閥控密封式鉛酸蓄電池(以下簡稱為閥控蓄電池)，具有體積小、使用安全性高、放電性能好、維護(hù)量小等特點(diǎn)，使其在很多應(yīng)用領(lǐng)域迅速取代了傳統(tǒng)的防酸隔爆式蓄電池。閥控蓄電池的設(shè)計(jì)壽命一般大于5年，長可以達(dá)到20年以上，但是由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，閥控蓄電池的效率和壽命比傳統(tǒng)的防酸隔爆蓄電池更容易受環(huán)境的變化、使用條件等因素的影響。MICHAEL R．MOORE通過對超過7萬5千只閥控蓄電池近10年的研究表明，閥控蓄電池的實(shí)際使用壽命為4～8年，遠(yuǎn)低于其10～20年的設(shè)計(jì)使用壽命。因此有必要從閥控蓄電池的原理出發(fā)，論述各種影響蓄電池容量和壽命的因素，以便可以對蓄電池進(jìn)行更好地維護(hù)，延長其使用壽命，降低因蓄電池失效所帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)。NP100-12

l 閥控蓄電池發(fā)展

MF、SLA、VRLA都是國內(nèi)外對閥控蓄電池陸續(xù)使用過的稱謂。MF(Maintenance—Free)是免維護(hù)蓄電池的簡稱；SLA(Sealed Lead—AcidBattery)是密封鉛酸蓄電池的簡稱；VRLA(ValveRegulated Lead—Acid Battery)直譯應(yīng)為閥控式鉛酸蓄電池，在一些文獻(xiàn)中也采用了其直譯名稱，國標(biāo)GBT 19638．2—2005固定型閥控密封式鉛酸蓄電池中譯為閥控密封式鉛酸蓄電池。這是閥控蓄電池的當(dāng)今的名稱。從MF、SLA到VRLA，不僅是名稱的改變，也說明了閥控蓄電池的發(fā)展歷程。

早期的“免維護(hù)蓄電池”MF，是指蓄電池所用期不需加水、補(bǔ)酸。蓄電池免維護(hù)技術(shù)的應(yīng)用可追溯到20世紀(jì)30年代。1935年美國為的目的，將Pb—Ca合金柵應(yīng)用于需要低自放電率(浮充)場合。70年代中期，美國的Gates公司推出了現(xiàn)代MF電池。80年代，由于先進(jìn)的冶金、化工新技術(shù)引入電池行業(yè)中使MF電池更加完善，出現(xiàn)了SLA一密封鉛酸蓄電池的稱謂。SLA除了采用電池內(nèi)部氣體復(fù)合技術(shù)外，還對電池結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，采用單向氣閥，使電池達(dá)到密封。隨著排氣閥(安全閥)的日益完善，特別是有比較準(zhǔn)確的開、閉閥壓力，閥成了氣體復(fù)合與防泄漏、密封的主要部件。因而稱為VRLA(ValVe Regulated Lead—Acid Battery)閥控密封式鉛酸蓄電池

2 運(yùn)行維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

閥控蓄電池的運(yùn)行維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)主要有IEEE標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE(電氣和電子工程師協(xié)會(huì))1996年發(fā)布了IEEE標(biāo)準(zhǔn)1188一1996 IEEE推薦的對固定使用的閥控蓄電池的維護(hù)、試驗(yàn)和更換標(biāo)準(zhǔn)，2005年對該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂后重新發(fā)布。修訂改動(dòng)內(nèi)容不多，主要對其中蓄電池核定性充放電周期、內(nèi)阻(電導(dǎo))測試等部分做了調(diào)整。我國2000年發(fā)布了電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，DL／T724—2000電力系統(tǒng)用蓄電池直流電源裝置運(yùn)行與維護(hù)技術(shù)規(guī)程。國家電網(wǎng)公司2004年底發(fā)布了企業(yè)內(nèi)部的《直流電源系統(tǒng)管理規(guī)范》，其中包含了對閥控蓄電池的運(yùn)行維護(hù)的規(guī)定。

3 原理、結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)

