阀控式铅酸蓄电池结构特点及日常维护

李 霞

（清远蓄能发电有限公司，广东 清远 511853）

0 引言

蓄电池作为支持直流电源系统工作的后备电源，在站用电失电的紧急情况下，便成为唯一的直流电源，故对其供电质量、可靠性等有极高的要求。阀控式铅酸蓄电池从蓄电池活性物质、内部结构、制作工艺等方面均采用了新材料新工艺。基于其电池容量稳定可靠，耐过充、过放，深循环恢复能力强，安全排气、密封，无流动酸、无腐蚀性气体产生，长寿命、免维护等优点，在电力系统中得到了广泛的采用。但由于维护人员对阀控式铅酸蓄电池“免维护”认知误区，阀控式铅酸蓄电池过早失效情况时有发生，直接影响直流系统的可靠性和安全性。

掌握阀控式铅酸蓄电池内部结构及工作原理，进行针对性的日常维护，使阀控式铅酸蓄电池（下称阀控蓄电池）在设计的寿命期内可靠供电是很有必要的。

1 阀控蓄电池的结构

阀控蓄电池结构如图1所示。

（1）负极板：阀控蓄电池负极板为铅-锑-钙合金栏板，内含海绵状纤维活性物质。主要用于长时间使用中保持蓄电池组足够的容量，减小自放电。

（2）正极板：阀控蓄电池正极板为铅-锑-钙合金栏板，内含氧化铅为活性物质。主要用于长时间使用中保持蓄电池组足够的容量，减小自放电。

图1 阀控蓄电池结构图

（3）隔板：隔板采用的是多孔无纺超细玻璃纤维，在硫酸中化学性能稳定，多孔结构有助于保持活性物质反应所需的电解液，防止活性物质从电极表面脱落，防止正负极之间发生短路。

（4）封口树脂：由环氧树脂及色胶组成，作为蓄电池内部密封，色胶用于区分蓄电池正负极板，红色为正极，黑色为负极。

（5）防爆栓：也称安全阀，由具有优质耐酸和抗老化的合成橡胶组成，帽状阀中有氯丁二烯橡胶制成的单通道排气阀，在电池内压高于正常压力时释放气体，保证压力正常，并防止外界氧气进入。

（6）盖：蓄电池的盖子一般采用的是ABS树脂，具有足够的机械强度可承受电池内部压力，可作为蓄电池内部密封。

（7）端子：根据电池的不同，正负极端子可为连接片、棒状、螺柱或引出线。端子的密封为可靠的粘结剂密封。密封端子有助于大电流放电和长的电池使用寿命。

（8）电槽：蓄电池的电槽外壳一般采用的是ABS树脂，为电池提供正负极组合板栅放置的空间，具有足够的机械强度可承受电池内部压力。

2 阀控蓄电池工作原理

2.1 阀控蓄电池放电过程的电化反应

电化反应式如下：

正极反应

负极反应

（1）阀控蓄电池放电时，在蓄电池电位差作用下，负极板上的e-经进入正极板形成电流I，负极板上每个铅原子放出两个e-后，生成的Pb2+与电解液中的SO42-反应，生成难溶的PbSO4。

（2）正极板的铅离子得到负极的两个e-后，变成Pb2+与电解液中的反应，生成难溶的PbSO4。正极板水解出的氧离子与电解液中的H+反应，生成水。

2.2 阀控蓄电池充电过程的电化反应

充电时，蓄电池外接一直流电源，使正、负极板在放电后生成的物质恢复成原来的活性物质，并把外界电能转变为化学能储存起来。

电化学反应式如下：

正极反应

负极反应

正极副反应（充电达70%时）

负极副反应（充电达90%时）

（1）正极板上，外电流作用下，硫酸铅被离解为Pb2+和，外电源从正极吸取e-，正极板附近游离的Pb2+放出两个e-补充，变成Pb4+，并与水反应，在正极极板上生成PbO2。

（2）负极板上，外电流的用下，PbSO4被离解为Pb2+和，负极从外电源获得e-，负极板附近游离的Pb2+被中和为绒状铅附在负极板上。

（3）电解液中，正极不断产生游离的H+和，负极不断产生，在电场作用下，H+向负极移动，向正极移动，形成电流。

3 阀控蓄电池的日常维护

阀控蓄电池循环使用时，其寿命主要依赖于充放电深度；由于部分用户对蓄电池免维护的认知误区，常造成蓄电池组不能“寿终正寝”，下面将对蓄电池的日常维护方式做一个简单的介绍。

