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直流操作电源讲解
牵引所操作电源小结
首先谈一下我对这个知识点的认识:
很多人认为这一章非常难,很多公式及方法没法理解,我想究其原因可能是对蓄电池和操作电源(开关电源)的特性理解不透彻,尤其是蓄电池的特性让众多考友挠头。
恰恰如此,考试委员会偏偏每年都考这一块——高频考点!
高到什么程度呢?
自从有了注册考试以后,有且只有11年没有考试直流相关题目!
可见这一块是多么重要啦!
所以对于大多数人还是需要有的放矢的,只有命中心脏,我们才能一击必中,我认为直流这一块也是注电考试的一个大动脉,能抓住这一块,10分就轻松到手了!
因此本篇小结,分三部分来介绍——蓄电池基本知识、操作电源内容总结、历年考题小结。
1、蓄电池基本知识
1.1蓄电池的型号命名术语和定义
我国通信行业标准YD/T799—2010《通信用阀控式密封铅酸蓄电池》规定,蓄电池型号命名用汉语拼音字母表示,命名方法如图2.1所示。
采用通信行标的原因可能是通信行业的蓄电池使用量大的缘故。
图1.1蓄电池的型号命名方法
例1:
GFM—1000为额定电压2V、额定容量1000Ah的固定型(G)阀控式(F)密封(M)蓄电池。
例2:
6—FM—65为内有6只单体电池、额定电压12V、额定容量65Ah的阀控式(F)密封(M)蓄电池。
此外,3—Q—240是表示内有3只单体电池、额定电压6V、额定容量240Ah的起动(Q)电池。
1.2阀控式密封铅酸蓄电池的结构
阀控式密封铅酸蓄电池的英文名称为ValveRegulatedLeadAcidBattery(缩写VRLAB),有的资料将它表达为“VRLA电池”。
正常使用时保持气密和液密状态;当内部气压超过预定值时,安全阀自动开启,释放气体;当内部气压降低后,安全阀自动闭合使电池密封。
在使用寿命期间不用补加水或电解液。
阀控式密封铅酸蓄电池由电池槽、正负极板组、电解液、隔板、安全阀、引出端子等部分组成。
图1.2正负极板排列示意图
正负极板组
正、负极板组由单片正极板和单片负极板分别用汇流条焊接而成,其排列示意图如图2.2所示。
单片极板由板栅和它支撑的疏松活性物质构成,板栅用无锑或超低锑铅合金铸造,正极板上的活性物质是二氧化铅(PbO2),负极板上的活性物质是绒状铅(Pb)。
电解液和隔板
电解液为稀硫酸(H2SO4)。
其作用是浸润正负极板上的活性物质,参与电极化学反应,并形成导电粒子。
阀控式密封铅酸蓄电池以电解液的状态不同而分为贫液式电池和胶体电池。
(1)贫液式电池
贫液式电池用超细玻璃纤维(AGM)作正、负极板间的隔板,它有93%以上的孔隙率,用以实现以下功能:
防止正负极板短路,吸收电解液,让导电离子畅通,阻挡杂质离子扩散,由10%左右的孔隙为正极析出的氧气扩散到负极进行复合提供通道。
采用紧密装配工艺,隔板紧压极板表面,可防止极板活性物质脱落。
由于电解液全部吸附在超细玻璃纤维隔板和极板中,因此电池内没有流动的电解液。
贫液式电池具有自放电小、充电效率高、内阻小、气体复合率高等特点,是阀控式密封铅酸蓄电池的主流产品
(2)胶体电池
胶体电池采用触变性二氧化硅凝胶(GEL)吸收电解液。
胶体在凝固期间收缩形成微裂纹,裂纹宽与AGM的孔径在一个数量级,可为氧气复合提供通道。
在电池使用初期,电解液胶体不能形成大量微裂纹,氧的复合效率较低,因此安全阀频繁开启,有气体逸出。
