閥控鉛酸蓄電池常見(jiàn)故障分析

鄔建

（中國(guó)石化股份有限公司廣州分公司，廣東 廣州 510725）

一級(jí)生產(chǎn)負(fù)荷的生產(chǎn)裝置，除采用雙路電源供電來(lái)提高供電可靠性之外，還廣泛使用蓄電池作為儲(chǔ)存電能的后備電源裝置，蓄電池是后備電源系統(tǒng)中最重要的組成部分。本文結(jié)合閥控式密封鉛酸蓄電池工作原理和特點(diǎn)，用其故障機(jī)理分析方法對(duì)多起閥控式密封鉛酸蓄電池失效問(wèn)題，針對(duì)幾種典型的失效方式給出了相應(yīng)的解決措施，著重從選型、運(yùn)行、維護(hù)解決此類問(wèn)題。

1 VRLA蓄電池工作原理

閥控式密封鉛酸VRLA（簡(jiǎn)稱VRLA）蓄電池的工作原理，基本上仍沿襲傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池，它的正極活性物質(zhì)是二氧化鉛（PbO2），負(fù)極活性物質(zhì)是海綿狀金屬鉛（Pb），電解液是稀硫酸（H2SO4），其整個(gè)VRLA蓄電池的反應(yīng)方程式：

VRLA蓄電池在結(jié)構(gòu)上正極采用鉛鈣合金或鉛鎘等合金，負(fù)極采用鉛鈣合金，隔板采用超細(xì)玻纖隔板，整個(gè)蓄電池化學(xué)反應(yīng)密封在塑料蓄電池殼內(nèi)，出氣孔上加上單向的安全閥。這種蓄電池結(jié)構(gòu)在規(guī)定充電電壓進(jìn)行充電時(shí)，正極析出的氧（O2），可通過(guò)隔板通道傳送到負(fù)極表面，還原為水（H2O），由于VRLA蓄電池采用負(fù)極板比正極多出10%的容量，使氫氣析出時(shí)電位提高，加上反應(yīng)區(qū)域和反應(yīng)速度的不同，使正極出現(xiàn)氧氣先于負(fù)極出現(xiàn)氫氣，正極電解水反應(yīng)式如下：

氧氣通過(guò)隔板通道或頂部到達(dá)負(fù)極進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。

負(fù)極被氧化成硫酸鉛，經(jīng)過(guò)充電又轉(zhuǎn)變成海綿狀鉛。

VRLA蓄電池特有的內(nèi)部氧循環(huán)反應(yīng)機(jī)理，在這種充電過(guò)程，電解液中的水幾乎不損失，使VRLA蓄電池在使用過(guò)程中達(dá)到不需加水的目的，以實(shí)現(xiàn)“免維護(hù)”。

2 VRLA蓄電池的失效形式及故障機(jī)理

2．1 VRLA蓄電池內(nèi)部失效形式及分析

VRLA蓄電池極板被硫化以后，正常放電時(shí)將比其它VRLA蓄電池的容量顯著下降，內(nèi)部電解液的密度遠(yuǎn)低于正常值，使得該VRLA蓄電池長(zhǎng)時(shí)間處于落后狀態(tài)。主要原因有：放電過(guò)度、浮充電壓高和充電時(shí)間長(zhǎng)、極板上部經(jīng)常露出電解液面、電解液密度過(guò)高導(dǎo)致內(nèi)部溫度過(guò)高、蓄電池使用環(huán)境惡劣工作溫度高、蓄電池使用不當(dāng)發(fā)生內(nèi)部短路、正極板柵腐蝕伸長(zhǎng)或龜裂、板柵材板耐腐蝕差純度低、活性物軟化脫落。

VRLA蓄電池內(nèi)部的熱源是內(nèi)部的功率損耗，蓄電池的電流及溫度發(fā)生積累性相互增強(qiáng)作用的臨界狀態(tài)，即熱失控。熱失控的原因主要有：蓄電池內(nèi)部存在的氧循環(huán)機(jī)理被破壞或長(zhǎng)期過(guò)充電導(dǎo)致復(fù)合反應(yīng)加劇反復(fù)積累熱失控；蓄電池內(nèi)部局部短路時(shí)溫度會(huì)升得更快引起熱失控；當(dāng)蓄電池所處環(huán)境溫度超過(guò)25℃以上或更高時(shí)，內(nèi)部的析氧復(fù)合反應(yīng)加劇熱平衡打破后出現(xiàn)熱失控。

