影响阀控式铅酸蓄电池使用寿命的原因及其维护

李建军 沧州供电公司 061001

影响阀控式铅酸蓄电池使用寿命的原因及其维护

李建军 沧州供电公司 061001

介绍了阀控式铅酸蓄电池的基本原理,分析了影响VRLA蓄电池使用寿命的因素,提出了阀控式铅酸蓄电池的维护措施。

自从VRLA蓄电池投入使用以来，由于其“免维护”性能,轻便以及易于安装等优点,在沧州电网中得到广泛的推广和应用,正在逐步取代固定型铅酸蓄电池和镉镍蓄电池。但是VRLA蓄电池在使用中出现了一系列的问题,如极栅腐蚀及增长问题;电池端电压过低甚至电池的正负极反极问题；VRLA蓄电池性能不均匀,个别VRLA蓄电池提前失效问题等，这些问题严重影响VRLA蓄电池的使用寿命,进而影响到相关设备和电池本身的安全,对变电站的安全运行是十分不利的。本文从介绍阀控式铅酸蓄电池的基本原理着手，着重分析了影响VRLA蓄电池寿命的因素，阐释了VRLA蓄电池维护的有关措施。

一.阀控式铅酸蓄电池的基本原理

VRLA蓄电池的工作原理[1]，基本上仍沿袭于传统的铅酸蓄电池，它的正极物质是二氧化铅（PbO2）,负极活性物质是海绵状金属铅（Pb）,电解液是稀硫酸（H2SO4）其电极反应方程式如下：

VRLA蓄电池工作原理示意图：

如图所示：正极板采用铅钙合金或铅镉合金、低锑合金，负极板采用铅钙合金，隔板采用超细玻纤隔板，并使用紧装配和贫液设计工艺技术，整个蓄电池化学反应密封在塑料蓄电池壳内，出气孔上加上单向的安全阀。这种蓄电池结构，在规定充电电压下进行充电时，正极析出的氧，（O2），可通过隔板通道传达到负极表面，还原为水（H2O），由于VRLA蓄电池采用负极板比正极多出10%的容量，使氢气析出时电位提高，加上反应区域和反应速度的不同，使正极出现氧气先于负极析出氢气，正极电解水反应如下：

2H2O→O2+4H++4e-

氧气通过隔板通道或顶部到达负极进行化学反应：

Pb+1/2O2+2H2SO4→PbSO4+ H2O

负极被氧化成硫酸铅，经过充电又转变成海绵状铅

PbSO4+2e-+H+→Pb+HSO-4

这是VRLA蓄电池特有的内部氧循环反应机理。

二.影响VRLA蓄电池寿命的因素

VRLA蓄电池的寿命不仅和产品质量有关，还与VRLA蓄电池的实际使用情况有关，VRLA蓄电池的寿命受到内外两方面因素的影响。

1.影响VRLA蓄电池寿命的外部因素主要有以下几个方面：

（1）过充电。过充电是影响VRLA蓄电池寿命的最主要原因。过充电会引起VRLA蓄电池的正极析氧，极板深处生成的氧气从电极表面逸出，增大了壳体内压力，而在形成气泡过程中，以强力冲击PbO2，促使活性物质与板栅结合力变坏，甚至脱落，影响正负极板活性物质的使用寿命，使VRLA蓄电池的容量下降。长期过充电状态下，正极因析氧反应，水被消耗，H+增加，从而导致正极附近酸度增加，板栅腐蚀加速，使板栅变薄加速VRLA蓄电池的腐蚀，使VRLA蓄电池容量降低。同时因水损耗加剧，将使VRLA蓄电池有干涸的危险，从而影响VRLA蓄电池寿命。

（2）过放电。过放电会使VRLA蓄电池极板表面生成大颗粒PbSO4结晶，此结晶是难以恢复的，久之会造成极板硫酸化，大大降低极板活性物质的孔率，缩短VRLA蓄电池的使用寿命。当VRLA蓄电池被过度放电到其电压过低甚至为零时，会导致VRLA蓄电池内部有大量的硫酸铅被吸附到VRLA蓄电池的阴极表面，在VRLA蓄电池的阴极造成“硫酸盐”化。硫酸铅是一种绝缘体，阴极上形成的硫酸盐越多，VRLA蓄电池的内阻越大，VRLA蓄电池的充、放电性能就越差，VRLA蓄电池的使用寿命就越短。

