（电气工程专业论文）兰州西固热电厂阀控式铅酸蓄电池在线监测及应用研究.pdfVIP

重庆大学硕十学位论文英文摘要 a b s t r a c t s o u r c es y s t e mo fd i r e c tc u r r e n to p e r a t i o ni sc u r r e n ts u p p l ys o u r c eo fs o m ei m p o r t a n t l o a d sa sr e l a y i n gs e t t i n g ，s i g n a ls e r t i n g ，a u t o m a t i cs e t t i n g ，l i 曲t i n gs e r t i n g ，c i r c u i tb r e a k e r i ne l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m ，w h o s er e l i a b i l i t yo fc u r r e n ts u p p l yd i r e c t l ya f f e c t ss a f e o p e r a t i o n i nt r a n s f o r m e rs t a t i o n s t o r a g eb a t t e r yi s e m e r g e n c yp o w e rs u p p l yo fd c o p e r a t i o ne l e c t r i c a ls o u r c es y s t e mi ne l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m ，w h o s eg o o dw o r ks t a t e ，i s g r e a ti m p o r t a n tt oo p e r a t i o no ff i x t u r e b e c a u s ei n d i v i d u a ls t o r a g eb a t t e r yq u i c k l ya b a t e s d u et od r y , h e a t ，p o l a rp l a t el i t h i f i c a t i o n ，w e e p i n g , l a c kc h a r g i n g , e x c e s s i v ed i s c h a r g i n g ， i n t e r n a lr e s i s t a n c ei n c r e a s i n g , c a p a b i l i t yr e d u c t i o n ，e x p l o s i o ne t c ，h e a v ya c c i d e n to f e l e c t r i cn e t w o r ki m p o s s i b l eo c c u lt ow a r r a n tr e l i a b i l i t yo fd c o p e r a t i o np o w e r e l e c t r i c a l s u p p l y , a l l r o u n dm o n i t o r i n gt op a r a m e t e ro fs t o r a g eb a t t e r yo p e r a t i o ni sn e c e s s a r y t h i sa r t i c l eh a sa n a l y z e dt h eo n l i n em o n i t o r i n gn e c e s s i t yo fs t o r a g eb a t t e r ya n d t e c h n i c a lp a r a m e t e ra f f e c t i n gt h es t o r a g eb a t t e r yw o ks t a t ew i t hm e t h o do fs t o r a g eb a t t e r y m o n i t o r i n gi np o s s e s s i o n ，a n ds t u d i e dt h em e t h o do fo n l i n em o n i t o r i n gi nv a l v ec o n t r o l s t o r a g eb a t t e r y , t h em a i nc o n t e n to fs t u d i e si n c l u d e ： t h e s t u d yo ft e c h n i q u ep a r a m e t e ra n dr e l a t i o ni nv a l v ec o n t r o ls t o r a g eb a t t e r y ： t h es t u d yo fr e a l t i m em o n i t o r i n gm e t h o da b o u tv a l v ec o n t r o ls