Контроль режимов заряда и разряда аккумуляторов

Аккумуляторы по своей сути – накопители электрической энергии, в некотором роде «консервы» её. Казалось бы, заряжай, а потом используй. Однако, как и любой электрический аппарат, аккумулятор имеет конечный срок службы. Более того, как уже отмечалось, аккумулятор не только электрическое, но и химическое устройство. Поэтому причины ухудшения характеристик и отказов многогранны и имеют много зависимостей. Более того в процессе эксплуатации в подавляющем числе случаев отказы не имеют явных проявлений. Ухудшение качества имеет тенденцию накапливаться, а в ряде случаев обладает свойствами положительной обратной связи. Это исподволь приходящее ухудшение характеристик связано с большим количеством последовательно включенных аккумуляторов, составляющихмножество – аккумуляторную батарею. При наличии даже одного, так называемого, «глухого» аккумулятора в вагонной батарее, состоящей из нескольких десятков последовательно включенных аккумуляторов, она может некоторое время нормально функционировать в схеме вагона. Поэтому для обнаружения на раннем этапе появления ухудшения характеристик необходимо своевременно и правильно диагностировать аккумуляторы и батареи.

Внешнее проявление отказов аккумуляторов может быть вызвано различными причинами. Поэтому диагностика работоспособности аккумуляторов имеет два последовательных этапа: выявление неисправного аккумулятора и установление истинной причины неудовлетворительной работы.

Основными причинами снижения эксплуатационных характеристик щелочных аккумуляторов являются накопление в электролите углекислых солей щелочных металлов, эксплуатация при температуре выше 45оС, загрязнение электролита вредными примесями, систематические недозаряды, внутренние замыкания и повышенный саморазряд. Из-за поглощения углекислого газа из окружающего воздуха в электролите происходит его поглощение с образованием и накоплением карбонатов.

Увеличение содержания карбонатов приводит к снижению содержания щелочи в электролите и, соответственно, к снижению ёмкости аккумуляторов. Процесс образования карбонатов особенно интенсивно идёт при отсутствии пробок заливочных отверстий и повышенной температуре эксплуатации. Заряд и разряда при температуре выше 45^оС приводят к необратимым потерям ёмкости, особенно у никель–железных аккумуляторов. Активная масса их отрицательных электродов при повышенной температуре начинает растворяться в слабых растворах щелочи. При охлаждении растворенное в электролите железо оседает на сепараторах, образуя внутренние проводящие цепи, что увеличивает саморазряд аккумуляторов. 

К снижению емкости также приводит загрязнение электролита вредными примесями, которые попадают в аккумулятор с недистиллированной водой. Характерный признак загрязненного электролита – интенсивное выделение пузырьков газов из аккумуляторов, которое не прекращается после отключения режима заряда. К такому же итогу приводят систематические недозаряды аккумуляторов вследствие пассивации активных масс электродов.

Высокий саморазряд может быть следствием разных причин и условий эксплуатации. Большое количество вымытой из электродов активной массы, вызванное систематическими перезрядами, сопровождающимися сильным газовыделением, приводит к накоплению шлама на дне сосудов. Проводящие мостики могут возникнуть из-за разбухания ламелей или их разрывов.

К необратимым потерям ёмкости приводит частая переполюсовка аккумуляторов при эксплуатации в составе батареи, особенно состоящей из большого числа последовательно соединенных аккумуляторов. Глубокий разряд одного или нескольких аккумуляторов при разряде на фоне остальных аккумуляторов может остаться незамеченнным. Контроль напряжения каждого аккумулятора на объекте эксплуатации технически затруднен из-за большого количества проводов и дополнительных устройств измерения, коммутаций и сравнения. Существуют способы сравнения напряжений половин батареи или нескольких частей, которые позволяют на ранней стадии определить наличие «отстающих» или «ленивых» аккумуляторов. Но для того чтобы с высокой степенью достоверности выявить наличие в батарее аккумуляторов с пониженной, по сравнению со всей совокупностью емкостью, необходимо при стационарном обслуживании контролировать напряжение каждого аккумулятора при разряде. Это достаточно сложный и времязатратный процесс, который требует помимо определения «отстающего» аккумулятора обеспечения фиксации времени достижения минимально допустимого напряжения эквивалентного фактической ёмкости и возможности вывода его из состава батареи без нарушения электрической цепи для продолжения режима разряда. 

Повышенный саморазряд аккумуляторов связан с внутренними замыканиями и загрязнением крышки. В эксплуатации он может быть также связан с ухудшением изоляции выводов батареи от корпуса объекта, на котором стоит батарея. Появлению проводящих мостиков между выводами аккумуляторов способствуют повышенный против нормального уровень электролита, нарушение герметичности пробок заливочных отверстий и уплотнительных сальников борнов. У никель-железных аккумуляторов достаточно высокий саморазряд увеличивается при отстое в помещении с высокой температурой. 