2．2 VRLA蓄電池干涸失效形式及分析

VRLA蓄電池內(nèi)部的電解液全部吸附在隔膜中，沒(méi)有游離的電解液，水是VRLA蓄電池充電時(shí)析氣復(fù)合的主要形式，在使用過(guò)程中因各種原因造成電解液中水分的散失，化學(xué)反應(yīng)將無(wú)法正常進(jìn)行，致使VRLA蓄電池的壽命提前終止。VRLA蓄電池失水的原因主要有：氣體復(fù)合不完全、蓄電池密封不好或安全閥壓力設(shè)置過(guò)低造成充電產(chǎn)生的氧逸出、浮充電壓控制不嚴(yán)降低氧復(fù)合反應(yīng)效率從而加速蓄電池失水過(guò)程、正板板柵腐蝕中鉛轉(zhuǎn)變成二氧化鉛的氧原子來(lái)自電解液中的水造成消耗一定的水分、充電機(jī)紋波系數(shù)過(guò)大降低負(fù)極復(fù)合效率增加水分消耗、因極柱端子被腐蝕產(chǎn)生漏液加速失水。

2．3 VRLA蓄電池漲裂失效形式及分析

VRLA蓄電池漲裂是使用過(guò)程中最常見(jiàn)和最直觀的失效形式，尤其在VRLA蓄電池深度放電后的恢復(fù)性充電時(shí)容易出現(xiàn)。因?yàn)橥ǔ３潆姵跗诔潆婋妷狠^高，充電時(shí)產(chǎn)生的解析氣過(guò)快導(dǎo)致密封的VRLA蓄電池殼體內(nèi)部壓力過(guò)大，內(nèi)部組件產(chǎn)生形變，使整個(gè)蓄電池出現(xiàn)膨脹破裂。VRLA蓄電池發(fā)生漲裂的原因有：安全閥開(kāi)啟壓力過(guò)高或損壞時(shí)內(nèi)部逐漸增大的氣體壓力下將蓄電池漲裂等情況下產(chǎn)生大量的氣體導(dǎo)致蓄電池漲裂、極板的焊耳和極柱與橫鉛板連接不牢固時(shí)大電流放電下產(chǎn)生火花點(diǎn)燃內(nèi)部產(chǎn)生的爆炸性氣體引起蓄電池的漲裂等因素產(chǎn)生大量氣體壓力增大導(dǎo)致蓄電池漲裂。

3 VRLA蓄電池典型故障案例分析

3．1 VRLA 蓄電池開(kāi)路

設(shè)備概況：EPS裝置設(shè)備容量30KVA，配備150Ah的蓄電池一組（40只）。

失效形式：EPS測(cè)溫儀檢測(cè)部分蓄電池溫度達(dá)32～36℃,多個(gè)蓄電池外表有明顯漲起。檢查發(fā)現(xiàn)數(shù)個(gè)蓄電池內(nèi)阻開(kāi)路。

故障分析：之前蓄電池組的容量校驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，6＃、9＃蓄電池電壓過(guò)低，容量不合格，活化處理后不見(jiàn)好轉(zhuǎn)，整組VRLA蓄電池一直屬于帶病運(yùn)行。EPS檢查又發(fā)現(xiàn)整流器有故障，沒(méi)有直流輸出，致使整組蓄電池處于開(kāi)路放置，測(cè)量多個(gè)蓄電池電壓只有2～3V，其中6＃、9＃蓄電池更是量不到電壓，測(cè)量其內(nèi)阻無(wú)窮大。整流器故障無(wú)輸出后，整組蓄電池處于自放電狀態(tài)，在負(fù)極板柵和活性物質(zhì)之間，自放電反應(yīng)無(wú)益地消耗電解液，使得電極的導(dǎo)電性能明顯下降，蓄電池出現(xiàn)內(nèi)部失效的主要形式－開(kāi)路。

3．2 VRLA蓄電池在均充電過(guò)程中發(fā)生膨脹

設(shè)備概況：UPS設(shè)備容量50KVA，配備150Ah的蓄電池二組（36個(gè)）；

失效形式：整組蓄電池進(jìn)入均充狀態(tài)第二天出現(xiàn)膨脹，表面溫度達(dá)43℃。

故障分析：UPS因整流器電流檢測(cè)板故障停機(jī)檢修，使用臨時(shí)充電機(jī)每隔24小時(shí)進(jìn)行浮充電6小時(shí)。半個(gè)月后，UPS更換整流器電流檢測(cè)板后投入運(yùn)行，UPS自動(dòng)對(duì)整組VRLA蓄電池進(jìn)入均充狀態(tài)，為防止蓄電池充電太快和充電電流太大，將均充電流限在15A以下，相當(dāng)于0.05Ic10。UPS投運(yùn)當(dāng)天運(yùn)行正常，第二天巡檢發(fā)現(xiàn)整組蓄電池出現(xiàn)膨脹，表面溫度達(dá)42℃，只能立即將整組蓄電池退出運(yùn)行。

