Przedwczesna utrata żywotności w akumulatorach VRLA - metody diagnostyki uszkodzeń w akumulatorach

Przedwczesna utrata żywotności w akumulatorach VRLA - metody diagnostyki uszkodzeń w akumulatorach Jacek Świątek ^ Już ponad dziesięć lat minęło od zainstalowania w Polsce pierwszych akumulatorów VRLA (skrót od angielskiej nazwy: valve regulatedleadacidbatteries, według polskiej normy są to ogniwa z odgazowaniem przez zawór lub z rekombinacją gazu). Wtedy wydawało się, że jest to kolejny krok naprzód na drodze poprawy technologii akumulatorów kwasowo-ołowiowych, a technologia ta będzie mogła wszystkich zadowolić. W wielu obiektach zainstalowano nowoczesne, bezobsługowe akumulatory z minimalnym odgazowaniem gazów, które na dodatek nie wymagały ustawiania w wydzielonych, kwasoodpornych pomieszczeniach. Spodziewano się, że w tego typu instalacjach będzie można ograniczyć czynności obsługowe i zlikwidować akumulatornie. Akumulatory te rzadko jednak osiągały deklarowane przez producentów katalogowe żywotności, a ich bezobsługowość dotyczyła tylko uzupełniania poziomu elektrolitu. Największe rozczarowanie dotyczyło baterii VRLA klasy Long Life (najwyższa klasa jakości według Eurobat, o katalogowej żywotności ponad 12 lat). Rozbieżność pomiędzy deklarowaną a eksploatacyjną żywotnością była tak duża, że nie mogło to w żaden sposób zadowolić użytkowników, a nawet w ich opinii baterie te nie dorównywały swoimi parametrami poprzednim typom klasycznych akumulatorów. Miało być lepiej, a nie było. Dlaczego tak się działo? Czy był to błąd technologii, czy nadmierne oczekiwania, rozbudzone działaniami marketingowymi? Spróbujemy jeszcze raz przeanalizować fakty. W podsumowaniu omówimy, jakimi metodami można uzyskać informację, czy bateria lub jej fragment uległ uszkodzeniu. OD CZEGO MOŻE ZALEŻEĆ UTRATA ŻYWOTNOŚCI W AKUMULATORACH VRLA? Problem przedwczesnej utraty żywotności w akumulatorach VRLA był w latach 90. zjawiskiem dość powszechnym i dotyczył wielu obszarów zastosowania. Występowało to zarówno w przemyśle, jak i w energetyce oraz telekomunikacji. Problem ten ujawniał się w zastosowaniach profesjonalnych ze stałą obsługą, jak i nieprofesjonalnych, pod każdą szerokością geograficzną i na każdym kontynencie. Mgr inż. Jacek Świątek - APS Energia Sp. z o.o. w Zielonce, członek SEP Naukowcy z Finlandii [l, 2] tak określili przyczyny tego zjawiska: Technologia akumulatorów VRLA była technologią nową i podlegała szybkiemu rozwojowi. Na rynku bateryjnym był duży popyt (z powodu inwestycji, szczególnie w sektorze telekomunikacji), co w konsekwencji spowodowało dużą konkurencyjność i współzawodnictwo. Z tego powodu producenci często decydowali się na wprowadzanie nowych metod i ulepszeń redukujących koszty produkcji, bez ich należytej technicznej weryfikacji i testów. Akumulatory VRLA były wprowadzane pod hasłem marketingowym jako bezobsługowe nie tylko w zakresie uzupełniania elektrolitu, ale także czynności eksploatacyjnych (ponadto w Skandynawii był eksponowany fakt, że w tego typu ogniwach jest dużo większy stopień ochrony środowiska). Z tego powodu eksploatacja akumulatorów VRLA przebiegała niezgodnie z wymaganiami producentów. Zamiast