Эксплуатация свинцово-кислотных аккумуляторных батарей при отрицательных температурах
Условия эксплуатации свинцово-кислотных аккумуляторных батарей будь то в составе резервных источников питания, применяемых в системах автоматики и телемеханики на видах транспорта, телекоммуникационного оборудования и оборудования связи, охранных и пожарных систем безопасности и других устройств предусматривают различное их размещение и монтаж непосредственно на самих объектах эксплуатации. Если свинцово-кислотные аккумуляторные батареи расположены внутри помещений в специально оборудованных аккумуляторных комнатах с системами отопления, вентиляции и кондиционирования, то условия их работы, как правило, мало чем отличаются от тех, которые предписаны заводом-изготовителем. Условия эксплуатации батарей в наружных шкафах, где практически нет разницы с температурой внешней среды, заслуживают отдельного внимания. В этом случае не всегда выполняются требования к режиму заряда аккумуляторов, они часто эксплуатируются при низких и даже отрицательных температурах. Это, в свою очередь, ограничивает не только доступную разрядную емкость аккумуляторных батарей, но и зачастую ведет к постоянному недозаряду последних.
Все технические характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов, включая проектируемый срок службы, определены для эталонной температуры 20° (как правило, для европейских производителей) или 25°С (преимущественно для производителей Юго-Востока Азии) в зависимости от серии батарей и производителей. Поддерживать эту температуру в течение всего срока службы очень сложно, поэтому рекомендуемая температура эксплуатации без использования поправочного температурного коэффициента варьируется в пределах 10-30°С. Для многих типов аккумуляторов в этом диапазоне не требуется регулирование напряжения заряда с применением температурного коэффициента.
Зависимость емкости аккумулятора от температуры
При эксплуатации свинцово-кислотных аккумуляторов при пониженной температуре ограничивается их допустимая разрядная емкость.
Для свинцово-кислотных аккумуляторных батарей герметизированного исполнения («AGM» и «GEL») примерные данные зависимости емкости в процентном соотношении от температуры окружающей среды представлены в таблице.
Примерный график зависимости отдаваемой емкости (Сразр.) в процентном соотношении к номинальной емкости от температуры (°С) представлен на Рис. 1. Если исходить из того, что 100% емкость батареи соответствует температуре 25°С, то из графика видно, что с понижением температуры отличной от 25°С отдаваемая емкость аккумуляторных батарей падает, а с повышением, наоборот, возрастает.
Такое поведение свинцово-кислотного аккумулятора объясняется обратной зависимостью его внутреннего сопротивления от температуры. Величина сопротивления возрастает, прежде всего, за счет ухудшения проводимости электролита, а также по мере разряда аккумулятора. Это связано с тем, что при отрицательных температурах снижается скорость диффузии ионов электролита (и его концентрации в порах активной массы), проводимость самой активной массы и сепаратора. При этом уменьшается электропроводность в целом.
С увеличением внутреннего сопротивления усиливается поляризация и создаются условия для образования мелкокристаллических плотных осадков сульфата свинца, вызывающих пассивирование отрицательного электрода.
Если вспомнить Закон Ома для полной цепи (I= ε/R+r), который устанавливает связь между силой тока, электродвижущей силой (ЭДС) и внешним и внутренним сопротивлением в цепи, то видно, что чем выше внутреннее сопротивление (особенно электролита), а оно повышается с понижением температуры, тем меньше отдаваемый аккумуляторной батареей ток, а соответственно и емкость самой батареи.
Динамика снижения напряжения аккумулятора при разряде зависит от изменения ЭДС элемента, динамики роста его внутреннего сопротивления, а также величины тока разряда. Иными словами, чем ниже температура аккумулятора и больше ток разряда, тем быстрее упадет напряжение на его выводах и, соответственно, меньше окажется снятая емкость. Возникает эффект так называемой «кажущейся» потери емкости, когда запас непрореагировавших активных веществ еще достаточен, а разряд приходится прекращать из-за недопустимого снижения напряжения на выводах батареи.
