響較大，電解液溫度降低致使電解液粘度增大，離子擴散能力降低，電解液電阻增大，電化學反應增加，部分PbSO4不能正常轉換，導致蓄電池容量下降。

（4）為防止電池劣化。溫度設置以25℃為基點，修正值為±1℃時3mV，即溫度每升高1℃，單體電壓為2V的閥控蓄電池浮充電電壓值應降低3 mV，反之應升高3mV。

3.3 蓄電池單體浮充電壓控制在2.23～2.28V之間

（1）浮充電壓低于2.23V，長期運行電池負極板會因充電不足劣化。浮充電壓過低，蓄電池內部雖氧氣析出少，復合效率高，但個別蓄電池會因長期充電不足造成浮充鈍化而失效。

（2）浮充電壓高于2.28V，電池因過充致使電解液減少。浮充電壓過高，氣體析出量增加，再化合效率降低，安全閥長時間開啟，內部水分大量蒸發。一般閥控蓄電池內部失水超過25%則認為閥控蓄電池壽命全部喪失。

（3）浮充電壓高于2.28V，電池因過充將加速正極板柵腐蝕。浮充電壓長期過高，充電后期產生的大量氣體使電池內部壓力過高造成正極板柵腐蝕加速。合金板柵腐蝕時產生應力使正極板變形，造成極板邊緣間或極板與匯流排頂部短路。閥控蓄電池壽命基本取決于正極板壽命，正極板腐蝕越多，電池的剩余容量越小，則電池壽命越短。

3.4 蓄電池單體均充電壓控制在2.30～2.35V之間

（1）因正常浮充狀態下閥控蓄電池自放電率小，可不進行均衡充電，但因蓄電池電極材料配方制備、安裝工藝等差別，導致了蓄電池性能的離散性。當多數蓄電池串聯進行充放電時，會造成個別蓄電池充電不完全、但放電深度卻加深。當單體電池之間開路電壓差別超過30mV時，蓄電池組性能離散性將影響到蓄電池組的運行可靠性。為了保證蓄電池組容量始終飽滿，需對蓄電池組進行均衡充電。

（2）閥控蓄電池均衡充電電流應以電池容量的10h率為標準，并隨電池電壓的穩定容量的飽滿而逐漸減小。均充時間一般設置為12～24h，單體電池均充電壓一般設置為2.35V，充電裝置的均/浮充轉型電流應設置為0.01C10。

（3）當有單體電池浮充電壓低于2.18V、電池放出5%以上容量、電池擱置時間超過3個月、全浮充運行一年以上均應進行均衡充電。

（4）正常運行的蓄電池應做好正常補充電和事故放電后的補充電。為彌補運行中浮充電流調整不當，補償不了電池的容量虧損，充電設備一般應設置1～3個月自動進行一次恒流充電-恒壓充電-浮充電。

3.5 定期對蓄電池進行核對性放電試驗

核對性放電是指用放電來定量的檢測蓄電池容量，同時可以對蓄電池的極板進行活化。正常運行中的蓄電池組，為了檢驗其實際容量，將蓄電池組脫離運行，以規定的放電電流進行恒流放電，只要其中一個單體蓄電池放到了規定的終止電壓，應停止放電。按下式計算蓄電池組的實際容量：

公式中：C為蓄電池組容量；

If為恒定放電電流

t為放電時間

一般If取蓄電池組10h放電率電流I10（標稱容量除以10h所得的電流值）進行恒流放電，試驗開始至任一單體電池端電壓降至1.8V持續的時間乘以I10即為該組蓄電池的實際容量。若變電站中只配有一組閥控蓄電池，不能退出運行，可用I10電流恒流放電至蓄電池組端電壓降為2V×N（N為單體蓄電池個數），持續時間乘以I10所得容量近似為該組蓄電池總容量的一半，也被稱為半容量核對性放電，相對地，前者也被稱為全容量核對性放電。

圖4 蓄電池不同放電倍率放電曲線（25℃）

（1）閥控蓄電池長期運行于浮充方式，無法判斷其現有容量及內部異常，核對性放電試驗便成為檢查容量和發現問題最直接、有效的手段，同時可活化電池、恢復電池容量。

（2）新安裝或大修后的閥控蓄電池組，應進行全核對性放電試驗，以后每隔2～3年進行一次核對性試驗，運行了6年以后的閥控蓄電池，應每年作一次核對性放電試驗。若經過3次全核對性放充電，蓄電池組容量均達不到額定容量的80%以上，可認為該組蓄電池失效。

（3）閥控蓄電池放電電流應采用10h率放電。放電率越大，放電電流密度越大，電流在電極上的分布越不均勻，電流優先分布在離電解液最近的表面，在電極外層生成PbSO4，堵塞電極，影響了電極內部物質與電解液之間的充分反應，造成電池容量降低。

（4）閥控蓄電池放電終止電壓應為1.8V，若閥控蓄電池過放電，隨著放電深度的增加，電解液中硫酸濃度逐漸降低，硫酸量消耗過大致使電解液呈中性，隔板中存的大量PbSO4為粗大堅硬的結晶體，較難還原為鉛，將會造成電池短路、極板不可逆硫化。致使電解液中活性物質的數量減少，阻擋了硫酸與其他活性物質的化學反應，易造成蓄電池容量降低，甚至造成蓄電池壽命終止。

（5）閥控蓄電池放電完畢后應立即充電，讓放電過程中生成的PbSO4溶解成為Pb2+與，使得Pb2+接受電子進行陰極還原生成鉛進入負極活性物質晶格。

3.6 定期對蓄電池內阻進行測量

鉛酸蓄電池端電壓不能完全反映電池的容量特性，閥控蓄電池內部故障，如板柵腐蝕、接觸不良、活性物質失效等均表現為蓄電池的內阻增大。因此，需定期測量蓄電池內阻。

（1）蓄電池內阻均為MΩ級別，且為有源內阻。建議每次測量采用同一廠家的同一儀器，對同一組電池按照時間序列對比方才有意義。

（3）蓄電池內阻值只作為維護參考信息，行業標準未作出規定。

4 結語

閥控蓄電池“免維護”不等于“不維護”。正確的認識閥控蓄電池結構特點，更好的掌握VRLA運行特性，將大大提高我們的維護技能，保證閥控蓄電池運行可靠性，并提高閥控蓄電池的使用效率，從而提高直流系統的運行可靠性。

參考文獻：

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[2] DL/T5044-2004電力工程直流系統設計技術規程[S].

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