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【技术交流】铅酸蓄电池反极与爆炸原因浅析

能源时代2020-07-31 14:40:17

几乎每年圈内都会流传一些电池故障导致机房失火的消息,最近就听说某地机房又发生了火灾。作为机房内最后一道供电保障,电池的常见故障有哪些?本期能源小编找到一些实际案例分享给大家。(作者是业内长期从事通信能源技术工作的资深专家,原文发表于2011年,经作者授权进行转载)

 

容量不足、放不出电、电池鼓胀、电池漏液等是铅酸蓄电池常见故障,维护人员对此也习以为常,能熟练应对。电池反极、爆炸也并不鲜见,但现象令人迷惑不解,本文将通过案例进行分析。 


 

案例一:用户进行油机与市电切换测试,UPS出现电池开关跳闸。经检查,恢复工作后的UPS状态无异常,蓄电池各单体浮充电压均衡,电池外观及连接也正常。采用该UPS 10分钟放电功能进行放电测试,万用表记录到开始瞬间电池组最低值为300V,随后回升到360V左右,UPS面板显示电池正在放电测试。测量蓄电池组没有放电电流,用万用表对每个电池进行测量时,发现其中有一节电压为-15V左右,其它电池都在12V左右。系统恢复正常供电后,测得所有电池电压都差不多。


分析:UPS进行电池测试时,整流器输出电压降低至360V,负载能量转由电池提供。由于电池放电性能很差,无法承担负载,端电压瞬间下降,整流器因负荷突变引起电压下降,最低探至300V,并立即回升至系统设定的输出电压360V以保障负载运行。 


 

电池电压主要由极性材料决定,电压不可能高于正常电压,因此出现反向电压只可能是外部电压加在上面的结果。该UPS蓄电池组为32节12V电池串联,电池经瞬间放电后,开口电压略低于正常开口电压12.9V,大约为12.1V。除已反极的电池外,其它31节电池电压为12.1×31=375V,与整流器输出的360V相差正好15V,与反极的电压两端电压一致,可以判断反极电池已形成断路。


 

 结论:蓄电池组在放电状态下若无放电电流,一节电池反极,说明该节电池断路。

   

案例二:某UPS配置100AH/2V电池180节1组,已使用4年,日常巡检时发现其中一节电池浮充电压长期偏低,从前期2.19V下降到2.15Vdc;浮充状态时测试电池内阻均衡,电池组能够放电为负载供电。电池组放电时,发现某节电池反极电压1.7VDC左右,整组电池电压偏低。因为该UPS负载率仅10%,未影响设负载运行。 


 

分析:铅酸蓄电池正极为二氧化铅,负极为铅,放电过程中正负极活性物质都逐步转变成完全相同的物质——硫酸铅。如果某节电池剩余容量远低于其它电池,正极二氧化铅和负极活性铅都很快全部转化为硫酸铅,不再能放出电能。由于其它电池有电能输出,但电流与正常情况下的充电电流方向相反,因此其它电池放出的部分电能用于给该节落后电池充电,在原来的正极上生成铅,原来的负极上生成二氧化铅,并在电解液中生成硫酸。由于二氧化铅在硫酸中呈正电位,铅在硫酸中呈负电位,电池将具有反向电压,这就是反向充电。由于该电池原有容量不高,生成的硫酸密度低,据经验公式:充满电的电池开口电压=0.85+硫酸密度,电池反向电压一般不会高于2V,实测1.7,与分析值比较符合。


由于本案例中一组电池有180节,如果有一节电池放电至反极,该电池不但不能提供能量,还要抵消另一节电池的电压,全组相当于只有178节电池,影响率1.1%,对负载工作影响甚小。如果是48V电池组,影响率高达8.3%,即多数电池还有2V电压时,全组电压已下降至44V而引起电池保护或负载掉电,后备时间缩短一半以上。如果发生在24V电池组中,负载将很快掉电。


 

结论:如果电池组能放出电流,但某个电池反极,说明该节电池剩余容量远低于其它电池。如果系统采用12V电池,其中某一格反极,将使12V电池电压降至8V,对系统的影响与2V电池组成的电池组相同。

  

 案例三:某核心机房维护人员进行油机带载测试,油机刚启动的一瞬间,一节启动电池发生爆炸,油机已正常启动。维护人员立即停机检查,发现电池中间以上外壳飞出。


 

分析:爆炸的要素包括可燃气体、氧气或空气、火源及相对密闭的空间。蓄电池的电解液为稀硫酸,只要在两极上施加外加电场,就会产生水的电解现象产生氢气和氧气,电解速度与电压呈正向关系,电压越高,电解速度越快。在蓄电池充电过程中,由于硫酸铅优先还原,因而充电过程中仅有少量氢气产生。当充电结束后,如果仍施以较高的充电电压,就会产生较多的氢气和氧气,一些氧气与铅发应生成氧化铅,其它与电池壳体内原有空气混合形成高氧浓度空气;产生的氢气不会被消耗,也积累在电池内。如果产生的气体较多,电池内的压力升高,高于排气阀开启阀值时,气阀打开排气。不论是否排气,电池内总是氢气和氧气的混合气体,密闭空间内的氢气含量在4~76%的很宽范围内只要遇到超过700℃的火花都会发生爆炸。


 

电池内部出现火花的可能性有两种:短路或电流拉弧。本案例中,电池爆炸发生在柴油发电机组启动时。柴油机启动电流很大,如果电池内部极板之间的连接条有虚焊,就会产生电弧。在电池密闭的空间内,一旦氢气和氧气混合比值在爆炸条件内,电弧的产生满足了发生爆炸的所有条件,引发电池爆炸。


 

结论:铅酸蓄电池化学爆炸一般发生在大电流放电瞬间,并且不易事先察觉,电池出厂质量犹为重要。


铅酸蓄电池是通信网络的最后一道防线,电池维护是通信动力系统维护的重中之重。动力维护人员有机会接触到大量的电池问题案例,如能对案例进行深入分析,就能掌握电池的充放电实质,必能有效地把握电池,确保通信网络永不中断。

 


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