t o r a g eb a t t e r y s v o l t a g ea n dc h a r g eo rd i s c h a r g ec u r r e n t ； t h es t u d yo fo n l i n em o n i t o r i n gp r i n c i p l em e t h o da b o u tv a l v ec o n t r o ls t o r a g e b a t t e r y si n t e r n a lr e s i s t a n c e ，b a s i cd e s i g no fs y s t e mi sf i n i s h e d ； t h r o u g ha n a l y z eo fa p p l i c a t i o no fp a r ts y s t e mi nl a n z h o ux i g ut h e r m a lp o w e r p l a n t ，a c t i v ee f f e c t st h eo n - l i n em o n i t o r i n gt e c h n i q u eo fs t o r a g eb a t t e r yt om a i n t e n a n c eo f s t o r a g eb a t t e r y k e y w o r d s ：s t o r a g eb a t t e r y , i n t e r n a lr e s i s t a n c e ，v o l t a g e ，c h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gc u r r e n t ， o n - l i n em o n i t o r i n g l i 重庆大学硕士学位论文 1 绪沦 1 绪论 1 1 兰州西固热电厂实施蓄电池绝缘在线监测方法研究的意义 随着电网建设的高速发展，我国电网已从城市孤立电网发展成为大区电网，西 电东送、南北互供、全国联网的格局正在形成。电气设备是组成电力系统的基本元 件，提高电力设备的运行可靠性显得尤为重要。电力生产的设备投资占企业的投资 的6 0 7 0 以上，设备是保证供电可靠性的基础，是安全的最大保证。无论是大 型关键设备如发电机、变压器，还是小型设备如绝缘子、电力电容器等，一旦失效 必将引起局部一致全部地区的停电。近几年来，电力行业积极应用在线监测技术， 开展状态维修，加强设备的常规测试及综合分析、及时消除了一些设备的绝缘隐患， 提高电力系统电气设备运行的可靠性，使全国电网2 0 0 0 年的供电可靠率有了明显的 提高，但与发达国家的供电可靠率相比仍有很大差距。 目前，兰州西固热电厂内的所有信号设备、继电保护以及安全自动装置、事故 照明、断路器控制等，均采用专门的直流电源，电压为2 2 0 v 。直流操作电源系统供 电的可靠性直接影响电厂的安全运行。在发电厂为了保证系统的正常运行都需要备 有蓄电池应急组，以此作为直流操作电源。蓄电池组在系统正常运行时由充电机浮 充充电。在系统停电及母线短路的情况下，蓄电池组提供后备电源，能迅速切断故 障，确保安全运行。因此，蓄电池作为能量储备元件，其工作状态好坏，对于设备 的可靠运行至关重要。 在我国现今的电力系统内普遍采用的蓄电池有镉镍蓄电池、阀控式铅酸蓄电池。 以阀控式铅酸蓄电池为例，阀控式铅酸蓄电池( v r l a ) 从一开始便被称为免维护 电池，这样就给西固电厂的技术和维护人员一种误解，似乎这种电池既耐用又完全 不需要维护，因此从装上电池后就基本没有进行过维护和管理；阀控电池的出现， 其实是为了避免开口式电池挥发的酸气对设备、人造成的伤害，同时也为了安装、 运输等方便。“免维护”，只是不再人工加液而已。实际上，阀控密封铅酸蓄电池存 在着很多安全隐患：如出于汇流排和板栅遭到腐蚀，造成金属路径变窄而使电池的 内阻增加；由于安装时电池放置水平度不够，使得极柱受力变形而导致爬酸；由于 浮充电压过高，加速正极板栅腐蚀速率和电池内气体的排放，导致干涸；由于环境 温度过高，使得电池内部温度升高，导致浮充电流增加，浮充电流增加加速电池内 部温升，形成恶性循环，引起热失控等等。这些现象在西固电厂都出现过，严重影 响到蓄电池的安全运行。实践证明，v r l a 电池端电压与放电能力无相关性，v r l a 电池和电池组在运行过程中，随着使用时间的增加必然会有个别或部分电池因内阻 变大，呈退行性老化现象；整组电池的容量是以状况最差的那一块电池的容量值为 重庆大学硕士学位论文1 绪论 准，而不是以平均值或额定值( 初始值) 为准，当电池的实际容量下降到其本身额 定容量的9 0 以下时，电池便进入衰退期，当电池容量下降到原来的8 0 以下时， 电池便进入急剧的衰退状况，衰退期很短，这时电池组已存在极大的事故隐患。使 用和管理部门，往往只重视备用电源的设备部分的维护和管理，而忽视电池组的重 大作用，殊不知断电的危险很大程度上就潜伏在电池组。整组电池充电的特性是， 如电池组内有一个或几个内阻变大的老化电池，其容量必然变小，充电器给电池组 充电时，老化电池因容量小，将很快充满。