У кислотных аккумуляторов основными причинами ухудшения эксплуатационных характеристик являются сульфатация пластин, внутренние замыкания, выпадение активной массы из электродов, разрушения сепараторов, баков и окисление выводных клемм. 

Термин «сульфатация» означает образование в активной массе электродов крупных кристаллов сульфата свинца. Эти кристаллы практически не участвуют в токообразующих реакциях. Тем самым фактическая электрическая ёмкость аккумулятора снижается, а его внутреннее сопротивление прохождению электрического тока возрастает. Кроме того процесс образования крупных кристаллов сульфата свинца, как правило, необратим и прогрессирует со временем. Рост кристаллов приводит к выдавливанию активной массы и разрушению решетки электродов. Сульфатация пластин проявляется как снижение напряжения под нагрузкой, быстрое повышение напряжения при заряде постоянным током с последующим снижением. В конце заряда напряжение аккумулятора не превышает 2,5 В, а плотность электролита ниже нормы. К необратимой   сульфатации пластин приводит длительный отстой аккумуляторов в разряженном состоянии, систематические глубокие разряды и недозаряды, частые разряды большими токами. Процесс образования крупных нерастворимых кристаллов сульфата свинца ускоряется с повышением плотности электролита и его температуры. Это связано с повышением растворимости в электролите мелких кристаллов сульфата свинца и образованием крупных форм кристалл-лов с наращиванием ранее образовавшихся при остывании электролита. Существенным фактором, приводящим к необратимой сульфатации при обычной эксплуатации, является снижение уровня электролита ниже верхних кромок электродов. На них как не участвующих в реакциях начинается образование крупных кристаллов, рост которых происходит за счет смачивания электролитом в конце заряда или при механических передвижениях объекта, на котором установлена батарея. Поэтому в эксплуатации необходимо периодически контролировать уровень и плотность электролита и по возможности его температуру, что позволяет поддерживать номинальные характеристики и увеличивает срок службы аккумуляторов.

Внутренние замыкания электродов являются следствиями разрушения сепараторов, сильного коробления пластин, значительного выпадения активных масс и рост дендритов свинца. Аккумуляторы с таким дефектом имеют пониженные ЭДС и плотность электролита, их напряжение при заряде увеличивается незначительно, газовыделение практически отсутствует. При разрядах они ведут себя как аккумуляторы с фактической ёмкостью пониженной по отношению к другим аккумуляторам, составляющим батарею. То есть напряжение при разряде на них падает быстрее, чем на остальных, они могут быть даже переполюсованы. К таким дефектам аккумуляторов приводят частые разряды с повышенной плотностью тока, эксплуатация при повышенной плотности электролита и его температуры, то есть нарушения правил эксплуатации.

Саморазряд кислотных аккумуляторов – неприятный, но неотъемлемый процесс, происходящий при размыкании внешней цепи. При нормируемом саморазряде динамика его снижается в течение отстоя аккумулятора из-за превращения поверхностной части электродов в сульфат свинца, который препятствует проникновению электролита вглубь пластин. Повышенный саморазряд – это 5–10% потери емкости в сутки Естественно через несколько суток плотность электролита такого аккумулятора сильно уменьшается вместе с ёмкостью, и напряжение под нагрузкой становится ниже допустимой по условиям эксплуатации. Часто причина повышенного саморазряда кроется в пленке электролита на поверхности крышки аккумулятора, возникающей либо из-за неаккуратной заливки электролита, либо вследствие выплёскивания, либо при бурном газовыделении. Эта пленка образует внешний проводящий мостик между клеммами аккумулятора, что и обуславливает повышенный саморазряд. Такая пленка не исчезает сама по себе, так как серная кислота не испаряется при нормальной температуре. Обнаружить места повышенной утечки тока можно при контроле напряжения между одним из выводов аккумулятора и участками поверхности крышки. При обнаружении утечек тока необходимо нейтрализовать поверхностный электролит 10%-м раствором соды или нашатырного спирта. Повышенному саморазряду может также способствовать наличие повышенного содержания вредных примесей в электролите. Поэтому при повышенном саморазряде и отсутствии поверхностных утечек тока надо сменить электролит после промывки аккумулятора дистиллированной водой.

К нарушениям работы батареи могут привести нарушения контактов выводов батарей и наконечников подводящих проводов из-за окисления обоих. В связи с этим повышается переходное сопротивление в месте контактов, приводящее к снижению напряжения в цепях объекта под нагрузкой и повышению контактной температуры. Для профилактики такой неисправности необходимо периодически зачищать выводы батареи и внутреннюю поверхность контактных наконечников от окислов и защищать их от воздействия серной кислоты и кислорода воздуха техническим вазелином.