Точка замерзания электролита
С понижением температуры увеличивается вязкость электролита, что затрудняет его проникновение в поры глубоких слоев активной массы пластин. При этом поверхностные слои активной массы быстрее преобразуются в PbS04 и кристаллы PbS04 закрывают поры активной массы, а поэтому химическая энергия, запасенная в глубоких слоях активной массы пластин, полностью не используется и разрядная емкость батареи понижается. При понижении температуры электролита ниже +25 °С емкость аккумуляторной батареи при ее разряде силой тока, соответствующей 0,05Сном., уменьшается на 1% на каждый градус понижения температуры, а при большей силе разрядного тока — на большую величину.
Более того, работа аккумуляторной батареи при низких отрицательных температурах связана с опасностью замерзания электролита. Электролит свинцово-кислотного аккумулятора представляет собой водный раствор серной кислоты и непосредственно участвует в токообразующих реакциях. Из-за того, что при разряде расходуются молекулы серной кислоты и образуются молекулы воды, плотность электролита постепенно снижается.
Оценивая работоспособность аккумулятора при отрицательных температурах, необходимо учитывать не только номинальную (начальную) плотность его электролита, но и плотность в конце разряда при снятии расчетной емкости.
-45°С из-за угрозы его замерзания. Поэтому эксплуатация батареи при температуре ниже точки замерзания электролита полностью заряженного аккумулятора недопустима.
Область замерзания электролита примерно одинакова для всех типов свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. Усредненный график зависимости температуры замерзания электролита от плотности электролита представлен на рис. 2.
Кроме этого, в зависимости от температуры следует ограничивать глубину ее разряда. Чем ниже температура эксплуатации, тем меньше допустимая глубина разряда. Поэтому при отрицательной температуре приходится использовать аккумуляторы с повышенной номинальной емкостью.
Таким образом, если предполагается эксплуатировать свинцово-кислотные аккумуляторы при пониженной температуре, то при расчете и выборе батареи необходимо предусмотреть запас по емкости.
Эксплуатация свинцово-кислотных аккумуляторных батарей при отрицательных температурах
Условия эксплуатации свинцово-кислотных аккумуляторных батарей будь то в составе резервных источников питания, применяемых в системах автоматики и телемеханики на видах транспорта, телекоммуникационного оборудования и оборудования связи, охранных и пожарных систем безопасности и других устройств предусматривают различное их размещение и монтаж непосредственно на самих объектах эксплуатации. Если свинцово-кислотные аккумуляторные батареи расположены внутри помещений в специально оборудованных аккумуляторных комнатах с системами отопления, вентиляции и кондиционирования, то условия их работы, как правило, мало чем отличаются от тех, которые предписаны заводом-изготовителем. Условия эксплуатации батарей в наружных шкафах, где практически нет разницы с температурой внешней среды, заслуживают отдельного внимания. В этом случае не всегда выполняются требования к режиму заряда аккумуляторов, они часто эксплуатируются при низких и даже отрицательных температурах. Это, в свою очередь, ограничивает не только доступную разрядную емкость аккумуляторных батарей, но и зачастую ведет к постоянному недозаряду последних.
Все технические характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов, включая проектируемый срок службы, определены для эталонной температуры 20° (как правило, для европейских производителей) или 25°С (преимущественно для производителей Юго-Востока Азии) в зависимости от серии батарей и производителей. Поддерживать эту температуру в течение всего срока службы очень сложно, поэтому рекомендуемая температура эксплуатации без использования поправочного температурного коэффициента варьируется в пределах 10-30°С. Для многих типов аккумуляторов в этом диапазоне не требуется регулирование напряжения заряда с применением температурного коэффициента.
Зависимость емкости аккумулятора от температуры
При эксплуатации свинцово-кислотных аккумуляторов при пониженной температуре ограничивается их допустимая разрядная емкость.Для свинцово-кислотных аккумуляторных батарей герметизированного исполнения («AGM» и «GEL») примерные данные зависимости емкости в процентном соотношении от температуры окружающей среды представлены в таблице.
