在动力机房48V直流供电系统中,后备蓄电池组是整个通信供电系统的最后一道供电保障防线,又是电源维护工作的重点与难点,在通信设备供电中断的事故中,由蓄电池组引发的故障所占比重较大。其原因之一是蓄电池内部结构的复杂性及不可见性;其次是蓄电池组受环境温度、温度补偿、浮充电压、充电限流、均充电压、均充周期、均充时间和电池的深浅放电、市电供电质量等诸多因素的影响。在浮充供电系统中蓄电池组长期处于后备状态下,很难对蓄电池组性能进行全面定性、定量的测试分析,特别是蓄电池组引发的障碍一旦发生,将会造成直流供电系统中断的事故,因此,为确保通信网络的供电安全,必须科学有效地对电池进行维护,掌握机房蓄电池组的实际续航能力,确保通信设备直流供电安全稳定。
　　
　　1 阀控式密封铅酸蓄电池的结构和特点
　　
　　阀控式密封铅酸蓄电池(VRLA-Valve Regulated Lead Acid Battery)是由正负极板、超细玻璃纤维隔板、电解液、安全阀、导电端子以及壳盖、壳体等组成。正负极板是电化学反应的区域,在板栅上敷涂铅膏经过固化、化成等工艺处理后形成。正极板有效成分为二氧化铅,负极板有效成分为海绵状铅。隔板为孔率超细玻璃纤维组成。安全阀是一种排气装置,释放多余的气体保持电池的气密性和液密性,并保持电池内部压力在最佳的安全范围内。电池端子与负载连接起到传导电流的作用,电池槽和外壳是由阻燃材料组成。
　　
　　蓄电池在充电过程中,负极反应近似为还原反应,所以负极也称为阴极。蓄电池电池负极活性物质相对于正极有盈余,超细隔板透气性好,能吸附全部电解液,使电解液在蓄电池内部无流动性,同时又有自动开、闭的安全阀,保证了正极产生的氧气,在蓄电池内部以循环的方式被阴极吸收,即称为阴极吸附式原理。阴极吸收原理示意图如图1所示。
　　 
　　由于蓄电池具有独特的内部设计结构,保证了电池内部氧气循环复合的有效建立,在传统消氢和防酸隔爆铅酸蓄电池的基础上进行了改进,已成为一种新型的换代产品,并广泛地应用于通信行业。VRLA的电化学反应池工作原理图如图2所示。
　　 
　　VRLA与消氢和防酸隔爆式蓄电池相比,具有以下几个特点:电池在密封贫液状态下运行;不需要补酸和添加蒸馏水,无需测量电解液比重,电池内部使用了不流动电解液;有效防止了电解液分层,自放电率小,在标准温度下每月自放电小于3%,可以立放和卧放两个方向放置;能与通信设备同室安装,采用陶瓷过滤器基本无酸雾逸出;不漏液、不腐蚀设备,对环境污染小,但运行时对环境温度和浮充电压要求较高,没有记忆效应;比能量较高,具有大电流放电能力。
　　
　　2 VRLA的充、放电性能
　　
　　VRLA充电时,可分为浮充式、恒压限流或递增电压式三种,在电池放电时间短或补偿电池内部自放电而产生的容量损失时,采用浮充方式充电;当电池放电时间较长,蓄电池容量损失较大或同组电池中各单体电池端电压差大于100mV时,应采用恒压限流或递增电压式充电;递增电压式也就是充电电压值小于或等于均充电压值。但是,若环境温度过高,造成蓄电池内阻的变化,则浮充电压提高,导致充电电流增大,造成蓄电池失水过快,蓄电池容量下降,使蓄电池寿命缩短,所以浮充电压必须随温度的变化进行相应补偿,标准温度为25℃,一般温度每增加或减少1℃,则浮充电压应减少或增加1～3mV。对于枢纽楼环境温度较好,电池温度补偿电压应设定每度补偿1mV为佳。

  蓄电池放电时,可分为放电时间率和放电电流率。放电时间率是在一定的放电条件下,放电到终止的时间长短,放电时间率有10、5、3h率。而放电电流是比较标称容量不同的蓄电池放电电流大小而定的,通常以10h电流放电率为标准,即蓄电池在标准温度25℃时,按10h电流放电到单体电池端电压为1.8V,电池所能达到的容量为电池的额定容量。
　　
　　3 影响VRLA性能的重要因素
　　
　　(1)环境温度对蓄电池的影响
　　