充电器会误以为整组电池已充满而转为 浮充状态，以恒定电压和小电流给电池组充电。其余状态良好的电池不可能充满。 电池组将以老化电池的容量为标准进行充放电，经多次浮充一放电一均充一放电浮 充的恶性循环，容量不断下降，电池后备时间缩短。结论：如不定时检测，找出老 化电池给予调整，电池组的容量将变小，电池寿命缩短；影响系统的高效安全运行。 经常造成电网事故扩大。为保证直流操作电源供电的可靠性，必须对蓄电池组运行 参数进行全面的监测。实践证明，电池和电池组的定期检测和在线监测是非常重要 和必须的。 蓄电池在线监测管理是针对测量电池的运行条件和检测电池本身的状况而设计 的、电池监测主要有如下三种方法：1 、整组监测，2 、单电池电压监测，3 、电池内 阻监测与在线监测。 整组监测：整组电池监测主要测量电池组的电压，电流和温度，进行充电和 放电管理，优点是能根据环境温度变化来调整电池组的浮充电压( 温度补偿) ，在电 池放电时电池组电压低至某下限时报警。缺点是很难发现单电池的缓慢变化，包括 单电池本身的老化和因单电池一致性问题而带来的积累效应；无法监测电池及电池 组实际容量，无法筛选其中已老化的电池。 单电池电压监测：在浮充状态，监测设备只能发现极个别性能很差，浮充电 压超常的电池。就是对于电池性能变坏，电池容量已经大幅下降的老化电池监测无 能为力，只有当放电时发现某电池的放电电压( 或曲线) 异常才有警告。单电池电 压监测的预警性和前瞻性较差，无法准确测定电池内阻和容量，及时找出老化电池。 电池内阻监测与在线监测：直流放电法对电池进行内阻检测是电池监测技术 的质变，即由被动监测电池电压到主动精确测试电池内部状态( 内阻) 和在线监测 电池组动态变化1 5 。 由于应用系统的安全性要求，系统不能随时停机维护，在线监测能很好满足这 方面的需求。在线监测还能提高效率，更加准确可靠地完成电池监测任务。 1 2 国内外蓄电池监测的现状和趋势 随着科学技术的发展，特别是单片机和计算机在智能化控制方面的应用，以及 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 在变电站综合自动化系统等方面研究的深入，关于蓄电池的自动化监测问题也提到 同程上来。近几年以来，很多人开始研究蓄电池的自动化监测。 在国内蓄电池监测系统中，主要内容是对单电池电压的监测。在电压的测量方 法上，对单个电压量的测量方法非常简单。其中，最关键的是如何测量电池组中串 联在一起的单电池电压。在解决如何测量单电池电压问题上，人们进行了大量的研 究工作。有人提出用继电器来切换电池组中的每只电池。用触点式继电器切换的缺 点是：体积大、成本高、寿命短、速度慢，且其电压值计算比较麻烦6 1 ；还有另外 一种方法：在多路输入信号的选择上采用模拟开关进行选通，在模拟信号的转换上 采用可编程定时器的v f 转换器。其中，在解决输入信号电压高于芯片的最大工作 电压的问题上存在技术难点，且采用、帽转换作为a d 转换器。其缺点是响应速度 慢、在小信号范围内线性度差、精度低。关于在线测量单只电池电压的方法，还有 人提出用光电隔离器件和大电解电容器构成采样，保持电路来测量蓄电池组中单只 电池电压。此电路的缺点是：在a d 转换过程中，电容上的电压能发生变化，使其 精度趋低，而且电容充放电时间及晶体管和隔离芯片等器件动作延迟等因素，决定 采样时间长等缺点。国内研制并投产的z x j 2 4 2 1 型蓄电池组智能监测仪，采用 浮动地技术测量蓄电池组中各单电池电压，测量的参数还包括电池组电压、2 路电 流、2 路温度。 在国外，美国b m s ( b a t t e r ym o n i t o d n gs y s t e m ) 蓄电池监测系统技术发展于电 力应用工业。1 9 8 9 年，美国电力研究所与国家电能研究公司合作，共同研究了无人 值守场站p b w c 铅酸蓄电池综合在线状态监测系统。经过4 年的研究与开发，耗资 2 0 0 万美元，于1 9 9 4 年完成样机的现场试验。测定的参数包括：电池组电压、单体 电压、( 浮充电) 维持电流、电池内部温度、电池组环境温度、电解液比重、电解液 液面高度以及电极利用情况等。其方法是采用安装在每一只电池上的多传感器电池 监测模块( 叫“电池监测器”，是真空密封的) 。这种模块通过光缆将状态数据传输到 蓄电池组监测器，每一电池组监测器可监测2 5 6 个单电池。远程控制中心通过 m o d e m s 和公用电话线对电池组监测器进行监测，可监测的电池组监测器的数量 不受限制。控制中心p c 机能定期查询所有运行组的监测器，下裁并处理储存的数 据，存储和显示电池状态及其趋势的信息，能获得每一节电池的参数。其主要特征 是运用特定传感器对电池组的每个电池进行独立监测。单电池电压的测量是使用传 统的一个直接带有稳压的a 仍转换器。电池组电压的测量是用一个与电池组连接的 滑动变阻器和带有稳压参考的a d 转换器f 由电池组供电) 。电池组电流的测量用霍 尔效应磁域传感器来测量。电池内部温度的测量通常是用直接与电池壁接触的固态 集成电路温度传感器来测量，并已同外部环境如气流和阳光这样的热效应隔离。电 池组温度的测量是用同样的装置来测量。为了捕述电池组周围空气的平均温度，传 3 重庆大学硕士学位论文l 绪论 感器一般位于电池组支架上。