随着电池的不断使用,微裂纹增加,氧的复合率达到正常状态。
胶体电池的隔板为一个框架,或用粗玻璃纤维制成。
胶体电池具有内阻大、深放电恢复特性较好、较高温度下的使用寿命较长等特点。
3.电池槽
电池槽由槽壳、槽盖所组成,用于盛装正负极板组、电解液及附件等。
电池槽材料应绝缘、阻燃、不渗漏、不变形。
槽壳与槽盖必须密封,以杜绝电解液或气体的泄漏。
槽盖上设有单向安全阀,用于泄放高压盈余气体,避免电池槽发生炸裂。
此外,引出端子(正、负极)也设在槽盖上。
1.3阀控式密封铅酸蓄电池的工作原理
1.电动势
铅酸蓄电池的正极板二氧化铅(PbO2)与硫酸(H2SO4)作用失去电子,呈正电位;负极板绒状铅(Pb)与硫酸作用有多余电子,呈负电位。
蓄电池开路时正、负极之间的电位差,就是蓄电池的电动势E。
换句话说,蓄电池的电动势E等于蓄电池的开路电压。
单体铅酸蓄电池E的标称值为2V,实际上它的量值是变化的。
充电时,电解液密度增大,E值相应地有所升高;放电时,电解液密度减小,E值也相应地有所降低。
阀控式密封铅酸蓄电池出厂时,单体电池开路电压一般为2.11V~2.14V。
在一组阀控式密封铅酸蓄电池中,各电池的开路电压应均衡。
YD/T799—2010规定,各电池间的开路电压,最高与最低差值应不大于20mV(2V电池)、50mV(6V电池)和100mV(12V电池)。
2.电化学反应原理
放电:
是蓄电池将储存的化学能转换为电能向外电路输出的过程,如图1.3所示。
此时正极板上的活性物质二氧化铅(PbO2)和负极板上的活性物质绒状铅(Pb)分别与电解液稀硫酸(H2SO4)发生电化学反应,在正、负极板上都生成硫酸铅(PbSO4),在电解液中生成水(H2O)。
由于硫酸铅的导电性能比较差,因此放电后蓄电池的内阻增加。
放电过程中生成的水使电解液密度减少,导致放电后蓄电池电动势降低。
充电:
是利用外来直流电源向蓄电池输送电能的过程,如图1.4所示。
这个直流电源通常是整流器,其输出的正、负端应分别与蓄电池的正、负极连接。
它是放电的逆过程,此时蓄电池将电能转化为化学能储存起来。
在此过程中,正、负极板上的硫酸铅(PbSO4)和电解液中的水(H2O),在充电电流的作用下分别恢复为活性物质二氧化铅(PbO2)、绒状铅(Pb)和稀硫酸(H2SO4)。
铅酸蓄电池在充、放电过程中总的电化学反应式为
放电
PbO2+2H2SO4+PbPbSO4+2H2O+PbSO4(1.1)
充电
正极活性物电解液负极活性物正极活性物水负极活性物
示意图电路图
图1.3铅酸蓄电池的放电示意图及电路图
示意图电路图
图1.4铅酸蓄电池的充电示意图及电路图
普通铅酸蓄电池在充电后期,由于正、负极板的活性物质大部分已经恢复,充电电流会起分解水的作用,使正极析出氧气,负极析出氢气。
阀控式密封铅酸蓄电池负极板活性物质的总量比正极板多15%左右,电池充电至正极板已经充足时,负极板尚未充电到额定容量的90%,同时负极板采用提高析氢过电位的板栅材料(如铅钙合金),因此在正常情况下,电池内只有正极产生少量氧气,负极不会产生难以复合的氢气;正极在充电后期产生的氧气扩散到负极绒状铅的表面,与其化合(变成氧化铅PbO),经化学反应最终复合为水(称为氧循环)。
由于阀控式密封铅酸蓄电池正常工作时无氢氧气体逸出,因此不需要补充水,蓄电池可以密封。
3.端电压
见图1.3,蓄电池放电时,端电压
U=E-I放r(1.2)
见图1.4,蓄电池充电时,端电压