Примерный график зависимости отдаваемой емкости (Сразр.) в процентном соотношении к номинальной емкости от температуры (°С) представлен на Рис. 1. Если исходить из того, что 100% емкость батареи соответствует температуре 25°С, то из графика видно, что с понижением температуры отличной от 25°С отдаваемая емкость аккумуляторных батарей падает, а с повышением, наоборот, возрастает.
Такое поведение свинцово-кислотного аккумулятора объясняется обратной зависимостью его внутреннего сопротивления от температуры. Величина сопротивления возрастает, прежде всего, за счет ухудшения проводимости электролита, а также по мере разряда аккумулятора. Это связано с тем, что при отрицательных температурах снижается скорость диффузии ионов электролита (и его концентрации в порах активной массы), проводимость самой активной массы и сепаратора. При этом уменьшается электропроводность в целом.С увеличением внутреннего сопротивления усиливается поляризация и создаются условия для образования мелкокристаллических плотных осадков сульфата свинца, вызывающих пассивирование отрицательного электрода.
Если вспомнить Закон Ома для полной цепи (I= ε/R+r), который устанавливает связь между силой тока, электродвижущей силой (ЭДС) и внешним и внутренним сопротивлением в цепи, то видно, что чем выше внутреннее сопротивление (особенно электролита), а оно повышается с понижением температуры, тем меньше отдаваемый аккумуляторной батареей ток, а соответственно и емкость самой батареи.
Динамика снижения напряжения аккумулятора при разряде зависит от изменения ЭДС элемента, динамики роста его внутреннего сопротивления, а также величины тока разряда. Иными словами, чем ниже температура аккумулятора и больше ток разряда, тем быстрее упадет напряжение на его выводах и, соответственно, меньше окажется снятая емкость. Возникает эффект так называемой «кажущейся» потери емкости, когда запас непрореагировавших активных веществ еще достаточен, а разряд приходится прекращать из-за недопустимого снижения напряжения на выводах батареи.
Точка замерзания электролита
С понижением температуры увеличивается вязкость электролита, что затрудняет его проникновение в поры глубоких слоев активной массы пластин. При этом поверхностные слои активной массы быстрее преобразуются в PbS04 и кристаллы PbS04 закрывают поры активной массы, а поэтому химическая энергия, запасенная в глубоких слоях активной массы пластин, полностью не используется и разрядная емкость батареи понижается. При понижении температуры электролита ниже +25 °С емкость аккумуляторной батареи при ее разряде силой тока, соответствующей 0,05Сном., уменьшается на 1% на каждый градус понижения температуры, а при большей силе разрядного тока — на большую величину.
Более того, работа аккумуляторной батареи при низких отрицательных температурах связана с опасностью замерзания электролита. Электролит свинцово-кислотного аккумулятора представляет собой водный раствор серной кислоты и непосредственно участвует в токообразующих реакциях. Из-за того, что при разряде расходуются молекулы серной кислоты и образуются молекулы воды, плотность электролита постепенно снижается.
Оценивая работоспособность аккумулятора при отрицательных температурах, необходимо учитывать не только номинальную (начальную) плотность его электролита, но и плотность в конце разряда при снятии расчетной емкости.
-45°С из-за угрозы его замерзания. Поэтому эксплуатация батареи при температуре ниже точки замерзания электролита полностью заряженного аккумулятора недопустима.
Область замерзания электролита примерно одинакова для всех типов свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. Усредненный график зависимости температуры замерзания электролита от плотности электролита представлен на рис. 2.
Кроме этого, в зависимости от температуры следует ограничивать глубину ее разряда. Чем ниже температура эксплуатации, тем меньше допустимая глубина разряда. Поэтому при отрицательной температуре приходится использовать аккумуляторы с повышенной номинальной емкостью.
Таким образом, если предполагается эксплуатировать свинцово-кислотные аккумуляторы при пониженной температуре, то при расчете и выборе батареи необходимо предусмотреть запас по емкости.