（3）环境的影响。VRLA蓄电池要求的环境温度在15～20℃，在此温度范围内可以发挥最佳效能。VRLA蓄电池的电解液浓度较大，在低温、大电流密度下放电时，负极容易生成致密的PbSO4结晶层，减慢电极化学反应速度，影响放电。另一方面，如果VRLA蓄电池工作环境温度过高，超过40℃正极析氧加速，加快了正极腐蚀速度，同时将消耗更多的水，从而使VRLA蓄电池寿命缩短，环境温度一旦超过25℃，只要温度每升高10℃，VRLA蓄电池的使用寿命就会缩短一半。

（4）长期浮充电。目前, VRLA蓄电池大多数都处于长期的浮充电状态下,只充电,不放电, 这种工作状态极不合理。这样会造成VRLA蓄电池的实际容量(Ah)远远低于其标准容量,从而导致VRLA蓄电池所能提供的实际后备供电时间大大缩短,减少其使用寿命。

2.影响VRLA蓄电池寿命的内部因素

VRLA蓄电池内部的变化才是其寿命缩短的直接原因。VRLA蓄电池属少液式蓄电池，其中的电解液量受到严格的限制，其电解液量在出厂前一次性加注，一旦减少很难恢复。因此，当电解液中水分减少到一定程度，就会引起VRLA蓄电池失效。VRLA蓄电池隔膜中电解液饱和度应在大于95%状态正常工作，如果有25%的板栅被腐蚀，VRLA蓄电池隔膜的饱和度将由95%降至85%，从而使VRLA蓄电池容量降低20%以上。按照现行工业标准，VRLA蓄电池容量降低20%，便标志VRLA蓄电池工作寿命已终结。VRLA蓄电池失水还有下列几种情况：

（1）由于板栅腐蚀而失水。

（2）氧复合反应不完全，不能使100%的氧复合成水，这些游离的氧气经过安全阀排出壳体外。

（3）由于VRLA蓄电池壳体内外压力不同而使水经过壳体材料向外渗透。

（4）排气阀压力设计不当，经常动作而失水。

（5）维护过程中发生过充电，电解液中水分被大量分解气体，由安全阀排出体外而失水。

（6）其他非正常失水，包括VRLA蓄电池质量问题等。

经计算，如果氧复合效率为99%，一个1000Ah的VRLA蓄电池在正常浮充状态下一年将失水60g,即达到年失水量为0.6%。由于极栅腐蚀而引起的年失水量为0.77%.这两项相加时,将使年失水量达到1.37%。因此,如果失水10%将引起VRLA蓄电池容量损失20%,这意味着VRLA蓄电池使用7年后将因失水而失效。

三.VRLA蓄电池的技术维护

据统计，VRLA蓄电池供电系统的故障有50%以上是因为VRLA蓄电池组故障或VRLA蓄电池维护不当造成的，同时, VRLA蓄电池特性的变化也是一个渐进和积累的过程，为了保证VRLA蓄电池使用良好,确保VRLA蓄电池的使用寿命,在对VRLA蓄电池日常维护和定期检查的基础上,做到“三防、一及时”。

1.日常维护内容

1)检查充电装置是否良好，直流母线电压是否正常，VRLA蓄电池是否运行在最佳运行温度范围内。

2)保持电源室和VRLA蓄电池本身的清洁, VRLA蓄电池的日常维护中需经常检查的项目有:

a)外观是否完好，有无外壳变形和渗漏。

b)两端电压是否正常。

c)连接处有无松动、腐蚀现象，连接条的压降是否正常。

d)极柱、安全阀周围是否有酸雾析出。

e)VRLA蓄电池极柱应涂上中性凡士林，定期清洁，防止腐蚀极柱，防止VRLA蓄电池绝缘能力降低。

3)每组VRLA蓄电池应选择几只VRLA蓄电池作为代表电池,每日测量代表电池电压,作为了解全VRLA蓄电池组工作情况的参考,定期普测蓄电池电压.