此项研究成果应用于电厂、变电站、通信、电动车辆 及医疗等领域。 关于b m s 蓄电池的监测有多种监测目的。因此，监测的重点也有差异，在监测 的方法和手段上人们进行了大量的研究和探索。 在韩国，有人研究光伏系统中的蓄电池状态的监测。铅酸蓄电池作为独立光伏 系统的能量的储存设备，可防止过度放电和过度充电，对延长整个系统的服务寿命 非常重要。蓄电池组的监测内容有：单电池电压、电池组电压、通过电池组的电流 及电解液的比重等。每一个被选择的单电池电压使用一个便携式数据采集系统监测。 这个系统中有一个2 0 个通道的扫描器、一个数字多路选择器及一个笔记本电脑。电 解液的比重是通过数字比重计测量。研究的监测系统不仅要监测以上这些内容，而 且采用了一种“电流中断技术”，以测量电池组充电时电池的内部电阻。根据单电压 和电流的关系，通过连续测量内部电阻以监测电池的老化趋势。 美国的a l b e r 公司研究v m s ( v r l a b a t t e r ym a n a g e m e n t s y s t e m ) 阀控密封铅酸 蓄电池管理系统。这个管理系统不是简单的监测蓄电池，而是设计成具有管理和控 制蓄电池的功能。此系统的目的是改变蓄电池“恒压充电”的方法。因为恒压充电的 方法不能满足不同蓄电池所需的不同充电电流。系统监测的内容包括：单电池电压、 电池内部温度、放电电流及放电过程中测量电池组总电压，电池内阻。v m s 中包含 了b m s 。它是在监测的基础上对蓄电池进行分析，并进行管理和控制。这样更有利 于对蓄电池的维护，延长蓄电池使用寿命。 从以上各个方面来看，对蓄电池的监测已经成为了蓄电池应用领域的研究焦点， 如何实时准确地监测到蓄电池的运行参数，并通过对参数的分析，从而推断出蓄电 池所在的工作状态，检修出现问题的蓄电池，进行及时的维护，以保证系统的正常 运行，这些问题都是研究的重点。 显而易见，无论是国内的还是国外的研究，关于温度和电流的测量部属常规测 量，而且在这些方面的测量技术都已成熟。相比而言国外蓄电池监测系统的技术比 较成熟，并且研究发展了蓄电池管理系统。在蓄电池管理系统中，监测的电池参数 有所不同，研究的方法更复杂。国外先进技术及研究成果对我国进一步进行有关蓄 电池监测系统方面的研究，可以起到借鉴作用1 4 】。 1 3 本文研究的主要内容 蓄电池的在线监测是电力系统运行维护中的一项重要的工作，因此对于蓄电池 监测的研究是很有必要的，而一旦研究结果被实验( 实践) 论断所认同，将会广泛 地应用电力系统中。根据目前兰州西固热电厂阀控式蓄电池运行中存在的问题，通 过对大量的文献调查研究，结合现有的监测技术条件，从以下几个方而展开研究工 4 重庆人学硕士学位论文1 绪论 作： 1 1 阀控式蓄电池绝缘在线监测必要性的分析； 2 1 阀控式蓄电池技术参数与其关系分析； 3 1 阀控式蓄电池( 组) 电压与充放电电流实时监测方法分析； 4 1 阀控式蓄电池内阻在线监测原理及方法的设计及实现： 5 ) 阀控式蓄电池在线监测技术在兰州西固热电厂的应用研究。 1 4 小结 本章分析了在兰州西固热电厂实施蓄电池绝缘在线监测方法研究的意义，并综 述了国内外蓄电池监测的现状及趋势，最后提出了作者研究的主要内容。 5 重庆人学坝士学位论文 2 阀控式铅酸蓄屯池的上作原理及自荚概念 2 阀控式铅酸蓄电池的工作原理及有关概念 2 1 阀控式铅酸蓄电池的工作原理 2 1 1 铅酸蓄电池的放电原理 当外电路接上负载后，在铅酸蓄电池正、负极板之间的电位差( 电动势) 的 作用下，负极板上的电子便经负载进入正极形成电流。同时在蓄电池内部产生化 学反应，在负极板上每个铅原予放出二个电子，变成铅正离子，同时在负极上多 余电子，这些电子在电动势的作用下，将不断地经外电路流入正极而形成电流。 在电解液内部，因硫酸分子的电离，便有氧正离子和酸根离子存在，这时，园异 性电离子相遇，便生成硫酸铅分子附着在负极上，即： p b 一缸+ h l s 0 4 一p b s 0 4 + 2 h 在正极板上，电子自外电路进入，与四阶的铅正离子化合成二价铅的正离子，并立 即和正极板附近的酸根负离子结合在一起，生成硫酸铅分子附着在正极板上。与此 同时，电解液中移向正极板的氢离子和氧离子结合，生成水，即： p 6 。2 + 纽+ 2 h + _ p b s 0 4 + 2 h 2 0 于是，放电时的化学反应为： 乃0 2 + 2 h 2 s o , + 邝_ p b s 0 4 + 2 1 - 1 2 0 + p b s 0 4 正极负极正极 负极 从化学反应力程式可以看出，随着蓄电池的不断放电，电解液中硫酸逐渐消 耗，电解液的密度逐渐下降。因此，在实际工作中，我们可以根据电解液的浓度 变化来判断阀控式铅酸蓄电池的放电程度【1 j 。 2 1 2 铅酸蓄电池的充电原理 充电是放电的反过程，充电时，应在蓄电池的正、负极之间外接直流电源( 发 电机或整流嚣) ，使正、负极板在放电时消耗的活性物质还原，井把外接电源的正 极电源肌蓄电池的正极流入，经电解液和负极板流回外接电源的正极电流从蓄电 池的f 极板流入，经电解液和负极板流回外接电源的负极。在蓄电池的内部产生 如下的反应： 在负极板上，因获得电子，二阶的铅离子被还原为铅。