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在數(shù)據(jù)中心和通信行業(yè)，會用到很多蓄電池，這些蓄電池可作為交流不間斷電源系統(tǒng)、直流電源系統(tǒng)備用電源，又可作為油機等起動動力電源，還可作為高壓配電系統(tǒng)中的直流操作及控制電源。當外部交流供電突然中斷時，蓄電池作為系統(tǒng)供電的后備保護，將擔負起對負載繼續(xù)供電的任務(wù)，從而保證了數(shù)據(jù)中心設(shè)備的正常工作。 一、鉛酸蓄電池結(jié)構(gòu) 蓄電池主要由正極板、負極板、電解液、隔板、電池槽和安全閥等組成，結(jié)構(gòu)如下圖1所示。
圖1 蓄電池結(jié)構(gòu) 二、鉛酸蓄電池工作原理 “雙極硫酸鹽化理論”最能說明鉛酸蓄電池工作原理，鉛酸蓄電池在放電時，正負極的活性物質(zhì)均變成硫酸鉛（PbSO4），充電后又恢復(fù)到原來的狀態(tài)，即正極轉(zhuǎn)變成二氧化鉛（PbO2），負極轉(zhuǎn)變成海綿狀鉛（Pb）。如下圖2所示。 圖2 蓄電池工作原理 2.1蓄電池放電 電流從正極經(jīng)外電路流向負極，再由負極經(jīng)內(nèi)電路流向正極，電池向外電路輸送電流的過程，叫做電池的放電，圖3。 圖3 蓄電池放電 在放電過程中，兩極活性物質(zhì)逐漸被消耗，正極二氧化鉛（PbO2）和負極鉛（Pb）放電過程中兩極都生成了硫酸鉛，隨著放電的不斷進行，硫酸逐漸被消耗，同時生成水，使電解液的濃度逐漸降低，圖4（PbSO4）。  圖4 蓄電池放電過程 2.2蓄電池充電 放電以后，外來直流電源以適當?shù)姆聪螂娏髯⑷耄@種反向電流使活性物質(zhì)還原的過程叫做充電。鉛酸蓄電池的充電反應(yīng)是放電反應(yīng)的逆反應(yīng)，正負極板上的硫酸鉛分別變成二氧化鉛和海綿狀鉛，電解液中的水分子不斷消耗，硫酸分子不斷生成，電解液密度不斷升高，圖5所示。 圖5 蓄電池充電 三、蓄電池裝配 把正極板、隔板、負極緊密壓合在一起后，裝入電池殼體，連接極柱，安裝蓋板和安全閥后，注入稀硫酸，這樣就形成了一個電池，如圖6所示。 圖6 電池裝配 四、電池壽命和失效原因 在電池的使用中，當電池的實際放電容量低于額定容量80%時，認為電池失效或者壽命終止。典型的失效模式為：電池失水、硫酸鹽化、板柵腐蝕、正極板腐蝕泥化脫落等情況會導(dǎo)致電池容量下降或者提前失效。 4.1失水干涸 電池充電后期存在副反應(yīng)，電解水反應(yīng)導(dǎo)致氣體析出；板柵腐蝕消耗水分；自放電消耗水分；當水分損失一定程度后，內(nèi)阻增大，電池容量下降，圖7所示。 圖7 電解液濃縮導(dǎo)致容量下降 導(dǎo)致電池失水原因：充電電壓過高；充電電流大；電池內(nèi)部溫度高；運行環(huán)境溫度高；電池密封不良（安全閥、端子、槽蓋）；殼體裂紋等； 4.2漏液 電池組出現(xiàn)漏液，比如安全閥、極柱、槽蓋等部位出現(xiàn)液體溢出或堆積白色結(jié)晶體，如圖8所示。漏液經(jīng)外殼流向電池架、下層電池，造成電池架腐蝕、甚至有可能造成下層電池短路，發(fā)生起火、爆炸情況。 圖8 電池漏液 產(chǎn)生的主要原因有：熱封、膠封工藝不良；安裝、搬運過程磕碰，導(dǎo)致電池密封性能破壞。中國電信在建設(shè)規(guī)范和維護規(guī)程中明確要求：新裝電池必須鋪設(shè)電池緩沖絕緣墊，電池室內(nèi)宜安裝早期煙霧報警。 