wprowadzenia reżimu zaostrzonej eksploatacji i bardziej czasochłonnych zabiegów, akumulatory te były źle obsługiwane (były instalowane w tych samych warunkach termicznych, a nawet gorszych jak akumulatory tradycyjne, były poddawane takim samym lub zredukowanym zabiegom eksploatacyjnym). Nie były przestrzegane zalecenia eksploatacyjne z instrukcji producentów. Wynikało to z różnych faktów, w tym najczęściej: niedoinformowania technicznego, z powodów marketingowych, złego lub nieprofesjonalnego tłumaczenia instrukcji producentów, niemożności zapewnienia lepszej niż dotychczas eksploatacji przez użytkowników. Ogniwa nie miały (nie mają - z przyczyn technologicznych) przezroczystych obudów i z tego powodu nie jest możliwa ich pełna wizualna ocena: stanu naładowania płyt poprzez ich kolor, korozji wewnętrznych łączników, opadu materiału aktywnego i możliwości zwarcia wewnętrznego, poziomu elektrolitu. Wymienione przyczyny skutkowały następującymi defektami: Powstawały serie ogniw, które miały niedostatecznie sprawdzoną i zweryfikowaną konstrukcję. Zastosowane nowe rozwiązania materiałowe i konstrukcyjne były sprawdzane w bieżącej eksploatacji u klientów. Występowały wady podczas procesu wytwarzania, polegające na używaniu zanieczyszczonego elektrolitu, płyt, separatorów. W procesie produkcyjnym błędy wynikały z niewłaściwego formowania płyt, zbyt długiego ich magazynowania, złego odlewania, złego umocowania materiału aktywnego lub wadliwego spawania wewnętrznych połączeń (przyjęto schematy stosowane dla technologii ogniw klasycznych, które się nie sprawdziły). Występowały błędy w czasie eksploatacji, które możemy podzielić (w zależności od czasu wystąpienia) na: WIADOMOŚCI ELEKTROTECHNICZNE ROK LXXII 2004 nr 7-8

PRODUKCJA - BADANIA - EKSPLOATACJA - niedokładności przedmontażowe (np. zbyt długie magazynowanie ogniw w niskich albo za wysokich temperaturach bez przeładowania, uszkodzenia w czasie transportu i przeładunku itp.), - błędy w czasie montażu, np. zbyt gwałtowne wstrząsanie ogniw w czasie montażu, skręcanie połączeń zbyt dużym momentem, złe ładowanie po teście pojemności i wprowadzanie do eksploatacji baterii nie do końca naładowanej, - błędy pomontażowe - buforowanie baterii złym napięciem, cykliczna praca baterii przez dobranie nieodpowiedniego prostownika, utrata ładowania przez rozwarcie się szeregu akumulatorów, zbyt wysoka temperatura lub gradient temperatury w pomieszczeniu baterii. ANALIZA USZKODZEŃ OGNIW VRLA Znając przyczyny uszkodzeń akumulatorów VRLA, można przeanalizować, czym opisane powyżej niedokładności skutkowały w czasie eksploatacji akumulatorów. W zależności od zastosowanej technologii akumulatorów VRLA (AGM czy żel) oraz błędów popełnionych na etapie produkcji i eksploatacji, mogą wystąpić następujące uszkodzenia: - korozja płyty dodatniej (występuje w akumulatorach żelowych, rzadziej, ale również może wystąpić w akumulatorach AGM), - PCL - przedwczesna utrata pojemności (efekt występuje najczęściej w akumulatorach AGM, ale technologia żelowa też jest na to podatna), - niedoładowanie płyty ujemnej (występuje najczęściej w akumulatorach AGM z powodu cienkiej płyty ujemnej), - korozja sworzni (występuje