并以固体状态附在负 在负极板上，因获得电子，二阶的铅离子被还原为铅。并以固体状态附在负 极板上，即： p b s 0 4 + p 6 2 + + s o ； p b “一2 e p b l + 珊“+ 4 h 2 0 一e b ( 0 1 4 ) 4 + 岍+ 重庆大学硕士学位论文 2 阀控式铅酸蓄电池的工作原理及有关概念 2 阀控式铅酸蓄电池的工作原理及有关概念 2 1 阀控式铅酸蓄电池的工作原理 2 1 1 铅酸蓄电池的放电原理 当外电路接上负载后，在铅酸蓄电池正、负极板之间的电位差( 电动势) 的 作用下，负极板上的电子便经负载进入正极形成电流。同时在蓄电池内部产生化 学反应，在负极板上每个铅原子放出二个电子，变成铅正离子，同时在负极上多 余电子，这些电子在电动势的作用下，将不断地经外电路流入正极而形成电流。 在电解液内部，因硫酸分子的电离，便有氢正离子和酸根离子存在，这时，因异 性电离子相遇，便生成硫酸铅分子附着在负极上，即： p 6 一知+ h 2 s 0 4 一朋0 4 + 2 h + 在正极板上，电子自外电路进入，与四阶的铅正离子化合成二价铅的正离子，并立 即和正极板附近的酸根负离子结合在一起，生成硫酸铅分子附着在正极板上。与此 同时，电解液中移向正极板的氢离子和氧离子结合，生成水，即： p 6 d 2 + 勉+ 2 h + 呻p b s 0 4 + 2 h 2 0 于是，放电时的化学反应为： p 6 0 j + 2 h 2 s o , + 尸6 _ p b s 0 4 + 2 日2 0 + p b s 0 4 正极负极正极负极 从化学反应方程式可以看出，随着蓄电池的不断放电，电解液中硫酸逐渐消 耗，电解液的密度逐渐下降。因此，在实际工作中，我们可以根据电解液的浓度 变化来判断阀控式铅酸蓄电池的放电程度【”。 2 1 2 铝酸蓄电池的充电原理 充电是放电的反过程，充电时，应在蓄电池的正、负极之问外接直流电源( 发 电机或整流器) ，使正、负极板在放电时消耗的活性物质还原，并把外接电源的正 极电源从蓄电池的正极流入，经电解液和负极板流回外接电源的正极电流从蓄电 池的f 极板流入，经电解液和负极板流回外接电源的负极。在蓄电池的内部产生 如下的反应： 在负极板上，因获得电子，二阶的铅离子被还原为铅。并以固体状态附在负 极板上，即： p b s 0 4 _ m 2 + + s o ； p b “一2 e p b 4 + p 护+ + 4 h ，0 一e b ( o h ) 。+ 4 h ? 6 重庆大学硕士学位论文2 阀控式铅酸蓄电池的工作原理及有关概念 p b ( o h ) 。一m d 2 + 2 h 2 0 氢离子在电流的作用下向负极板移动，同时硫酸根离子向正极板移动，两种 离子因静电引力而结合成硫酸，即： 4 h + + 2 s 饼一一2 h 2 s o , 正极板的反应式为： p b s 0 4 2 e + 2 h 2 0 - 尸凸0 ：+ 月j s d 4 于是，充电时总的化学反应是： e b s o , + 2 h 2 0 + p b s 0 4 _ + 乃0 j + 2 h s 0 4 + 尸6 正极负极正极负极 当蓄电池充电后，两极板上原来被消耗的活性物质恢复了，同时电解液中硫 酸的成分增加，水分减少，密度升高。因此，在实际工作中可以根据电解液的变 化，来判断铅酸蓄电池的充电程度【1 1 。 2 1 3 密封阀控式( 免维护) 铅酸蓄电池内氧再化合原理 在2 1 1 和2 1 2 所叙述的过程中，均没有考虑到气体析出问题，铅酸蓄电池 在充电以及搁置期间都有氢气和氧气产生。氢气和氧气的析出对蓄电池的使用性 能有很大不利。如增大了欧姆极化的影响，增大蓄电池内压力使蓄电池难以密封。 由于氧气析出加速了正极板栅的腐蚀，因此，另外的气体将伴随着酸雾逸出对设 备和环境造成污染。阀控式铅酸蓄电池成功地以氧再化合解决了这个问题。 铅酸蓄电池充电时， 在正极发生下列反应： p b s 0 4 + 2 h 2 s o , _ p b s 0 4 + 日2 s 0 4 + 2 h + + 拓 日：o 一2 日+ + 丢d 2 + 2 e 在负极上 p b s 0 4 + 2 h + + 2 e _ p b + p b s 0 4 2 h + + 2 e _ h 2 同时还伴随着海绵状铅的氧化反应： p b + 1 0 2 - - - , p b o p b o + h 0 4 一p b s 0 4 + h 2 0 由于正、负极发生的电化学反应各具特点，所以正、负极板的充电接受能力 存在差别，当正极板充电到7 0 ，正极开始析氧；而负极充电到9 0 ，负极才开 始析氢。 铅酸蓄电池在长期搁置状态产生氧气的方程如下： 7 重庆大学硕士学位论文2 阀控式铅酸蓄电池的工作原理及有关概念 p b 0 2 + h z s 0 4 一p b s 0 4 + h 2 0 + 三0 2 上述原因将是得蓄电池中必然产生水分损耗。为了解决这一问题，阀控式蓄 电池采用了负极活性物质过量设计比普通的铅酸蓄电池增加1 0 2 0 ，依据充 电过程正极活性物质的质量变化，当负极上的海绵铅达到9 0 时，正极板上的p b o 便接近9 0 ，接着在充入少许电量，负极与正极上的活性物质便分别达到9 5 而 接近完全充电，在此过程中析气量极微，且几乎不产生氢气。