1)閥控蓄電池的結(jié)構(gòu)和原理

閥控蓄電池由極板、隔板、防爆帽、外殼等部分組成，采用全密封、貧液式結(jié)構(gòu)和陰極吸附式原理，在電池內(nèi)部通過實(shí)現(xiàn)氧氣與氫氣的再化合，達(dá)到全密封的效果。閥控蓄電池按固定硫酸電解液的方式不同而分為兩類，即采用超細(xì)玻璃纖維隔板(AGM)來吸附電解液的吸液式電池和采用硅凝膠電解質(zhì)(GEL)的膠體電池。這兩類閥控蓄電池都是利用陰極吸收原理使電池得以密封的。所謂陰極吸收是讓電池的負(fù)極比正極有多余的容量。當(dāng)蓄電池充電時(shí)，正極會(huì)析出氧氣，負(fù)極會(huì)析出氫氣，正極析氧是在正極充電量達(dá)到70％時(shí)就開始了，負(fù)極析氫則要在充電到90%時(shí)方開始，析出的氧到達(dá)負(fù)極，跟負(fù)極起下述反應(yīng)：2Pb+O2=2PbO；2PbO+2H2SO4=2PbSO4+2H2O。通過這兩個(gè)反應(yīng)，達(dá)到陰極吸收的目的。再加上氧在負(fù)極上的還原作用及負(fù)極本身氫過電位的提高，從而避免了大量析氫反應(yīng)。AGM密封鉛蓄電池使用純的硫酸水溶液作電解液，隔膜保持有10％的孔隙不被電解液占有，正極生成的氧就是通過這部分孔隙到達(dá)負(fù)極而被負(fù)極吸收的。Gel膠體密封鉛蓄電池內(nèi)的硅凝膠的電解液是由硅溶膠和硫酸配成的，電池灌注的硅溶膠變成凝膠后，骨架要進(jìn)一步收縮，使凝膠出現(xiàn)裂縫貫穿于正負(fù)極板之間，給正極析出的氧提供了到達(dá)負(fù)極的通道。兩種閥控蓄電池遵循相同的氧循環(huán)機(jī)理，所不同的僅是為氧達(dá)到負(fù)極建立通道的方式不同。

2)閥控蓄電池的特點(diǎn)

與防酸隔爆式蓄電池相比，閥控蓄電池有以下特點(diǎn)：

(1)固定的電解液，增進(jìn)氧氣從正極向負(fù)極的擴(kuò)散。

(2)內(nèi)部密封結(jié)構(gòu)和自動(dòng)開關(guān)的安全閥。蓄電池在內(nèi)部壓力下工作，以促進(jìn)氧氣的再化合。蓄電池內(nèi)部壓力增加到一定程度時(shí)，安全閥自動(dòng)打開排氣；而當(dāng)氣壓將低到規(guī)定限度以下時(shí)，安全閥自動(dòng)關(guān)閉。

(3)改進(jìn)的板柵材料。閥控蓄電池的正極板用高純度的鉛銻合金制成，負(fù)極板用高純度的鉛鈣合金支撐，這樣的結(jié)構(gòu)可減少電腐蝕的程度

(4)較堅(jiān)硬的外殼。由于閥控蓄電池的外殼要承受一定的內(nèi)部壓力，故外殼采用高強(qiáng)度耐壓防爆的材料制成，使得外殼更加堅(jiān)固耐用。

(5)不需加水、補(bǔ)酸。閥控蓄電池的閥控密封結(jié)構(gòu)和內(nèi)部的氧循環(huán)機(jī)制使得其電解液損失小，在使用期間無需加水、補(bǔ)酸。

(6)安裝占用空間小，可分層安裝在電池架上或電池屏內(nèi)。

(7)對環(huán)境污染小。運(yùn)行期間酸霧和可燃?xì)怏w逸出少。

(8)對使用環(huán)境要求較高，受環(huán)境溫度影響大。

4 失效的機(jī)制

閥控蓄電池是一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)體系，其性能和壽命取決于制備電極的材料、工藝、活性物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)、電池運(yùn)行狀態(tài)和條件等。它的失效因素主要有如下幾種。