При каком значении температуры в помещении уменьшается емкость аккумуляторной батареи?
ПУЭ п. 4.4.25. При выборе и расчете аккумуляторной батареи следует учитывать уменьшение ее емкости при температуре в помещении аккумуляторной батареи ниже +15 °С.
К производствам какой категории относятся помещения аккумуляторных батарей?
| К производствам категории А |
| К производствам категории Б |
| К производствам категории Г |
| К производствам категории Е |
ПУЭ п. 4.4.27. Помещения аккумуляторных батарей относятся к производствам категории Е и должны размещаться в зданиях не ниже II степени огнестойкости по противопожарным требованиям СНиП 21-01-97 Госстроя России.
Двери и оконные рамы могут быть деревянными.
Какой должна быть температура в помещениях аккумуляторных батарей в холодное время на уровне расположения аккумуляторов на подстанциях без постоянного дежурства персонала, если аккумуляторная батарея выбрана из расчета работы только на включение и отключение выключателей?
ПУЭ п. 4.4.44. Температура в помещениях аккумуляторных батарей в холодное время на уровне расположения аккумуляторов должна быть не ниже +10 °С
На подстанциях без постоянного дежурства персонала, если аккумуляторная батарея выбрана из расчета работы только на включение и отключение выключателей, допускается принимать указанную температуру не ниже 0 °С.
К производствам какой категории по пожарной и взрывопожарной опасности (в соответствии с ПУЭ) относятся электромашинные помещения?
ПУЭ п. 5.1.4. Электромашинные помещения следует относить к помещениям с производством категории Г по взрывопожарной и пожарной опасности.
В каком случае следует предусматривать выполнение кабельного этажа или кабельного туннеляв подвальном этаже электромашинного помещения?
| При открытой прокладке до 200 силовых и контрольных кабелей или более 90 силовых кабелей |
| При открытой прокладке более 350 силовых и контрольных кабелей или более 150 силовых кабелей в наиболее загруженном кабелями сечении подвала |
| При открытой прокладке более 250 силовых и контрольных кабелей или более 100 силовых кабелей в наиболее загруженном кабелями сечении подвала |
| При открытой прокладке более 150 силовых и контрольных кабелей или более 120 силовых кабелей, расположенных в сечении, проходящем через вход в подвал |
ПУЭ п. 5.1.14. В подвальном этаже ЭМП следует предусматривать выполнение кабельного этажа или кабельного туннеля при открытой прокладке более 350 силовых и контрольных кабелей или более 150 силовых кабелей в наиболее загруженном кабелями сечении подвала.
Ширина проходов в кабельных сооружениях должна приниматься в соответствии с 2.3.123 и 2.3.125. Ряды кабельных конструкций с кабелями в этих сооружениях не должны образовывать тупиков длиной более 7 м. Во избежание образования тупиков допускается устройство прохода под кабелями высотой в свету не менее 1,5 м от пола. Над таким проходом допускается уменьшенное расстояние между полками, обеспечивающее возможность демонтажа кабелей, но не менее 100 мм.
Что не допускается при оборудовании камер и каналов вентиляции электрических машин?
| Прокладка проводов и кабелей с оболочками из несгораемых и трудносгораемых материалов |
| Прокладка неизолированных шин |
| Установка кабельных муфт |
ПУЭ п. 5.1.32. Устанавливать в вентиляционных каналах и камерах машин кабельные муфты и другое электрооборудование не допускается.
В течение какого периода конструкция генераторов и синхронных компенсаторов должна обеспечивать их нормальную эксплуатацию с возможностью замены изнашивающихся и повреждаемых деталей и узлов при помощи основных грузоподъемных механизмов и средств малой механизации без полной разборки машины?
| В течение 20-25 лет |
| В течение 10-15 лет |
| В течение 30-35 лет |
| В течение 5-10 лет |
ПУЭ п. 5.2.3. Конструкция генераторов и синхронных компенсаторов должна обеспечивать их нормальную эксплуатацию в течение 20-25 лет с возможностью замены изнашивающихся и повреждаемых деталей и узлов при помощи основных грузоподъемных механизмов и средств малой механизации без полной разборки машины.