但是为了解决解决 水的损耗问题则必须为氧的复合制造条件，贫电液设计加上超细玻璃纤维隔膜， 解决了氧的传输问题，使铅的氧化反应得以进行，完成了氧的在化合，阀控式蓄 电池也就实现了免维护。 2 2 阀控式铅酸蓄电池的主要技术参数 在直流操作电源系统中，蓄电池作为其后备电源，是这个系统的支柱。在试 点异常时，逆变器直接将蓄电池的化学能变成交流电能输送出去，使用设备得以 连续运行下去，保证电力系统的正常运行。 2 2 1 阀控式铅酸蓄电池的容量 阀控式的铅酸蓄电池的容量是指其在一定条件下所能放出的能量。容量计算 单位名称为a h ( 安培每小时) ，简称安时。一般可分为两种：一是理论容量，是根 据法拉第电解定理计算出来的，即假设极板活性物质全部反应所能放出的电量； 二是实际容量，即在一定条件下，蓄电池实际能放出的电量。实际容量只是理论 容量的5 0 左右。极板上活性物质与电解液接触面积的大小，是决定蓄电池容量 的构造因素。所以蓄电池极板尺寸越大，片数越多，活性物质的多孔性越好，则 它与电解液的接触面积就越大，容量也就越大。另外，不同的使用条件，蓄电池 容量也不同。蓄电池容量可定义：蓄电池在一特定的放电速率下有效的安时数。 随着蓄电池对负荷放电，其端电压不断下降，对应不同的放电率有不同的终止电 压。当蓄电池放电至终止电压时，可认为其有效电量已全部消耗。蓄电池进行放 电，容量等于放电电流和放电时间的乘积。 q = i + t ( 2 - 1 ) 如果放电电流不是固定值，那么容量等于各段电流值与各段时间的乘积之和。 衡量一个蓄电池的优劣，容量是一项主要指标。 比容量有重量( w h k g ) 和体积比容量( w h l ) 之分，铅酸蓄电池重量比容 量理论值计算式如卜： 一! ：堑：! ：皇：垫r 2 2 ) ” g 一 8 重庆大学硕士学位论文 2 阀控式铅酸蓄电池的工作原理及有关概念 式( 2 2 ) 中： e o 。标称电动势； n 电池反应摩尔电子数( 2 ) ； g 反应物重量( p b o ，、2 h ，s o 。、p b 重量和) ； 2 6 8 流入电池1 f 电量( 2 6 8 a h ) ， 则 w ：；2 * 2 6 8 * 2 0 4 6 4 2 5 5 2 = 1 7 0 6 ( w h k g ) 实际比容量远小于理论比容量，因为尚需涉及壳体、电液、隔膜及附件重量， 还需要考虑电池工作时，端电压远低于电池标准电动势等因素。 蓄电池在标准规范条件下所输出得电量为额定容量。 放电率针对蓄电池放电电流大小，分为时间率和电流率。 放电时间率指在一定得放电条件下，放电至放电终了电压的时间长度。依据 i e c 标准，放电时间率有2 0 、1 0 、5 、3 、1 、0 5 小时率及分钟率，分别表示为： 2 0 m 、1 0h r 、5 h r 、3 h r 、1 h r 、0 5 h r 等。 蓄电池以一定的放电率在2 54 c 环境所温度下放电至在反复充电使用的最低电 压称为放电终了电压。大多数固定型电池规定1 0 h r 放电时( 2 5 c ) 终止电压为1 8 v 只。终止电压值视放电速率和需要而规定。通常，为使电浊安全运行，小于1 0 h r 的小电流放电，终止值取值稍高。大于1 0 h r 的大电流放电，终止值取值稍低。例 如：蓄电池采取的是2 0h r ，则蓄电池的终止电压为1 7 5 v 只。 放电电流率是为了比较标称容量不同的蓄电池放电电流大小而设立的，通常 以1 0 小时率电流为标准，用i - o ，5 小时率放电电流则用1 5 表示，如此类推。 容量试验的国家标准为：蓄电池经完全充电并静置1 2 4 h ，使蓄电池的表面 温度为2 5 。c + _ 5 。c ，电解液温度在1 5 3 5 范围是，开始放电。放电过程中，试验 环境温度保持在1 5 3 5 之间。放电开始时应该测记电解液密度和温度、放电电 流以及放电开始前后的单体蓄电池端电压。在放电过程中，放电电流的波动不得 超过规定值的1 。此问若需人工调整放电电流，放电电流的波动不得超过规定 值的5 ，调整时间不得超过2 0 s 。放电时间要测记单体蓄电池端电压及电解液密 度和温度，测记间隔1 0 h 放电率容量试验为1 h ；1 h 和o 5 h 放电率容量试验分别为 1 0 m i n 和5 r a i n 。在放电末期要随时测记，以便确定蓄电池放电到终止电压的准确 时间。 当放电时间开始时，蓄电池电解液温度不是基准温度2 5 。c ，则将实测容量e ， 按下式换算成2 5 。c 基准温度时的实际容量c n 。 9 重庆大学硕士学位论文2 阀控式铅酸蓄电池的t 作原理及有关概念 c o2 两者丽 妲。) 式( 2 - 3 ) 中：t 放电开始时电解液的温度，； k 韫度系数，l o h 率容量试验时，k = o 0 0 6 ；l h 率和o 5 h 率容 量试验时，k = 0 0 1 。 2 2 2 蓄电池的电动势 当蓄电池用导体在外部接通时，正极和负极反应自发的进行，若电池中电能 转换达到平衡时，正负极之间的平衡电极电势的差值便是电池电动势，它在数值 上近似等于电池达到稳定时的开路电压。电池电动势与单位电量的乘积，表示单 位电量所作的最大电功。