w akumulatorach żelowych, rzadziej, ale również może wystąpić w akumulatorach AGM), - wysuszanie akumulatorów (występuje w akumulatorach AGM, rzadziej, ale również może wystąpić w akumulatorach żelowych). Przebieg uszkodzeń w bateriach VRLA przedstawiono schematycznie na rysunku. W zależności od tego, co było przyczyną uszkodzenia akumulatora VRLA, przy pomiarze jego parametrów elektrycznych może się objawiać za wysoką lub za niską impedancja w stosunku do sprawnego akumulatora lub utratą pojemności. Za wysoka impedancja baterii występuje przy następujących uszkodzeniach akumulatora: - korozja i złe zespawanie połączeń międzyogniwowych, - korozja płyt lub luźne połączenie pomiędzy materiałem aktywnym a płytą, - spuchnięcie materiału, - utrata materiału aktywnego na płytach przez zasiarczenie, - warstwa zanieczyszczeń na powierzchni materiału aktywnego, - utrudnienia w przejściu prądu przez separator, - za niska gęstość elektrolitu, - za niskie ciśnienie utrzymujące kontakt pomiędzy separatorami a elektrodą dodatnią i ujemną, - za niski poziom elektrolitu, wynikający z błędu przy napełnianiu lub z powodu wysychania akumulatora (zbyt wysokie napięcie buforowania, zbyt wysoka temperatura), z powodu wycieków (pęknięć w obudowie, pokrywie) lub wycieków z nieszczelnego zaworu (zanieczyszczenia na membranie zaworu). Za niska impedancja (zwarcie) występuje przy następujących uszkodzeniach akumulatora: - tworzenie się dendrytów i przebicie separatorów, - zadziory, nadlewki, które mogły spowodować przecięcie płyty, - dodatkowe kawałki ołowiu, które pozostały pomiędzy płytami, - pozostałość stopionego ołowiu przy spawaniu, - utrata materiału aktywnego elektrod przez korozję i odpadanie od płyt, - korozja innych elementów, - zbyt duże ściśnięcie płyt, powstałe podczas produkcji lub uszkodzenia w transporcie, - deformacja płyt z powodu ich wzrostu i braku przestrzeni. Uszkodzenia powstałe przy elektrodach dodatnich Uszkodzenia powstałe przy elektrodach ujemnych ^ H Uszkodzenia elektrolitu ^^m Korozja siatki Niejednorodność chemiczna ogniw, rozrzut napięć Utrata kontaktu materiału aktywnego z elektrodą Nieodwracalne zasiarczenie elektrody Utrata pojemności Parowanie elektrolitu T Utrata elektrolitu Koniec żywotności, konieczność wymiany Schematyczny przebieg zniszczenia głównych elementów w akumulatorach VRLA 10 WIADOMOŚCI ELEKTROTECHNICZNE ROK LXXII 2004 nr 7-8

PRODUKCJA - BADANIA - J LOATACJA Nieodwracalna utrata pojemności akumulatora wystąpi przy: - zbyt głębokim rozładowaniu, - pracy cyklicznej lub występowaniu mikrocykli, - niespodziewanym starzeniu, z powodu zbyt wysokiej temperatury lub niejednolitego rozkładu temperatury na akumulatorach połączonych w szereg, wysychaniu elektrolitu (zbyt wysoka temperatura, napięcie, wycieki przy zaworze lub na pokrywie). PRACA AKUMULATORÓW VRLA W OBIEKTACH W POLSCE Wykorzystując teoretyczną wiedze, co może powodować uszkodzenia akumulatorów VRLA i jakie są tego dalsze następstwa, przeanalizowano dane z eksploatacji tego typów akumulatorów w Polsce. W tym celu - współdziałając z kilkoma zakładami mającymi duże doświadczenie w użytkowaniu akumulatorów VRLA - uzyskano informacje z doświadczeń