БИЛЕТ 18
Что должно применяться в качестве первичной охлаждающей воды в теплообменниках для гидрогенераторов и синхронных компенсаторов?
| Техническая вода |
| Конденсат от конденсатных насосов турбины |
| Вода oт циркуляционных насосов газоохладителей генераторов |
ПУЭ п. 5.2.16. Генераторы и синхронные компенсаторы с водяным охлаждением обмоток должны быть оборудованы:
5. Основным и резервным теплообменниками для охлаждения дистиллята.
Для какой системы возбуждения допускается не выполнять систему сигнализации о снижении сопротивления изоляции ниже нормы?
| Для тиристорной независимой системы возбуждения |
| Для тиристорной системы самовозбуждения |
| Для бесщеточной системы возбуждения |
| Для системы независимого возбуждения с возбудителем постоянного тока |
ПУЭ п. 5.2.42. Системы возбуждения должны быть оборудованы устройствами контроля изоляции, позволяющими осуществлять измерение изоляции в процессе работы, а также сигнализировать о снижении сопротивления изоляции ниже нормы. Допускается не выполнять такую сигнализацию для бесщеточных систем возбуждения.
В зависимости от чего должны выбираться меры по обеспечению надежности питания электродвигателей?
| В зависимости от категории помещения по взрывоопасности и пожароопасности |
| В зависимости от климатической зоны района |
| В зависимости от категории ответственности электроприемников |
| В зависимости от срока службы электродвигателей |
ПУЭ п. 5.3.2. Меры по обеспечению надежности питания должны выбираться в соответствии с требованиями гл.1.2 в зависимости от категории ответственности электроприемников. Эти меры могут применяться не к отдельным электродвигателям, а к питающим их трансформаторам и преобразовательным подстанциям, распределительным устройствам и пунктам.
Резервирования линии, непосредственно питающей электродвигатель, не требуется независимо от категории надежности электроснабжения.
Когда в производственных помещениях необходимо предусматривать приспособления для такелажа электродвигателей?
| Если электроустановка содержит электродвигатели с частотой вращения более 3000 об/мин |
| Если электроустановка содержит электродвигатели, мощностью более 5 кВт |
| Если ЭД установлены таким образом, что на месте установки невозможно проведение ремонта |
| Если электроустановка содержит электродвигатели массой 100 кг и более |
ПУЭ п. 5.3.5. Электродвигатели и аппараты должны быть установлены таким образом, чтобы они были доступны для осмотра и замены, а также по возможности для ремонта на месте установки. Если электроустановка содержит электродвигатели или аппараты массой 100 кг и более, то должны быть предусмотрены приспособления для их такелажа.
Что должны иметь вращающиеся части электродвигателей и части, соединяющие электродвигатели с механизмами (муфты, шкивы)?
| Ограждения от случайных прикосновений |
| Заземление |
| Принудительную вентиляцию |
| Наружный обдув |
ПУЭ п. 5.3.6. Вращающиеся части электродвигателей и части, соединяющие электродвигатели с механизмами (муфты, шкивы), должны иметь ограждения от случайных прикосновений.
Какое исполнение, как правило, должны иметь электродвигатели, устанавливаемые в помещениях с нормальной средой?
| IP00 или IP20 |
| IP44 или IP43 |
| IP33 или IP43 |
| IP33 или IP44 |
ПУЭ п. 5.3.15. Электродвигатели, устанавливаемые в помещениях с нормальной средой, как правило, должны иметь исполнение IP00 или IP20.
Оптимальная температура эксплуатации литиевого аккумулятора – залог его долгой службы!
Статья обновлена: 2020-09-08
Литий-ионные аккумуляторы (элементы или «банки») и собранные из них батареи имеют массу конкурентных преимуществ перед накопителями других типов. Они имеют большую удельную энергию, легкий вес и низкий процент саморазряда. У них нет «эффекта памяти», поэтому перед зарядкой их не нужно разряжать до минимального значения. Они выдают высокое напряжение и эффективно сохраняют накопленную энергию, рассчитаны на срок службы около 4-6 лет и выдерживают более 500 циклов разряд-заряд.