在恒温恒压的可逆的过程中，系统所作的最大非体积功 w 等于自由焓的减少，有热力学公式： 形= _ 口g = z e f ( 2 4 ) e ：兰坚( 2 5 ) z f 其中z 表示反应中涉及物质的克当量数，f 表示l m o l 电子数量。 当1 3 g - - 0 时，化学反应能进行，反之，化学反应不能进行。i d gl 值愈大，反 应倾向愈大，反之i 口g | 值愈小，反应倾向愈小。所以，从宏观上看，电池的电动 势取决于电池反应的自由焓变化，而微观上又取决于一系列界面间电势差的大小， 说明相界面间电位差的分布与化学反应本质有密切的关系。 设反应方程式为： m 4 + b b = i l + n m 由化学等温度方程式得 3 g 却g 0 + r 弛n 髑一z e f ( 2 6 ) a 口d 6 r t l n f ! 笪b e ：且+ 丝鱼 ( 2 7 ) z f 。z 于 式中e = 熹为标准电动势，g o 一一r t l n k ，k 为平衡常数，活度q 表示祖分在 溶液中浓度的大小， 另外，在铅酸蓄电池中电动势可以通过电池反应，用n e m s t 公式计算 e = e o + 0 0 5 吲等) ( 2 - 8 ) e 为铅酸蓄电池的标准电动势2 0 4 0 v ，由式( 2 8 ) 可知，电池电动势与硫酸浓度 有关，硫酸浓度越大，电池电动势越大。 而电池电动势又可以表示为： 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 阀控式铅酸蓄电池的工作原理及有关概念 r t l ，l ! 盟 e = 谚一孵= 妒? 一秽+ 竺 ( 2 9 ) 妒? ，矿为正负极板标准电极电位。所以，影响电池电动势的重要因素为秽， 矿，$ 0 4 以及温度t 。 2 2 3 阀控式铅酸蓄电池的内阻 宏观看来，如果电池的开路电压为v 0 ，当用电流i 放电时其端电位为v ，n r = ( v o v ) i 就是电池内阻。然而这样得到的电池内阻并不是一个常数，它不但随电 池的工作状态和环境条件而变，而且还因测试的方法和测试持续时间而异。究其 实质，是因电池内阻r 包括着复杂的而且是变化着的成分。 理论电化学早已指出，电池在充电或放电时其端电压v 是由以下3 个部分组成 的： 矿= k + 风+ 等l n 岛) + i r ti n 唼) ( 2 _ 1 0 ) 式( 2 - 1 0 ) 中的称为欧姆极化，它是电池内部各组件的欧姆内阻民引起的； r i t l l l ( 与) 是由电极附近液层中参与反应或生成的离子的浓度变化引起的，称为 r i r l d l 浓差极化；竺三l 。f 土1 是由反应粒子进行电化学反应所引起的，称为活化极化。由 h f? in j 上式可知，宏观上测出的电池内殴( 即稳态内殴) 只是9 a 3 部分组成的：欧姆内阻、 浓差极化内阻r 和活化极化内阻r 。 欧姆内阻凡包括电池内部的电极、隔膜、电解液、连接条和极柱等全部零部 件的电阻。虽然在电池整个寿命期间它会因板栅腐蚀和电极变形而改变，但是在 每次检测电池内阻过程中可以认为是不变的。 浓差极化内阻既然是由反应离子浓度变化引起的只要有电化学反应在进行， 反应离子的浓度就总是在变化着的，因而它的数值是处于变化状态，测量方法不 同或测量持续时间不同，其测得的结果也会不同。 活化极化内阻是由电化学反应体系的性质决定的；电池体系和结构确定了， 其活化极化内阻也就定了；只有在电池寿命后期或放电后期电极结构和状态发生 了变化而引起反应电流密度改变时才有改变，但其数值仍然很小。 2 2 4 浮充电压 浮充的定义为负载所需电能全由整流设备供给，并以微小电流给电池补充充 电，足以补偿电池自放电的损失。同时还要考虑到电池进行单放电之后，亦能经 过一段时间浮充，补足其电量。 不同的蓄电池有不同的浮充电压推荐值，如r 本的y u a s a a 和p a n a s o n i c ， 重庆大学硕士学位论文2 阀控式铅酸蓄电池的工作原理及有关概念 其浮充电压推荐值为2 2 5 v 只；而意大利f i a n m m 则是2 2 7 ，v 只。浮充电压值高 意味着储能量大，但是此值在不同的温度时应该修正。质量差的蓄电池浮充电压 一般较小，人为地提高浮充电压值有害无益。浮充电压不足意味着内部化学反应 不充分，通过不断地积累，使容量越来越小，当小到一定值时，服务寿命结束； 浮充电压过高，说明化学物质已充分反应，仍向蓄电池注入电流，则只好将其中 的水电离成氢气和氧气由气阀放出，久而久之，蓄电池因失水过多使内部离子无 法移动，最后干涸而死。 目前，对v r l a 电池的浮充电压，无论是国内或国外，通常选取2 2 3 2 2 8 v ( 2 5 时) ，用户一般选取2 2 5 v 以上。因为，v r l a 电池是密封器件，常规反映 电池容量方法，比重测量、观察极板颜色变化及化学反应程度，对v r l a 电池是 不可能的。另外，测量浮充电压也不能有效地表示电池的容量。在没有有效的测 试手段之前，用户为安全起见，一般都选用较高的浮充电压。我们认为，当v r l a 电池电量充足时，过高的充电电压会导致v r l a 电池过充电。 2 2 5 蓄电池的其他技术参数 除了上面所叙述的以外，蓄电池的技术参数还包括充放电特性曲线、使用寿 命等。充放电是对蓄电池定期检修，以判断蓄电池贮能能力的一种方法。