U=E+I充r(1.3)
式中,r是蓄电池内阻。
由以上两式可见,充时电U>E,放电时U 1.4阀控式密封铅酸蓄电池的特点 阀控式密封铅酸蓄电池与防酸隔爆铅酸蓄电池相比,主要有以下特点: 重量轻,体积小,能量体积比高;无酸雾逸出,不需要单独设立电池室,可与主机同室放置;不需添加纯水,维护工作量小;自放电小*;要求浮充电压较高,并且对浮充电压值要求严格。 1.5蓄电池的放电特性 下面讨论铅酸蓄电池恒流放电时端电压的变化情况。 一只充足电的性能良好的阀控式密封铅酸蓄电池以10小时率电流(0.1C10)放电时,其端压变化曲线如图1.5所示。 图1.5蓄电池恒流放电端压变化曲线 电池在放电之前,活性物质微孔中的硫酸浓度与极板外主体溶液浓度相同,电池的开路电压与此浓度相对应。 放电一开始,活性物质表面处(包括孔内表面)的硫酸被消耗,硫酸浓度立即下降,而硫酸由主体溶液向电极表面扩散较缓慢,活性物质表面处所消耗的硫酸不能立即得到补偿,故硫酸浓度继续下降。 决定电势数值的正是活性物质表面处的硫酸浓度(电解液密度),因此电池端电压明显下降,见曲线OE段。 随着活性物质表面处的硫酸浓度继续下降,与主体溶液之间的浓度差加大,促进了硫酸向电极表面的扩散过程,于是活性物质表面和微孔内的硫酸得到补充。 在一定的电流放电时,在一段时间内,单位时间消耗的硫酸量大部分可由扩散的硫酸予以补充,所以活性物质表面处的硫酸浓度变化缓慢,电池端压比较稳定;但由于硫酸被消耗,整体硫酸浓度下降,又由于放电过程中活性物质被消耗,其作用面积不断减少,使电池的电动势有所下降、内阻有所增加,故放电端压随着时间的推移还是缓慢下降,见曲线EFG段。 随着放电继续进行,正、负极活性物质逐渐转变为硫酸铅,并向活性物质深处扩展。 硫酸铅的生成使活性物质的孔隙率降低,加剧了硫酸向微孔内部扩散的困难,硫酸铅的导电性不良,电池内阻增大,这些原因导致放电曲线在G点后电池端压急剧下降,达到放电终止电压。 所谓放电终止电压(也称为放电终了电压),是蓄电池以一定的放电率在25℃环境温度下,放电至能再反复充放电正常使用的最低电压。 固定型阀控式密封铅酸蓄电池当放电电流为0.1C10(A)~0.3C10(A)时,放电终止电压为1.8V。 蓄电池放电至放电终止电压时,应停止放电。 否则,蓄电池过放电,容易使极板硫酸盐化(在极板上生成颗粒粗大、坚硬的硫酸铅结晶),充电时极板上活性物质难以恢复,将导致蓄电池容量减少,寿命缩短。 放电电流越大,其端压下降越快,可以放电的时间越短,放电终止电压则可稍低。 例如固定型阀控式密封铅酸蓄电池放电电流为0.55C10(A)时,放电终止电压为1.75V;放电电流为0.9C10(A)时,放电终止电压为1.70V。 放电电流较小时,放电终止电压较高。 例如固定型阀控式密封铅酸蓄电池放电电流为0.05C10(A)时,放电终止电压为1.85V;若放电电流更小,则放电终止电压在1.9V以上。 小电流放电时蓄电池端电压下降不明显,要特别注意防止过放电。 电量充足、性能良好的48V阀控式密封铅酸蓄电池组在25℃条件下以10小时率电流放电时,其端电压的变化情况大致是: 放电大约半小时端电压降至49V左右;放电1小时端电压降至约48V;端电压下降速度很慢、基本保持48V的时间大约7到8小时;此后端电压下降速度比较快,降至43.2V时达到放电终止电压,应立即停止放电。 