1)正極板的腐蝕

對浮充電使用的電池，板柵腐蝕是限定電池壽命的重要因素。在電池過充電狀態(tài)下，正負(fù)極板上反應(yīng)如下\

3)均衡充電

頻繁進(jìn)行均衡充電都對蓄電池組不利，具體應(yīng)遵守制造廠的規(guī)定，還需要結(jié)合蓄電池組的運(yùn)行狀況，對其當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行評估后，確定是否應(yīng)進(jìn)行均衡充電。不建議將直流系統(tǒng)的均衡充電設(shè)置為三個(gè)月自動(dòng)進(jìn)行。

對個(gè)別落后的蓄電池，應(yīng)對單電瓶進(jìn)行均衡充電處理，使其恢復(fù)容量，若處理無效，應(yīng)更換。不宜采用對整組蓄電池進(jìn)行均衡充電的方法處理個(gè)別落后蓄電池，防止多數(shù)正常電池被過度充電。

4)不一致性及其改善措施

蓄電池的不一致性是指同一規(guī)格型號的單體蓄電池組成電池組后，其電壓、荷電量、容量及其衰退率、內(nèi)阻及其隨時(shí)間變化率、壽命、溫度影響、自放電率及其隨時(shí)間變化率等參數(shù)存在一定的差別，其對外表現(xiàn)為串聯(lián)使用時(shí)的單瓶浮充電壓的差別。蓄電池即使成組前經(jīng)過篩選電池的一致性較好，經(jīng)過一段時(shí)間的使用后也會(huì)出現(xiàn)差異，其不一致性隨著其單瓶浮充電壓的差別增加而逐漸加重，呈現(xiàn)惡性循環(huán)，從而造成整組蓄電池壽命的下降。造成蓄電池不一致的原因主要由電池及電池組設(shè)計(jì)引起的差異、初期性能的差異、使用過程中出現(xiàn)的差異等。

傳統(tǒng)的改善蓄電池一致性的方法是整組均衡充電，這種均衡的代價(jià)是對電壓高的蓄電池造成損害，尤其是閥控蓄電池因其貧液結(jié)構(gòu)，易產(chǎn)生失水、熱失控等現(xiàn)象。對均衡充電的改進(jìn)的方法是進(jìn)行單瓶的均衡充電維護(hù)，有一定的效果，但缺點(diǎn)是需要將蓄電池退出系統(tǒng)，操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力且無法根本解決問題。目前解決運(yùn)行中蓄電池不一致較先進(jìn)的的方法是蓄電池的主動(dòng)均衡技術(shù)，其原理是在蓄電池組加裝均衡器，通過外回路來強(qiáng)制將單瓶的充電電壓差控制一定范圍內(nèi)，對2V的蓄電池一般控制在lOmV內(nèi)。

5)閥控蓄電池的在線監(jiān)測

由前面的討論可知閥控蓄電池的失效模式比常規(guī)電池多，因此對其進(jìn)行監(jiān)測的必要性也更加迫切。監(jiān)測裝置對閥控蓄電池的溫度、電壓過高，充電電流過大，個(gè)別電池短路、深度放電時(shí)個(gè)別電池電壓過低等重要故障應(yīng)能及時(shí)檢測并發(fā)出告警，以便及時(shí)采取措施。隨著蓄電池在線維護(hù)技術(shù)的發(fā)展，蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)逐漸融合了對蓄電池的維護(hù)功能，例如對蓄電池進(jìn)行容量測試、在線對蓄電池組進(jìn)行單瓶的內(nèi)阻測量、蓄電池的主動(dòng)均衡等。

7 結(jié)束語

影響閥控蓄電池壽命的因素有很多，主要因素是溫度和充電方式。了解閥控蓄電池失效的原因和影響其壽命的主要因素，便于我們根據(jù)閥控鉛酸蓄電池的特點(diǎn)，針對影響閥控蓄電池使用壽命的主要因素，不斷提高維護(hù)的水平。通過檢測和維護(hù)，早期診斷來預(yù)防閥控蓄電池可能出現(xiàn)的故障，提高變電站直流系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。