eksploatacyjnych Dane z eksploatacji akumulatorów VRLA w Polsce Opis parametru Użytkownik nr 1 Użytkownik nr 2 Użytkownik nr 3 Użytkownik nr 4 Jczba opisanych baterii VRLA ok. 30 ok. 20 10 sztuk baterii o napięciu znamionowym 220 V ok. 10 Typy baterii AGM - 80% Żel - 20% AGM - 99% Żel - 1% AGM - od 100 do 175 Ah AGM - 70% Żel - 30% Hasa żywotności LL (10+ lub 12+) - 75% niższa grupa - 25% LL(10+ lub 12 + ) -85% niższa grupa - 15% LL(10+ lub 12+)- 100% LL(10+ lub 12 + ) -80% niższa grupa - 20% Warunki termiczne klimatyzacja - 20% srak klimatyzacji - 80% klimatyzacja - 10% brak klimatyzacji - 90% dimatyzacja - 70% Drak klimatyzacji - 30% klimatyzacja - 30% brak klimatyzacji - 70% Lata instalacji 1993-1998 1993-2002 1994-1998 1995-2002 Majdłużej żyjąca bateria AGM - 8 lat (klasy LL) (sporo jest 7-letnich) Żel - 6 lat (klasy LL) (takich baterii jest kilka) AGM - 10 lat (klasy LL) (sporo jest 8-letnich pracujących baterii) Żel - 7 lat (klasy GP) (jedna bateria) AGM - 7 lat (klasy LL) AGM - 8 lat (klasy LL) (sporo jest 7-letnich pracujących baterii) Żel - 8 lat (klasy LL) Najkrócej żyjąca bateria AGM - 3 lata (prostownik tyrystorowy) Żel - 3 lata (szafa bez klimatyzacji) Uwaga: Należy dodać, że są takie instalacje baterii, gdzie żyły one po 6 lat. AGM - 4 lata (wada technologii) AGM - 5 lat (klasy LL) AGM - 5 lat (wada technologii) Żel - 5 lat Średnia żywotność baterii grupy LL 10/12 + Całej grupy - 5,7 lat AGM - 5,8 lat Żel - 4,7 lat Całej grupy - 7,8 lat AGM - 8,2 lat Żel - 7 lat AGM - 6 lat Całej grupy - 7,5 lat AGM - 7,6 lat Żel - 7,3 lat Średnia żywotność baterii grupy LL 10/12 + w zależności od napięcia pojedynczego ogniwa/bloku 2 V - 7 lat 6 V - 6 lat 12 V - 5 lat 2 V - 10 lat 6 V - 8 lat 12V-61at 2 V - 7 lat 6 V - 6 lat 2V 6 V - 9 lat 12 V - 7 lat Średnia żywotność baterii grupy niższej 6 lat Uwaga: Średnią zawyżają baterie w UPS-ach, które były eksploatowane przy pojemności poniżej 80%. 6 lat brak takich ogniw Siat Jakie parametry miały wpływ na żywotność Jakie parametry nie miały wpływu na żywotność Inne uwagi Klimatyzacja - nieznacznie (przedłuża żywotność o ok. rok). Sonda termiczna, prostownik impulsowy, instalacja na stelażu zamiast w szafie - nieznacznie. Klimatyzacja - nieznacznie. Sonda termiczna - nieznacznie. Prostownik impulsowy (od początku) - ma wpływ. Im większa pojemność, tym bateria dużej żyje. Obciążenie rozdzielni, prostownik z zewnętrznym lub z wewnętrznym pomiarem prądu, instalacja stojak-szafa. Baterie czasem w gorszych warunkach pracują podobnie. Dużo jest baterii w wieku 6-8 lat, które są nadal sprawne. Być może zaniżone wartości napięć w pracy buforowej (w najgorszym przypadku o kilka procent). Stąd wniosek, że baterie wymagają zasilaczy laboratoryjnych. Klimatyzacja - nieznacznie. Sonda termiczna - nieznacznie. Prostownik impulsowy (od początku) - ma wpływ. Im większa pojemność, tym bateria dużej żyje. Według firm, które dostarczają baterie VRLA, wszystkie parametry miały wpływ na utratę żywotności. Występuje propaganda marketingowa zawyżająca projektowaną żywotność baterii (przynajmniej o klasę wyżej). Trzeba wnieść poprawki w niedoskonałej technologii i zminimalizować wady produkcyjne.