3.1 蓄电池表面严禁积灰积尘，并定期检查安全阀

阀控蓄电池是吸液式密封蓄电池，蓄电池在充电后期水解产生氧气。虽然阀控蓄电池从原理上解决了氧循环，但长时间仍会从阀控蓄电池中排出少量氧气、氢气、水蒸气、酸雾。此类气体不能完全消耗在电池内部，故所有蓄电池在上端均装设有一个可自动开启和关闭的具有开/闭阀压的单向安全阀，同时安全阀上还装设有虑酸装置，它不但能调节电池内部压力，还能防止蓄电池内部的气体及酸雾排出，使蓄电池内部保持一定的压力来提高蓄电池的反应效果。因此，运维人员应加强对电池顶部的清扫，防止灰尘堵塞安全阀，定期检查安全阀的好坏，避免蓄电池内部长期产生大量气体无法及时排出积蓄在电池壳内使蓄电池内部压力过高导致蓄电池膨胀破裂甚至爆炸。

3.2 蓄电池室的温度应经常保持在5～35℃之间，并保持良好的通风

据国家标准，蓄电池运行标准温度为25℃。温度每升高10℃，电池寿命缩短一半。温度每降低10℃，放电容量下降1%。

图2 蓄电池温度寿命关系曲线

温度不同，电池存储时间及剩余容量差别极大。

图3 蓄电池不同温度下存储时间与剩余容量关系曲线

（1）环境温度影响电池寿命。多数蓄电池在运行时均会发热。阀控蓄电池由于良好的密封性，内部自放电时氧再化合过程使蓄电池内部产生热量，较少的排气量，减少了热的消耗，且电池内部相对散热面积小，故合理的环境温度及充足的空气流通量将保证蓄电池有效散热。

（2）环境温度影响蓄电池自放电，温度越高蓄电池自放电率越高。一般蓄电池在负极会做出负极析氢抑制措施，电池自放电时，正极自放电析出氧气在负极再化合成水，负极虽有析氢抑制措施，但少量的析出氢气仍存在，自放电析出的氢气被较慢的氧化，长时间积累后从安全阀排出造成电池失水。若环境温度过高，强烈的自放电将导致电池失水干涸，故，蓄电池室内应有必要的温控措施。

（3）环境温度影响电池容量。温度每降低10℃，放电容量下降1%。电池负极板受低湿的影响较大，电解液温度降低致使电解液粘度增大，离子扩散能力降低，电解液电阻增大，电化学反应增加，部分PbSO4不能正常转换，导致蓄电池容量下降。

（4）为防止电池劣化。温度设置以25℃为基点，修正值为±1℃时3mV，即温度每升高1℃，单体电压为2V的阀控蓄电池浮充电电压值应降低3 mV，反之应升高3mV。

3.3 蓄电池单体浮充电压控制在2.23～2.28V之间

（1）浮充电压低于2.23V，长期运行电池负极板会因充电不足劣化。浮充电压过低，蓄电池内部虽氧气析出少，复合效率高，但个别蓄电池会因长期充电不足造成浮充钝化而失效。

（2）浮充电压高于2.28V，电池因过充致使电解液减少。浮充电压过高，气体析出量增加，再化合效率降低，安全阀长时间开启，内部水分大量蒸发。一般阀控蓄电池内部失水超过25%则认为阀控蓄电池寿命全部丧失。

（3）浮充电压高于2.28V，电池因过充将加速正极板栅腐蚀。浮充电压长期过高，充电后期产生的大量气体使电池内部压力过高造成正极板栅腐蚀加速。合金板栅腐蚀时产生应力使正极板变形，造成极板边缘间或极板与汇流排顶部短路。阀控蓄电池寿命基本取决于正极板寿命，正极板腐蚀越多，电池的剩余容量越小，则电池寿命越短。

3.4 蓄电池单体均充电压控制在2.30～2.35V之间

（1）因正常浮充状态下阀控蓄电池自放电率小，可不进行均衡充电，但因蓄电池电极材料配方制备、安装工艺等差别，导致了蓄电池性能的离散性。当多数蓄电池串联进行充放电时，会造成个别蓄电池充电不完全、但放电深度却加深。当单体电池之间开路电压差别超过30mV时，蓄电池组性能离散性将影响到蓄电池组的运行可靠性。为了保证蓄电池组容量始终饱满，需对蓄电池组进行均衡充电。

