酸蓄电池工作原理
铅酸蓄电池是一个能量储存与转换的装置,放电时,电池将化学能直接转换为电能;充电时则将电能直接转化为化学能储存起来。其充放电过程都是由化学反应来完成的,铅酸蓄电池的电化学反应式如下:
从上面反应式可看出当蓄电池充电完成后,若再继续充电则会导致电解液中的水份电解,而电解水的结果将使得电池正极部分出现氧气,负极的部分出现氢气,假如这些气体不能重新复合,电池就会失水干涸。因此是要定期补水维护的。而阀控式密封铅酸蓄电池无需加水维护,最重要的关键在于电池能在电池内部氧复合,同时抑制氢气的析出。
蓄电池起火的原因
蓄电池间连接松动
根据能量计算公式:Q=I2RT(Q代表能量,I代表电流,R电表电阻,T代表时间)可知,蓄电在放电的过程中会放出一定的热量,放电电流和电阻值越大,放出的热量也就越大。电池间连接松动会导致接触电阻增大,并且会随着时间的推移而加大。当使用蓄电池进行输出时,电流经过该部位会引起发热,流过的电流越大,持续时间越长,发热量就会越多,温度就会不断升高。当温度上升到一定程度时,就会引起电池端子发热导致外壳材料炭化,ABS冒烟起火。连接松动引起的火灾场景见图2。
图3是某高校机房单组中4节蓄电池的某次放电时的温度时间曲线。蓄电池的电池配置电压为528V,每组44节,单节电池规格为12V100Ah,投运时间为1年。从图中可以看出,从放电开始第39节蓄电池的温度就急速上升,当放电1h的时候温度已经接近80℃。放电后经检查,第39节电池存在连接松动的问题。由此可见连接松动确实导致电池异常升温,存在火灾隐患。
蓄电池热失控
蓄电池的热失控指的是电池过充或环境温度过高导致充电电流过大,出现的热量将使电池进一步升温。电池的温度升高会导致电池的内阻下降,内阻的下降又加强了充电电流。温度升高和电流的增大互相促进,使电池内部温度可以高达120℃以上,软化ABS外壳(ABS软化点90℃左右),从而发生电池的膨胀,漏液,起火。
要注意的是正常浮充的电池在寿命中后期也可能会发生热失控,原因是充电末期电池会发生电解水反应,而氧复合的效率并不能达到100%,不断的电解液损耗会导致隔板的饱和度下降,这会新增密封蓄电池的氧复合的电流,不但增大电池的浮充电流,加速了电池的发热和进一步的失水,并最终引发热失控。所以说浮充本质上也是一种过充电。
假如电池出现过充电,电池内部电解水的速率将会加快,这些气体来不及被吸收,会不断积累,当电池内部压力超过开阀压后排出氢氧混合易燃易爆气体,假如站点密封较好,在外部有火花时即容易引燃引爆。
蓄电池漏液
铅酸蓄电池漏液指的是电池在使用过程中,电图2连接松动引起的火灾池表面有电解液渗出。蓄电池漏酸的原因一般可分为三类:
①生产过程中的结构性密封损伤,如极柱和外壳焊接或粘接面存在未能及时发现的缺陷。在使用中出现漏液现象;
②运输或者安装过程中的不当操作,引起的蓄电池外壳显性或者隐形的损坏,并而未及时排除;
③充电设置不合理,使电池组长期过充电导致极板生长,外壳破坏,导致的漏液。根源还是过充电。
图4为蓄电池漏液的场景。
一般来说,UPS的接地系统应符合IEC60346标准有关低压接地系统的规定。这就意味着关于大部分UPS来说,电池组的中心线和电池架都是接地的。所以当电池组中有电池出现漏液,并且漏出的电解液流到电池架时,电池组间就会形成短路从而引发事故。
故障的检测与预防
关于以上故障,比如电池的明显漏液和电池连接的松动可以通过外观的查看和定期巡检发现。但这些手段终究不能再故障发生的时候就立即发现,所以很多时候发现问题之时可能也是事故发生之日。
那么有没有办法从根源上进行预测,或者有效延缓呢?关于连接条总动,可以通过电池的连接电阻和温度变化来检测。关于热失控,从上面的原因分析我们可以得出一个结论:引发这些故障的最重要的一个原因就是过充电。假如能延缓或者杜绝过充电的发生,那么也就意味着可以做到有效的延缓和提前预防事故的发生。而关于电池漏液,可以通过监测电池输出对地的绝缘性能和电池漏电检测来判断。
1蓄电池间连接松动
图5中蓄电池是某运营商分公司单组24节蓄电池的实时采集的电池正常运行时的内阻数据。从图中可以看出,蓄电池组单节电池的内阻属于正常范围,且一致性较好,内阻值均在0.2～0.3m之间。
电池投运一段时间后,假如连接条松动,会引起蓄电池的接触电阻增大,势必也会引内阻的测试值增大。为验证内阻(包括连接内阻)与连接松动的关联关系,将#21电池的螺母拧松后再次测试电池内阻,测试结果如图6所示。
#21蓄电池内阻前后的变化之大,明确了内阻(包括连接内阻)与连接松动的直接关系。由此可见,通过监控电池之间的连接电阻,并对采集到的数据进行分析判断,可以判断电池是否有连接松动的风险,预防火灾的发生。
2蓄电池热失控
蓄电池的热失控重要是由于电池的过充和高温引起的,所以只要能够防止电池过充以及高温就能有效的防止电池发生热失控。
1、蓄电池智能管理系统7x24h实时监控蓄电池的状态,当系统发现电池的浮充电压过高或者均充时间过长时都会出现相应的告警推送给相关运维人员,运维人员根据系统的维护指引进行相应的处理,可以有效的防止电池过充电;
2、通过蓄电池智能管理系统实现了精细化的充电管理,系统需准确测量并计算电池的充放电量,当系统检测到电池充满电时,自动停止充电,防止造成电池组过充电。关于浮充场景,在电池不放电情况下,系统应定期补充电来补偿电池因自放电而损失的电量。当电池充满电后,系统自动终止充电,防止因持续浮充电造成的过充电,使得电池组始终保持其最佳的状态,并且有效延长了电池使用寿命;
3、蓄电池智能管理系统通过对电池充电进行智能管理。当电池接近充满的状态下,假如检测到环境温度出现异常升高的现象,系统下发指令并通过智能控制模块使电池进入休眠模式(无充电电流),当电池温度下降到正常状态后,再继续对电池进行充电。这样可以有效的防止温度和电流的互相促进形成的恶性循环,从而杜绝热失控的发生。