tego typu baterii. Wszystkim respondentom gwarantowano poufność informacji oraz to, że zadawane pytania nie będą wykraczały poza granice tajemnicy służbowej. Dane (zestawione w tabeli) dotyczyły typów ogniw VRLA (w tym opisu technologii AGM i żelowej, klasyfikacji EUROBAT, pojemności, napięcia bloków), daty instalacji, uzyskanej żywotności oraz warunków eksploatacji (np. typ prostownika, jego konfiguracja, kompensacja termiczna, sposób podłączenia baterii, średnie obciążenie prostownika w czasie pracy buforowej, sposób montażu baterii, temperatura pracy baterii itp.). Z danych przedstawionych w tabeli można wyciągnąć następujące wnioski: - Większość zainstalowanych akumulatorów VRLA są to ogniwa AGM (choć jest także grupa ogniw żelowych). - Zdecydowaną większość stanowią typy akumulatorów najbardziej żywotnych: 10 + i 12 + (HI, LL zgodnie z EUROBAT). - Żywotność ogniw rzadko przekraczała 10 lat, średnio jest to 7-9 lat. Widać tendencję, że żywotność eksploatacyjna ogniw nieznacznie się zwiększa w ostatnich instalacjach. - Baterie są wyposażone w bardzo dobre urządzenia ładujące. Zdarzały się instalacje w klimatyzowanych pomieszczeniach. PRACA AKUMULATORÓW VRLA W OBIEKTACH W SKANDYNAWII - EFEKT PCL Bardzo ciekawe spostrzeżenia odnotowano w artykule [3] na temat stanu baterii VRLA w sektorze telekomunikacji w Skandynawii. Podobnie jak w Polsce, okazało się, że akumulatory VRLA nie spełniają oczekiwań użytkowników. Żywotność eksploatacyjna baterii VRLA była znacznie krótsza niż ich klasycznych odpowiedników. Także i tam zdarzały się przypadki, gdy pomimo deklarowanych 10 czy 12 lat bateria po połowie tego okresu (a nawet w krótszym czasie) nadawała się do wymiany. Problem okazał się na tyle ważny, że rozpoczęto analizę, co może być powodem uszkodzeń w akumulatorach. W związku z powyższym przeprowadzono testy na ok. 30 bateriach. Rozpoznano następujące uszkodzenia: - korozja elektrody dodatniej (we wszystkich typach akumulatorów), - PCL" - stała utrata pojemności (głównie w akumulatorach AGM), - niedoładowanie elektrody ujemnej (głównie w akumulatorach AGM), - korozja górnych części elektrod (we wszystkich typach), - wysychanie (tej wady nie zaobserwowano). Bardzo często spotykany był efekt PCL (stała utrata pojemności). Ten defekt ujawniał się w bateriach 3 -^-5-letnich, które pracowały głównie w trybie pracy buforowej (miały mniej niż 10 cykli rozładowczych). Uszkodzenie dotyczyło tylko części baterii i w kilku akumulatorach pojemność osiągnęła zaledwie 50-^70%. Zadziwiająca była analiza elementów konstrukcyjnych takiego uszkodzonego akumulatora. Jego płyty były w bardzo dobrym stanie, korozja elementów mniejsza niż 0,9%, nie zanotowano jego wysuszenia (separatory były wilgotne). W celu odtworzenia pojemności akumulatory zostały przeładowane małym prądem (ładowanie wyrównawcze), uzupełniono w nich poziom elektrolitu, zwiększono wewnętrzne ciśnienie w ogniwie. Wszystkie te czynności nie poprawiły parametrów akumulatora. Spróbowano poddać baterię cyklowi odnawiającemu: pełnemu rozładowaniu i ładowaniu. Zastosowano rozładowanie 10-godzinne prądem 0,1C10, a potem, z lepszym skutkiem, stosowano rozładowanie 24-godzinne - prądem 24-godzinnym. Pomimo że napięcie na najsłabszych ogniwach spadło do O V i utrzymywało się na tym poziomie do końca rozładowania, nie zaobserwowano rewersu elektrod (odwrócenia ich biegunowości). Ogniwa z napięciem zerowym podniosły swoją temperaturę do ok. 40 C i nie przekraczały tego poziomu. Po kilkudniowym naładowaniu baterii zmierzono ponownie pojemność i okazało się, że pojemność baterii podniosła się do 85%. Ogniwa poprzednio najsłabsze, teraz były nawet lepsze niż pozostałe. Próba pojemności po okresie 14 miesięcy potwierdziła dobry stan techniczny baterii, o pojemności na poziomie