（2）阀控蓄电池均衡充电电流应以电池容量的10h率为标准，并随电池电压的稳定容量的饱满而逐渐减小。均充时间一般设置为12～24h，单体电池均充电压一般设置为2.35V，充电装置的均/浮充转型电流应设置为0.01C10。

（3）当有单体电池浮充电压低于2.18V、电池放出5%以上容量、电池搁置时间超过3个月、全浮充运行一年以上均应进行均衡充电。

（4）正常运行的蓄电池应做好正常补充电和事故放电后的补充电。为弥补运行中浮充电流调整不当，补偿不了电池的容量亏损，充电设备一般应设置1～3个月自动进行一次恒流充电-恒压充电-浮充电。

3.5 定期对蓄电池进行核对性放电试验

核对性放电是指用放电来定量的检测蓄电池容量，同时可以对蓄电池的极板进行活化。正常运行中的蓄电池组，为了检验其实际容量，将蓄电池组脱离运行，以规定的放电电流进行恒流放电，只要其中一个单体蓄电池放到了规定的终止电压，应停止放电。按下式计算蓄电池组的实际容量：

公式中：C为蓄电池组容量；

If为恒定放电电流

t为放电时间

一般If取蓄电池组10h放电率电流I10（标称容量除以10h所得的电流值）进行恒流放电，试验开始至任一单体电池端电压降至1.8V持续的时间乘以I10即为该组蓄电池的实际容量。若变电站中只配有一组阀控蓄电池，不能退出运行，可用I10电流恒流放电至蓄电池组端电压降为2V×N（N为单体蓄电池个数），持续时间乘以I10所得容量近似为该组蓄电池总容量的一半，也被称为半容量核对性放电，相对地，前者也被称为全容量核对性放电。

图4 蓄电池不同放电倍率放电曲线（25℃）

（1）阀控蓄电池长期运行于浮充方式，无法判断其现有容量及内部异常，核对性放电试验便成为检查容量和发现问题最直接、有效的手段，同时可活化电池、恢复电池容量。

（2）新安装或大修后的阀控蓄电池组，应进行全核对性放电试验，以后每隔2～3年进行一次核对性试验，运行了6年以后的阀控蓄电池，应每年作一次核对性放电试验。若经过3次全核对性放充电，蓄电池组容量均达不到额定容量的80%以上，可认为该组蓄电池失效。

（3）阀控蓄电池放电电流应采用10h率放电。放电率越大，放电电流密度越大，电流在电极上的分布越不均匀，电流优先分布在离电解液最近的表面，在电极外层生成PbSO4，堵塞电极，影响了电极内部物质与电解液之间的充分反应，造成电池容量降低。

（4）阀控蓄电池放电终止电压应为1.8V，若阀控蓄电池过放电，随着放电深度的增加，电解液中硫酸浓度逐渐降低，硫酸量消耗过大致使电解液呈中性，隔板中存的大量PbSO4为粗大坚硬的结晶体，较难还原为铅，将会造成电池短路、极板不可逆硫化。致使电解液中活性物质的数量减少，阻挡了硫酸与其他活性物质的化学反应，易造成蓄电池容量降低，甚至造成蓄电池寿命终止。

（5）阀控蓄电池放电完毕后应立即充电，让放电过程中生成的PbSO4溶解成为Pb2+与，使得Pb2+接受电子进行阴极还原生成铅进入负极活性物质晶格。

3.6 定期对蓄电池内阻进行测量

铅酸蓄电池端电压不能完全反映电池的容量特性，阀控蓄电池内部故障，如板栅腐蚀、接触不良、活性物质失效等均表现为蓄电池的内阻增大。因此，需定期测量蓄电池内阻。

（1）蓄电池内阻均为MΩ级别，且为有源内阻。建议每次测量采用同一厂家的同一仪器，对同一组电池按照时间序列对比方才有意义。

（3）蓄电池内阻值只作为维护参考信息，行业标准未作出规定。

4 结语

阀控蓄电池“免维护”不等于“不维护”。正确的认识阀控蓄电池结构特点，更好的掌握VRLA运行特性，将大大提高我们的维护技能，保证阀控蓄电池运行可靠性，并提高阀控蓄电池的使用效率，从而提高直流系统的运行可靠性。

参考文献：

[1] DL/T724-2000电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程[S].

[2] DL/T5044-2004电力工程直流系统设计技术规程[S].

[3] GB/T2900.11-1988蓄电池名词术语[S].

[4] GB/T13337.1-2011固定型排气式铅酸蓄电池[S].