Но чтобы уберечь литиевую АКБ от быстрого уменьшения ее эксплуатационного ресурса, нужно использовать и хранить ее в рамках рекомендованного производителем диапазона температур. Оптимальная температура хранения литиевых аккумуляторов составляет +15 °С, а лучшая температура для их эксплуатации – от +5 до +25 °С. Допустимый диапазон эксплуатационных температур значительно шире – от –20 и даже –40 (у некоторых моделей) до +50 °C.
Но использование литий-ионной батареи при минусовых значениях температуры приводит к снижению емкости, в то время как при нагреве уменьшается жизненный цикл АКБ. Работа в пограничных температурных режимах приводит к резкому ускорению процессов старения. Поэтому для продления срока службы Li-ion батареи важно беречь ее от перегрева и прямых солнечных лучей, не использовать на сильном морозе и по возможности утеплить перед эксплуатацией в зимний период.
Рабочая температура литиевых аккумуляторов
Лучшая рабочая температура для эксплуатации Li-ion аккумулятора или аккумуляторной батареи – около +20 °С. Перегрев и переохлаждение губительно действуют на химическую систему литиевых накопителей энергии. Поэтому их нельзя держать на солнце, около радиаторов отопления и других источников тепла. Вредят литий-ионным батареям и минусовые температуры – они заметно уменьшают отдаваемую энергию.
Если сопоставить, сколько энергии отдает литиевая АКБ при оптимальной температуре +20 °С и более низких значениях, то наблюдаются следующие изменения:
При каком значении температуры в помещении уменьшается емкость аккумуляторной батареи?
К производствам какой категории относятся помещения аккумуляторных батарей?
Какой должна быть температура в помещениях аккумуляторных батарей в холодное время на уровне расположения аккумуляторов на подстанциях без постоянного дежурства персонала, если аккумуляторная батарея выбрана из расчета работы только на включение и отключение выключателей?
К производствам какой категории по пожарной и взрывопожарной опасности (в соответствии с ПУЭ) относятся электромашинные помещения?
В каком случае следует предусматривать выполнение кабельного этажа или кабельного туннеляв подвальном этаже электромашинного помещения?
Что не допускается при оборудовании камер и каналов вентиляции электрических машин?
В течение какого периода конструкция генераторов и синхронных компенсаторов должна обеспечивать их нормальную эксплуатацию с возможностью замены изнашивающихся и повреждаемых деталей и узлов при помощи основных грузоподъемных механизмов и средств малой механизации без полной разборки машины?
Что должно применяться в качестве первичной охлаждающей воды в теплообменниках для гидрогенераторов и синхронных компенсаторов?
Для какой системы возбуждения допускается не выполнять систему сигнализации о снижении сопротивления изоляции ниже нормы?
В зависимости от чего должны выбираться меры по обеспечению надежности питания электродвигателей?
Когда в производственных помещениях необходимо предусматривать приспособления для такелажа электродвигателей?
Что должны иметь вращающиеся части электродвигателей и части, соединяющие электродвигатели с механизмами (муфты, шкивы)?
Какое исполнение, как правило, должны иметь электродвигатели, устанавливаемые в помещениях с нормальной средой?
Какое исполнение должны иметь электродвигатели, устанавливаемые на открытом воздухе?
Какое исполнение должны иметь электродвигатели, устанавливаемые в помещениях, где возможно оседание на их обмотках пыли и других веществ, нарушающих естественное охлаждение?
Какого уровня не должен превышать шум, создаваемый электродвигателем совместно с приводимым им механизмом?
К каким токам должны быть устойчивы коммутационные аппараты электродвигателя?
Каким образом, как правило, должен производиться пуск асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором и синхронных электродвигателей?
Непосредственным включением в сеть (прямой пуск)