合理的 充放电，有利于延长蓄电池的使用寿命。充放电曲线是描述蓄电池充放电过程的 曲线，它与充放电电流有密切的关系。 蓄电池的寿命是指蓄电池的工作年限，一般厂家所标定的阀控式铅酸蓄电池 的工作年限是1 5 2 0 年，但实际上，蓄电池的工作年限远低于这个年限，甚至一 半也不到。其中影响蓄电池寿命的因素有很多，诸如：电解液密度、失水、经常 存电不足和极板硫化、过多的强制性充放电循环、使用条件等。 2 3 蓄电池技术参数之间的关系 2 3 1 内阻、端电压与容量的关系 由2 2 3 可知阀控式铅酸蓄电池的内阻是由欧姆电阻、浓差极化内阻和活化极 化内阻组成的。电池的欧姆电阻，主要由板栅电阻、板栅与活性物质界面电阻、 活性物质与电解液、隔膜与吸附电解液量、电池组装连接条电阻、极性电阻等组 成，并且主要决定于板栅与活性物质的界面电阻和包括隔膜在内的电解液电阻。 而浓差极化内阻和活化极化内阻可以合称为极化电阻，它和充电过程的极化现象 有关，由温度、工作电流大小决定。 由此可见，电池的内阻大小与电池所处的状态有关，与电池的剩余容量有关。 电池处于放电状态时，随着剩余容量的减少，电池活性物质也在减少，结果使得 电池的内阻增加。 1 2 重庆大学硕士学位论文 2 阀控式铅酸蓄电池的工作原理及有关概念 国内外许多研究资料表明，电池内阻与电池剩余容量有关，且与电池剩余容 量成反比关系，如图2 - 1 所示： ( = i 捌糸骞j l 埔 h ) 0 - 0 图2 - 1 剩余容量s o c ( a h ) 与电池内阻r m ( o ) 的关系 f i g 2 - 1 t h er e l a t i o nb e t w e e nr e s i d u a lc a p a c i t ys o c ( a h ) a n di n t e r n a lr e s i s t a n c eo fb a t t e r yt i n ( o ) 并可用下式表示： s o c = _ + c 一d ( 2 1 1 ) 其中，a ，b ，c 为固定系数，可由最小二乘法等数学手段，从试验数据或实际运行 数据中总结出来。 如果不考虑充放电初期蓄电池对外电路表现的特殊特性，按照蓄电池充放电最 平缓的情况可以将内部等效电路看成一个恒定电压源和一只那电阻串联的简化电 路，如图2 2 所示： 叫 卜。 ， 图2 - 2 蓄电池充放电等效电路 f i g 2 - 2t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to fs t o r a g eb a t t e r yc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n g 其中v b 在电池开路时为电池电动势，它是电池容量的一个非线性形函数，可以表 示为g ( s o c ) 。而r i 。表示电池内阻。 因此，阀控式铅酸蓄电池端电压与电池剩余容量的关系为： 矿= + 。 = g ( s o c ) 。口+ l ：f ( s 。) s o c c f 2 - 1 2 ) 陀一1 3 ) f 2 - 1 4 ) 重庆大学硕士学位论文 2 阀控式铅酸蓄电池的j 二作原理及有关概念 因而有 v = g ( s o c ) + f ( s o c ) x i 。 r 2 1s 、 一一， 其中，o ( s o c ) 与s o c 的变化方向致，近似认为成正比：f ( s o c ) 与s o c 的变化 方向相反，近似成反比关系。 由此关系式可以有： 1 ) 当电池处于浮充状态时，很小，而f c ) 即内阻一般随容量( s o c ) 的不 同处于1 0 。1 0 。4 q ，所以f ( s o c ) x i 。相对于g ( s o c ) 而言很小，可忽略，那么就有 v o ( s o c ，端电压y 随着s o c 的变大而变大，变小而变小。端电压能够反映容量 的大小。 2 ) 电池处于放电状态时，由于电流反向，v a ( s o c ) + f ( s o c ) i 。，显然s o c 与矿的变化方向是一致的，端电压也能够反映容量的大小。 3 ) 当蓄电池迸行大电流充电时，由于电流较大，f ( s o c ) t 的影响与g ( s o c ) 的 变化量相当，且方向相反，因而矿与s o c 的变化方向可能会出现一致。 2 3 2 充电、放电与寿命、容量的关系及充放电对蓄电池性能的影响 充电与寿命韵关系 对阀控式铅酸蓄电池的维护需要建立精确的充电制度并加以实施，才能使该 蓄电池达到最优的性能和最长的使用寿命【1 】，国内充电与寿命的关系外大量研究的 结果表明，充电方式决定了蓄电池使用的寿命，有一些蓄电池与其说是使用坏的， 不如说是充电方式不妥被损坏的。在这方便，国内有许多蓄电池生产厂家和科研 院所或学校都做过类似的实验。例如有一个单位，将蓄电池分成了两组进行实验， 一组采用普通恒压限流方式进行全容量寿命的试验，另一组则采用阶段恒流充电 方式控制充电的容量，并在充电后期采用短时问中等电流冲击方式进行容量循环 寿命的试验。结果，两组蓄电池因采用不同的充电方式而得到相差甚大的循环寿 命，其中采用阶段恒流充电方式的蓄电池循环寿命较长。可见，目前被广泛采