wyższym niż przed regeneracją. Zjawisko PCL jest skutkiem efektu bezantymonowego", występującego tylko w akumulatorach, w których materiał aktywny obu płyt nie zawiera antymonu (w jego miejsce jest wprowadzony wapń). Zjawisko to jest jeszcze słabo znane, zaś mechanizm jego powstawania jest związany ze zwiększoną opornością fragmentów elektrody dodatniej, co powoduje wcześniejsze niż w innych ogniwach obniżenie się napięcia akumulatora. W zależności, gdzie ten efekt występuje, możemy wyróżnić: PCL-1 - związany z korozją siatki elektrody i PCL-2 - od korozji materiału aktywnego przylegającego do płyty. Podsumowując: PCL występuje tylko w pewnej części elektrod i nie jest trwałym uszkodzeniem. Możemy ten efekt usunąć i zwiększyć pojemność dyspozycyjną akumulatora poprzez wyżej opisane rozładowanie i ładowanie odnawiające. DIAGNOSTYKA USZKODZEŃ BATERII W OKRESIE PRACY AKUMULATORÓW POMIĘDZY TESTAMI POJEMNOŚCI Do uzyskania informacji, czy w okresie pomiędzy badaniem pojemności wystąpiły uszkodzenia akumulatorów VRLA, należy wprowadzić systematyczne sprawdzanie parametrów baterii, wraz z analizą wyników i interpretacją - monitoring. Może to być system automatyczny (głównie tak monitoring jest kojarzony), ale równie dobrze może być to system manualny (jeżeli wprowadzone są odpowiednie procedury uzyskiwania danych i ich analiza). Duża różnorodność typów baterii oraz specyfika ich instalacji w obiektach powoduje, że wdrożenie systemu nadzoru spełniającego swoje zadanie jest trudne. Monitoring powinien charakteryzować się następującymi cechami: Powinien określić czas, kiedy bateria już nie jest sprawna i należy ją wymienić, zapewniając zawsze jej gotowość do pracy w momencie konieczności zadziałania. Powinien być dostosowany do indywidualnych warunków i parametrów instalacji. 12 WIADOMOŚCI ELEKTROTECHNICZNE ROK LXXII 2004 nr 7-8

Należy zbierać i analizować tylko te dane, które pomagają w wykryciu dużych, stopniowo rosnących uszkodzeń i w konsekwencji pogorszenia się parametrów baterii. Nadzór musi być prowadzony systematycznie oraz musi być elementem systemu nadrzędnego, czyli powinien zapewnić odpowiednią transmisję danych, ich analizę oraz reakcję na zagrożenia. Metodyka pomiaru oraz liczba mierzonych parametrów nie powinna być nadmiernie rozbudowana. Jeżeli tak nie jest, w konsekwencji prowadzi to do pobieżnych pomiarów, bez odpowiedniej ich analizy, co może generować dużą ilość fałszywych alarmów i uprzykrzyć życie obsłudze. Monitoring powinien być dla systemu, a nie odwrotnie. Parametry elektryczne, które możemy w baterii nadzorować (z wyjątkiem oceny wizualnej), są to: napięcie, prąd oraz rezystancja akumulatora. Zmiany tych danych należy obserwować w stanie ustalonym (podczas pracy buforowej) oraz w stanach nieustalonych. Pomiar danych może być dla całej baterii lub oddzielnie dla każdego akumulatora (w tym przypadku mierzymy daną wartość i odchyłkę od wartości średniej). Pomiar napięcia baterii Pomiar napięcia całej baterii w połączeniu szeregowym akumulatorów. Pomiar napięcia na biegunach baterii podczas pracy buforowej praktycznie nic nie wnosi, z wyjątkiem sprawdzenia poprawności procesu ładowania. Dużo więcej informacji można uzyskać pomiarem napięcia przy rozładowaniu. W przypadku częściowego rozładowania (szczególnie krótkotrwałego) trudno jest ocenić, jak obniżanie się napięcia rozładowanej baterii ma wpływ na jej pojemność czy stan techniczny. Oczywiście, jeżeli bateria ma bardzo niską pojemność, napięcie podczas rozładowania bardzo szybko spadnie, co wskaże na jej uszkodzenie. Inaczej będzie, jeżeli bateria ma już pojemność kwalifikującą do wymiany, np. na poziomie 50-60%. Wtedy napięcie rozładowanej baterii przez kilka godzin będzie utrzymywać się na poziomie prawidłowym (jak dla sprawnej baterii), by dopiero