　　蓄电池在浮充状态下,电池内部产生的气体通过氧复合反应被负极板吸收变成水回到电池内部,不会使电解液枯竭引起容量降低。但环境温度偏离标准温度而升高时,将使电池水分子过度损失,提高了电解液浓度,加速了合金腐蚀速度,若长期处于这一环境中,蓄电池正、负极板板栅慢慢穿孔损坏,易使活性物质附着能力减弱而脱落。所以,环境温度的升高,虽使容量有所增加,但高温又会使蓄电池正、负极板腐蚀剧增,严重地影响电极反应速度,同时环境温度过高时,蓄电池内部气体产生的压力增加。当蓄电池内部压力到10～35kPa时,蓄电池安全阀打开,内部水分子损失,降低了电池的额定容量,影响蓄电池的使用寿命。所以要求电池室应在20～25℃,若温度大于标准温度10℃,则电池寿命将降低一半。
　　
　　(2)浮充电压对蓄电池的影响
　　
　　由于环境温度变化,将引起参加反应的离子数、PbSO4溶解度、溶解速率等的变化,同时将引起电池内阻的变化,从而导致浮充电压随之变化。蓄电池浮充电压过高,会使正极的析出量增加,气体再化合效率低,蓄电池内部压力升高,在形成气泡的过程中,气压强力冲击正极板栅,使正极板栅腐蚀,活性物质与板栅结合力变差,甚至脱落。这样,影响正极活性物质的使用寿命,使电池的容量下降,并且使气阀开启次数增加,蓄电池内部水分丧失,导致蓄电池容量下降。同时由于蓄电池结构上的密封性,又无游离电液,导致其散热条件比普通电池的散热条件要差。因而蓄电池对环境温度变化引起的电池过充电更为严重。
　　
　　若蓄电池浮充电压过低,会使蓄电池经常处于欠充电状态,负极就会逐渐形成一种坚硬的硫酸铅枝体结晶,该晶体几乎不溶解,用常规方法充电很难使它转化为有效的活性物质,进而大大减少了蓄电池的实际容量,使蓄电池在放电时放不到额定容量。一旦市电停电,柴油发电机组未及时起动,通信设备供电将中断,后果不堪设想。
　　
　　(3)充电电流对蓄电池的影响
　　
　　由于蓄电池在浮充工作时,其负极电位近似为开路平衡电极电位,浮充电流值仅与正极电位和环境温度有关,所以在同一浮充电压下,浮充电流会随温度的升高而增大,虽然各蓄电池厂家浮充电压与浮充电流和环境温度的特性略有不同,但是浮充电流是随浮充电压的增大而增加的,浮充电流随环境的温度升高而增加。这种现象可以从开关电源监控模块电池充电电流显示出来,它与用数字钳型电流表测试的数据一样。
　　
　　(4)充电限流对蓄电池的影响
　　
　　由于蓄电池组在停电后,电池组对通信设备放电保证设备不间断的供电,来电后开关电源对蓄电池进行补充电和对通信设备供电,若来电后不限流对蓄电池组补充电,电池组充电电流过大,致使电池内部剧烈氧化还原反应,电池内部气体产生的压力增加,当蓄电池内部压力达到10～35kPa时,蓄电池安全阀打开,内部水分子损失,降低了电池的额定容量,影响蓄电池的使用寿命。所以如何来限制蓄电池在浮充电压下的充电电流,必须利用开关电源监控模块的充电限流功能,设置开关电源按照0.1C10最大0.2C10设置,防止由于充电电流过大致使电解液过快消耗,而使电池容量降低,影响电池组的续航能力。
　　
　　4 VRLA维护指标
　　
　　根据联通动力维护规程,蓄电池组每年进行一次核对性放电试验,放出容量的30%～40%,蓄电池组使用三年必须进行容量试验,使用六年后每年进行一次容量试验,准确地监测电池组的实际容量,确保在市电和电源设备出现故障时蓄电池组能够保障通信设备正常运行的时间。

   市电类别为一、二类、有发电机组保证、有空调的机房,其单体2V蓄电池浮充寿命应不低于8年;单体为6V或12V的蓄电池,寿命不低于6年。
 
   市电类别为三类、有移动发电机组保证、有空调的机房,其单体2V蓄电池浮充寿命应不低于6年;单体为6V或12V的蓄电池,寿命不低于4年。

   市电类别为四类,其单体2V蓄电池浮充寿命应不低于3年;单体为6V或12V的蓄电池,寿命不低于2年。
　　
　　5 VRLA运行要求
　　
　　①VRLA运行环境的要求