3．3 VRLA蓄電池深度放電后容量無(wú)法恢復(fù)

設(shè)備概況：UPS設(shè)備容量20KVA，配備80Ah的VRLA蓄電池一組（18只）；

失效形式：整組蓄電池組深放電后無(wú)法恢復(fù)。

故障分析：變電所停電中UPS持續(xù)給儀表負(fù)荷供電近5小時(shí)，變電所供電恢復(fù)后UPS對(duì)整組蓄電池進(jìn)行均充后轉(zhuǎn)入浮充，之后對(duì)該組蓄電池容量校驗(yàn)發(fā)現(xiàn)容量下降近一半。

（1）UPS在停電期間的放電容量：放電時(shí)間5小時(shí)，放電電流20A=2.5I10，UPS逆變效率92%，C3為108.7(Ah)，根據(jù)VRLA蓄電池不同放電電流的容量對(duì)應(yīng)關(guān)系C3=0.76C10，C10為143.0(Ah)，顯然該組蓄電池放電超過(guò)其容量的179%，蓄電池嚴(yán)重過(guò)放電。

（2）UPS恢復(fù)供電后蓄電池充完電做的容量校驗(yàn)：該組蓄電池從一開(kāi)始放電電壓就較高，但之后下降很快，40分鐘后已有單體蓄電池下降到終止電壓，整組蓄電池以2I10＝16A電流恒流放電，放電時(shí)間為0.5小時(shí)，放電容量C4為8(Ah)，根據(jù)VRLA蓄電池不同放電電流的容量對(duì)應(yīng)關(guān)系C4=0.78C10，C10為10.26(Ah)，整組蓄電池容量不合格，過(guò)度放電造成容量下降失效。

4 VRLA蓄電池失效對(duì)策和措施

為使VRLA蓄電池實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期運(yùn)行應(yīng)采取以下措施：

（1）盡量選用產(chǎn)品質(zhì)量過(guò)關(guān)的名牌產(chǎn)品。VRLA蓄電池的產(chǎn)品質(zhì)量直接決定其運(yùn)行的質(zhì)量，蓄電池的板柵的厚度、質(zhì)量，鉛膏的配方，隔板的透氣性，安全閥的設(shè)計(jì)，電解液的灌裝方式及電解液的注入量、合成的方式，殼體材料及殼蓋與殼體間的密封等諸多生產(chǎn)環(huán)節(jié)留下的細(xì)小紕漏都可能導(dǎo)致蓄電池出現(xiàn)早期失效情況。

（2）蓄電池組投用前有必要進(jìn)行一次核對(duì)性放電實(shí)驗(yàn)，并做端電壓檢查和內(nèi)阻測(cè)試。因?yàn)閂RLA蓄電池出廠時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)容量會(huì)出現(xiàn)下降，此時(shí)進(jìn)行放電測(cè)試、端電壓檢查和內(nèi)阻測(cè)試可以檢查蓄電池組個(gè)體的一致性，發(fā)現(xiàn)因質(zhì)量原因產(chǎn)生的落后蓄電池。

（3）注意安裝條件和使用環(huán)境。VRLA蓄電池因內(nèi)部時(shí)時(shí)刻刻在進(jìn)行著化學(xué)反應(yīng)、不斷產(chǎn)生熱量，因此應(yīng)可能安裝在清潔、陰涼、通風(fēng)、干燥的地方并避免受到陽(yáng)光直射，遠(yuǎn)離加熱器或其他輻射熱源，同時(shí)單個(gè)蓄電池間距一般大于50mm，以便使其散熱良好。理論證明，相對(duì)正常的使用溫度25℃，溫度每升高10℃，VRLA蓄電池使用壽命便減少一倍。

（4）正確使用VRLA蓄電池。嚴(yán)格按照廠家要求進(jìn)行均衡充電電壓、浮充電等運(yùn)行參數(shù)設(shè)置，包括配置合適的充電機(jī)。過(guò)充和欠充都會(huì)降低VRLA蓄電池的使用壽命，尤其平時(shí)頻繁均充可能造成蓄電池失水，出現(xiàn)早期失效。

（5）VRLA蓄電池的“免維護(hù)”不等于“不維護(hù)”。VRLA蓄電池的“免維護(hù)”指的是運(yùn)行期間不用補(bǔ)充電解液，需要必要的周期維護(hù)，如定期檢查、定期進(jìn)行核對(duì)性放電和內(nèi)阻測(cè)量等。