4.3硫化（負極板鹽化） 當蓄電池經(jīng)常處于充電不足或者過放電后， 負極板的表面附著一層白色堅硬的硫酸鉛結(jié)晶體，充電后依舊無法轉(zhuǎn)化為活性物質(zhì)，導(dǎo)致電池容量下降，這種現(xiàn)象稱為“不可逆硫酸鹽化”，簡稱“硫化”，如圖9所示。  圖9 極板硫化 硫化的原因：蓄電池長期充電不足或放電后沒有及時充電，部分PbSO4溶解后析出并在極板結(jié)晶形成硫化；電解液液面過低，使極板上部與空氣接觸而被氧化后硫化；長期過量放電或小電流深度放電，使極板深處活性物質(zhì)的孔隙內(nèi)生成PbSO4。 4.4極板腐蝕 電池極板發(fā)生腐蝕，導(dǎo)致電池失效。 極板柵腐蝕的因素：參數(shù)設(shè)置不合理，充電電壓過高，電池過充電，板柵腐蝕速率越快。電池使用環(huán)境溫度過高，腐蝕速度加快。電解液密度越高，板柵腐蝕速率越快。 板柵合金材質(zhì)不純，或鑄造工藝不合理，板柵內(nèi)部存在氣孔。板柵厚度設(shè)計太薄，設(shè)計板柵厚度應(yīng)高于3.0 mm。 4.5熱失控 電池工作環(huán)境溫度過高或充電電壓過高，沒有配置溫度補償功能，蓄電池內(nèi)部溫度升高，電池內(nèi)阻下降，充電電流又升高，電池內(nèi)阻進一步降低 ，形成惡性循環(huán)，圖10為某蓄電池機房空調(diào)長時間故障導(dǎo)致電池熱失控起火案例。
圖10 空調(diào)故障導(dǎo)致電池熱失控 引起電池熱失控的原因：環(huán)境溫度過高；電池參數(shù)設(shè)置不合理，導(dǎo)致電池過充電。安全閥失效，電池內(nèi)部壓力過大。電池安裝時，中間需要預(yù)冷散熱通道，最小不得少于10mm。 4.6正極板泥化脫落 泥化原因：電池充放電過程中，正極活性物質(zhì)在PbO2和PbSO4之間轉(zhuǎn)化。正極反應(yīng)物的體積變化，PbSO4體積是PbO2體積的2.68倍。正極活性物質(zhì)是非常堅硬的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，正極活性物質(zhì)的體積在不斷反復(fù)收縮和膨脹，就使二氧化鉛粒子之間的相互結(jié)合逐漸減弱，造成正極活性物質(zhì)泥化。 影響因素：頻繁放電，加速正極活性物質(zhì)的體積膨脹和收縮，從而導(dǎo)致電池極板的快速軟化。參數(shù)設(shè)置不合理，電池過充電或過度放電，正極活性物質(zhì)體積變化過大，加快活性物質(zhì)軟化速率，提前失效。 五、閥控蓄電池注意事項和使用壽命 蓄電池在使用和維護時應(yīng)注意“三防一及時”：防高溫、防過放電、防過充電、及時充電。中國電信規(guī)定：在正常使用及維護條件下，設(shè)備有效使用年限按下表1要求：
表1 閥控電池使用壽命 同時要求：對于已超過有效使用年限的蓄電池應(yīng)退出A、B類機房。對于已超過有效使用年限的設(shè)備，經(jīng)過檢測評估，性能仍然良好者并滿足運行質(zhì)量要求，具有使用價值的，經(jīng)過主管部門的批準，可繼續(xù)使用，但應(yīng)增加維護檢查頻次以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備劣化變化。性能指標達不到要求的設(shè)備，應(yīng)報廢和退網(wǎng)。 |
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