　　
　　VRLA(包括UPS蓄电池,以下简称“密封蓄电池”)可不专设电池室,但运行环境应满足以下要求:安装密封蓄电池的机房应配有通风换气装置,温度不宜超过30℃,建议环境温度应保持在10～25℃之间;
　　
　　②避免阳光对电池直射,朝阳窗户应作遮阳处理;
　　
　　③确保电池组之间预留足够的维护空间。
　　
　　6 密封蓄电池的维护要求
　　
　　①密封蓄电池和防酸式电池禁止在一个供电系统中混合使用;
　　
　　②不同规格、型号、设计使用寿命的电池禁止在同一直流供电系统中使用;
　　
　　③新旧程度不同的电池不应在同一直流供电系统中混用;
　　
　　④密封蓄电池和防酸式电池不宜安放在同一房间内;
　　
　　⑤如具备动力及环境集中监控系统,应通过动力及环境集中监控系统对电池组的总电压、总电流、单体电压、标示电池温度进行监测,每月观察蓄电池组充放电曲线,及时发现故障,并对故障进行处理;
　　
　　⑥密封蓄电池的维护检查
　　
　　•物理性检查项目;
　　
　　•极柱、连接条是否清洁;
　　
　　•有否损伤、变形或腐蚀现象;
　　
　　•连接处有无松动，电池极柱处有否爬酸、漏液;
　　
　　•安全阀周围是否有酸雾、酸液溢出;
　　
　　•电池壳体有无损伤、渗漏和变形,电池及连接处温升有否异常。
　　
　　7 相关参数设置的检查和调整
　　
　　VRLA相关参数设置的检查和调整如表1所示。
　　 
　　①根据厂家提供的技术参数和现场环境条件,检查电池组及单体均、浮充电压是否满足要求,浮充电流是否稳定在正常范围;
　　
　　②检查电池组的充电限流值设置是否正确
　　
　　•检查电池组的告警电压(低压告警、高压告警)设置是否正确;
　　
　　•如直流系统中设有电池组脱离负载装置,应检查电池组脱离电压设置是否准确。
　　
　　8 密封蓄电池的充放电要求
　　
　　①密封蓄电池在使用前不需进行初充电,但应进行补充充电。补充充电方式及充电电压应按产品技术说明书规定进行。一般情况下应采取恒压限流充电方式,补充充电电流不得大于0.2C10(C10为电池的额定容量),充电电压和充电时间如表2所示。
　　 
　　②密封蓄电池的均衡充电:一般情况下,密封蓄电池组遇有下列情况之一时,应进行均充(有特殊技术要求的,以其产品技术说明书为准),充电电流不得大于0.2C10,充电方式参照充电时间—电压对照表。
　　
　　•浮充电压每组有两只以上低于2.18V/只;
　　
　　•搁置不用时间超过三个月;
　　
　　•放电深度超过额定容量的20%;
　　
　　•连续浮充时间超过六个月。
　　
　　③密封蓄电池充电终止的判据如下,达到下述三个条件之一,可视为充电终止:
　　
　　•充电量不小于放出电量的1.2倍;
　　
　　•充电后期充电电流小于0.01C10(A);
　　
　　•充电后期,充电电流连续3h不变化。
　　
　　④蓄电池的放电
　　
　　•每年应做一次核对性放电试验(对于UPS使用的6V或12V密封蓄电池,宜每半年一次),放出额定容量的30%～40%。
　　
　　•对于2V单体的电池,每三年应做一次容量试验,使用六年后应每年一次。对于UPS使用的6V及12V单体的电池应每年一次。
　　
　　•蓄电池放电期间,应定时测量单体端电压、单组放电电流。有条件的应采用专业蓄电池容量测试设备进行放电、记录、分析,以提高测试精度和工作效率。
　　
　　⑤密封蓄电池放电终止的判据,达到下述三个条件之一,可视为放电终止:
　　
　　•对于核对性放电试验,放出额定容量的30%～40%;
　　
　　•对于容量试验,放出额定容量的80%;
　　
　　•电池组中任意单体达到放电终止电压。对于放电电流不大于0.25C10,放电终止电压可取1.8V/2V单体;对于放电电流大于0.25C10,放电终止电压可取1.75V/2V单体。
　　
　　⑥密封蓄电池的浮充运行要求
　　
　　•蓄电池平时均处于浮充状态;