4)发现有压降大、电压反极性、压差大和酸雾泄漏现象的VRLA蓄电池，应及时恢复、修复或更换，寿命已过期的要及时更换。

2.定期检查

1）每月逐个检查VRLA蓄电池端子的损伤痕迹、外壳及壳盖的损坏或过热痕迹，单体和VRLA蓄电池组的浮充电压、浮充电流。

2）半年检查各VRLA蓄电池的端电压和内阻，若单个VRLA蓄电池的端电压低于其最低临界电压或VRLA蓄电池内阻大于80mΩ时，及时更换或进行均衡充电。

表1 VRLA蓄电池放出不同容量的标准电压值(10小时率)

3）每年以实际负荷做一次核对性放电，放出额定容量的30%～40%，并作均充；每三年做一次容量试验，放电深度为80%C10，若该组VRLA蓄电池实放容量低于额定容量的80%，则认为该蓄电池组寿命终止。

3.“三防、一及时”

（1）防高温。VRLA蓄电池室要安装空调,使温度保持在20～25℃,在没有空调的使用环境，要设置换气通道并安装防尘和防雨帽。安装在柜内的VRLA蓄电池在夏季可卸掉机柜侧面板，VRLA蓄电池单体之间避免紧密排列，以增加空气的流动。

（2）防过充电。浮充电压的设定；VRLA蓄电池的开路电压可以由近似公式E=0.85+d得出(其中E为铅酸VRLA蓄电池的电动势;d为电解液的密度;0.85为铅酸VRLA蓄电池的电动势常数),浮充电压一般按u(25)=E+0.1设定, 浮充电流点的设定：可以按I=（0.10～125）C10进行设定,最大充电电流不能大于10小时率充电电流的1.5倍,并要根据环境温度的变化对浮充电压进行补偿。

（3)防过放电。过放电电压值的设定:对于VRLA蓄电池组的放电时限为10h,设定欠压告警门限为1.9V单体。

（4)及时充电。VRLA蓄电池放电后必须尽快进行充电,在充电过程中充电电流2～3h不变化可认为充电完毕,充入的电量应是放出容量的1.2倍左右,充电未结束或充电过程不要停止充电。禁止VRLA蓄电池组在深放电后长时间不充电(特殊情况下不得超过24h),否则将会严重降低VRLA蓄电池的容量和寿命。

4.核对性容量试验

每年进行一次核对性容量试验，以准确了解VRLA蓄电池的容量。放电时一组VRLA蓄电池中电压降低最快的一只就是落后VRLA蓄电池,在不脱离负载的情况下,可以对一只最差的VRLA蓄电池进行充放电,它的容量就代表该组VRLA蓄电池的有效容量。

5.容量恢复试验

为保证VRLA蓄电池有足够的容量,每年要进行一次容量恢复试验,让VRLA蓄电池内的活性物质活化,恢复VRLA蓄电池的容量。

6.治疗性充放电维护操作[1]

如果在半年内, VRLA蓄电池组从未放过电,应对VRLA蓄电池组进行一次治疗性充放电维护操作。

（1）放电操作。放电一般采用10小时放电率放电,放电深度控制在30%～50%为宜，每小时检测一次单体VRLA蓄电池电压,通过计算放出的VRLA蓄电池容量,对照表1电压值,判断VRLA蓄电池是否正常。

在相应放出容量下,测出的单体VRLA蓄电池电压值应等于或大于表中的相应电压值,即VRLA蓄电池容量为正常,反之, VRLA蓄电池容量不足。

（2）充电操作。VRLA蓄电池组放电后,应立即转入充电,开始可控制电流不大于0.2CA为宜, 当电流变小时,可慢慢提高VRLA蓄电池组充电电压,达到均充电压值,再充6h,然后再调回浮充电压值。

四.结束语

以上是对影响VRLA蓄电池使用寿命的原因及其维护的探讨。只有不断地改善VRLA蓄电池的运行环境，选择正确的维护手段，才能保证VRLA蓄电池的安全运行，发挥其最佳使用效能，延长其使用寿命，降低直流系统的运行维护成本，增强直流系统的稳定性，确保电力系统的运行可靠性。

[1]周志敏 ,周纪海, 纪爱华.阀控式密封铅酸蓄电池[M].北京: 中国电力出版社.2004

[2]孙成宝 ,徐海明.直流设备检修 [M].北京: 中国电力出版社.2003

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.20.056

阀控式铅酸蓄电池;原理;使用寿命;因素;维护