蓄电池组停止放电后,其端电压会反弹,上升约5V左右,这是由于放电时端电压为电池组的电动势与内压降之差,而放电停止后端电压等于电池组的电动势;并且极板微孔中的电解液密度在停止放电前后有所变化,使电动势也有些变化。 1.6一些有用的公式和符号 C10——10h率额定容量(Ah),即蓄电池标称容量; C3——3h率额定容量(Ah),数值为0.75C10; C1——1h率额定容量(Ah),数值为0.55C10; C0.5——30min率额定容量(Ah),数值2V为0.4C10;12V为0.5C10; Ct——当环境温度为t时的蓄电池实测容量(Ah),是放电电流I(A)与放电时间t(h)的乘积。 不同温度下的容量修正系数见附表A.1。 Ce——实测基准容量,定义见3.1.8节。 I10——10h率放电电流(A),I10=0.1C10; I3——3h率放电电流(A),数值为2.5I10; I1——1h率放电电流(A),数值为5.5I10; I0.5——30min率放电电流(A),数值2V为8.0I10;12V为10.0I10; Uflo——蓄电池或蓄电池组的浮充电压(V)。 1.7补充说明 关于碱性镉镍电池、锂电池等特性在考试中应用较少,暂不做深入论述。 总体来说,这两种电池的原理结构与铅酸电池稍有不同,大家暂不需要深入研究,如果有兴趣可以加群一起讨论。 2、操作电源内容总结 首先直流操作电源分为: 直流操作电源和交流操作电源。 交流操作电源(注意: 是操作电源而不是电源)一般应用在小型配电所(我是认为5000KVA容量以下的变电所);而直流操作电源一般应用在重要或者大所(5000KVA以上)或者供给特别重要的负荷(比一级负荷更重要的负荷)的所。 我把直流给大伙一个初步的熟悉过程,首先是直流里面有几个比较重要的数据 1、105%(浮充状态下直流母线电压) 2、专供控制负荷的时候: 下限是85%,上限是110%; 3、专供动力负荷的时候: 下限是87.5%,上限是112.5%; 4、额定放电电流: 就是蓄电池10小时放电电流。 I10,当然很多时候我们还用一小时的放电率电流,铅酸电池为5.5I10(此处为重要点,可能会高频考试),镉镍碱性电池为7.0I5或者20I5(题目中没有碰见过,但是不一定就不考噢) 5、DL5044-2004上面的表5.2.3和5.2.4(包括小注)格外重要;经常负荷、初期冲击负荷、5秒随机负荷;这一块不仅仅是熟悉,还要理解; 下面把常用的放电曲线介绍一下并就配三的一段话就以说明: 这个基本上是配三中对直流讲解的核心内容之一,如果不明白还需要认真看配三,其实学习就是自己凿刻自己的过程,我所写的这些大概也只能起一个引导的作用吧! 希望对同学有帮助。 接下里我就直流这一块的一个重点做一下总结: 电压控制法(14年以前常考,以后到底考不考谁也说不准);阶梯负荷计算法(14年开始考了,以后考的可能性非常大,14年之前一般只在发输变中考,但是14年已经把先河打开,接下来估计就是他的时代了); 这个但说的话尽显枯燥,不如来两个题说明比较明了! 其实这个题并不是讲述的重点。 因为这个仅仅是知识题的一个考查,以现在的思维和眼界来看待这个07年的题,当然是小意思了。 但是不要忘记了,这个题难倒过很多前辈哦! 针对这样的题,并不是让大家会做就行了。 而是理解! 这里的理解其意义不是表象。 从历年的发展思路来看,下一年的题肯定要比这个更深一步。
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