　　
　　•蓄电池的浮充电压:一般情况下,每2V单体浮充电压为2.23～2.27V(25℃),温度补偿U=U(25℃)+(25-t)×温度补偿系数(t=环境温度),温度补偿系数以电池厂家提供数据为准;
　　
　　•浮充时全组各电池端电压的最大差值不大于90mV;
　　
　　•定期测量电池单体的端电压;
　　
　　•产品技术说明书有特殊说明的,以说明书为准。
　　
　　VRLA维护项目及周期表如表3所示。
　　 
　　9 VRLA安装使用中应注意的事项
　　
　　电池到货后及时安装投入使用,避免长期贮存和人为故障,电池连接可靠,不得出现虚接压降过大等问题,记录原始开路电压,开通前需补充电以弥补运输和贮存周期带来的容量损失。首次容量检查应认真做好,测出实际容量值放电参数尽可能靠近10h率,并保证结束后完全充满为后期容量的判断提供依据。设定好和蓄电池相关的开关电源程序管理参数,做好详细维护记录。
　　
　　安装使用初期多发故障及处理单体间连接不可靠:连接条压紧螺钉未拧紧或拧紧程度不一致,会引发电池燃烧等恶性事故,可靠拧紧力矩为15Nm;检查壳体是否有隐形开裂,避免造成电池快速干涸寿命终止或引发接地短路燃烧恶性事故,用PH试纸检查单体蓄电池底部四角和壳盖接缝处检测若有漏液电池应及时更换;若有单体初容量明显不足,可能是搬运和长距离运输震动造成极板断片使容量降低是主要原因,经补充充放电后仍然不能正常的,应及时更换;若有单体端子压降过大和端子明显发热,正常的端子连接压降应小于10mV以下,3h率充放电以下电流端子部位没有明显温升,否则为端子输出部位或铜芯预埋件制造质量问题,无法正常工作的及时更换;整组蓄电池压差过大。原因是各单体蓄电池容量不一致或各单体蓄电池化学反应活性物质激活程度在出厂前就不一致,属质量问题。经测量超标的电池组用10h率循环充放电1～2次,如没有明显改善的及时更换。

 虽然蓄电池出厂时,极板都进行了充、放电活化。但如果蓄电池的安装日期距出厂日期时间较长,经过长期的自放电,容量必然大量损失,靠单纯的浮充难以恢复其初始容量。并且,由于单体蓄电池自放电大小的差异,致使各蓄电池的端电压出现不均衡,个别电池会进一步扩展成落后电池甚至出现反极现象,所以蓄电池搁置三个月不用必须进行补充电。新蓄电池安装前,测量开路电压,开路电压差值不大于20mV,并做好蓄电池测试纪录。此后应对其进行补充充电,补充电电压为2.35V,充电24h;补充电电压为2.40V,充电12h,充电后期充电电流小于蓄电池10h放电率的千分之三,测量单体蓄电池电压并纪录,此时蓄电池补充充电完成。断开蓄电池与充电设备的所有连接线,静置2～4h。根据环境温度不同,计算出蓄电池实际应该放电容量为多少,计算公式C25=Ct/1+k(t-25),其中k是温度系数,10h率容量试验时k=0.006/℃,计算出实际温度下的电池容量后,用假负载对蓄电池按10h率进行容量试验,试验时每小时对蓄电池的总电压、放电电流、单体蓄电池电压进行记录,蓄电池放电后期每10min检测单体蓄电池电压低的电池,若某只蓄电池端电压低到1.8V,应马上停止放电,计算出实际蓄电池放出的容量和蓄电池容量与温度关系曲线是否一致,若基本一致,证明蓄电池放电试验合格,对蓄电池进行充电。若在到放电终止时,电池组放出的容量根据环境温度经核算没有达到所规定的额定容量90%以上,电池组的出厂容量可能存在问题,应及时联系相关厂家前来处理。

 对蓄电池进行充电时,开关电源浮充电压、均充电压、均充转浮充电压、充电限流及电池温度补偿电压等的设置正确后,对蓄电池按10h电流率的模式进行稳压限流充电,限流值取0.1C10,充电时每2h进行电池总电压、总充电电流和单体电池电压的测量并记录,充入的电量应大于放出电量的1.1～1.2倍,待蓄电池充电电流小于电池0.01C10A或充电电流3h不变时,证明蓄电池电量已经充满,此时电池组可以进入直流供电系统运行。