w końcowej fazie rozładowania gwałtownie spaść. Przy rozładowaniu należy zawsze pamiętać o tym, że w początkowej fazie rozładowania następuje chwilowy uskok napięcia. Jest to proces normalny (skutek zjawisk przyelektrodowych) i nie może być powodem do alarmu. Pomiar napięcia dla każdego ogniwa. W tej metodzie można analizować napięcie ogniwa lub jego różnicę w stosunku do średniej wartości napięcia całej baterii. Jeżeli pomiar jest wykonywany podczas pracy buforowej, to można wywnioskować, czy rezystancja wewnętrzna danego ogniwa jest za wysoka czy za niska w stosunku do pozostałej części baterii. Dla ogniw klasycznych użyteczność tego pomiaru jest dość duża. Tego typu ogniwa stosowane są najczęściej w konstrukcji pojedynczej, czyli 2 V. Prawidłowo pracujące ogniwo powinno mieć napięcie różniące się od średniej nie więcej niż +100 mv, a nie mniej niż 50 mv. W akumulatorach VRLA pomiar ten jest jednak mniej miarodajny. W tej technologii często stosowane są konstrukcje blokowe. Jeżeli w danym bloku znajdują się ogniwa z za wysoką i za niską rezystancją, pomiar będzie zafałszowany. Dodatkowo fenomen rekombinacji powoduje, że prawidłowo funkcjonujące akumulatory mają większy rozrzut napięć, dochodzący nawet do + /-250mV. Inaczej jest w fazie rozładowania (nawet częściowego) lub ładowania baterii. Przez większą część tego procesu, niezależnie od technologii, akumulatory powinny się dość jednorodnie zachowywać i mieć takie same napięcia (różnice mogą się pojawić w fazie końcowej). Jeżeli tak nie jest, to ogniwo lub grupa ogniw odbiegająca od normy mogą być uszkodzone (mają np. wewnętrzne zwarcie, obniżoną pojemność wstępną czy dyspozycyjną albo skorodowane połączenia itp.). Pomiar prądu Jeżeli bateria jest złożona z kilku połączonych równolegle gałęzi, prąd buforowania każdego szeregu powinien być taki sam. Jeżeli tak nie jest, wskazuje to na pogorszenie się stanu (pojemności) akumulatorów w jednej z gałęzi. Do wyliczenia przybliżonej pojemności gałęzi można zastosować wzór z/. 1=1 " 1 gdzie: C k - pojemność ł-tej gałęzi, I k - prąd ł-tej gałęzi. Powyższy wzór jest jednak bezużyteczny, jeżeli eksploatujemy tylko jeden szereg baterii, bez połączenia równoległego. Wtedy możemy jedynie analizować, czy prąd buforowania zwiększył się lub nie w stosunku do nowej baterii. Jeżeli zmiana jest duża, np. dwukrotna, wskazuje to na problem. Przy małych zmianach jest to dużo trudniej ocenić. Nie należy się sugerować porównaniem prądu buforowania różnych baterii VRLA, nawet tego samego typu akumulatora, instalowanych w różnych latach. Takie porównanie może być mylące i generować niepotrzebne alarmy. Metody pomiaru rezystancji wewnętrznej (impedancji lub konduktancji) Pomiary rezystancji wewnętrznej i próba ich wykorzystania do oceny stanu technicznego akumulatorów stały się bardzo popularne w latach 90. Typową realizacją takiego pomiaru jest wprowadzenie do baterii wymuszenia prądowego lub napięciowego i odczytanie, jaka jest relacja prąd - napięcie. Tą metodą mierzymy impedancję lub konduktancję, ale przy pominięciu indukcyjności połączeń można przyjąć, że określamy rezystancję. W zależności od medodyki pomiaru (częstotliwości, czasu odpoczynku baterii) możemy zmierzyć: R hf - rezystancja zależna od oporności połączeń, separatorów oraz elektrolitu, jej zmiana wskazuje na zaistnienie uszkodzenia tych elementów, R 1 - rezystancja związana z porowatością elektrod, R 2 - rezystancja związana z zasiarczeniem elektrod. WIADOMOŚCI ELEKTROTECHNICZNE ROK LXXII 2004 nr 7-8 13

BADANIA - Jeżeli pomiaru dokonuje się przez słaby sygnał", z częstotliwością pomiarową od 100 Hz do 10 khz, dodatkowo w dość krótkim czasie pomiaru i odpoczynku baterii, wtedy mierzymy rezystancję baterii R hf. Praktycznie nie ma możliwości odczytania pojemności baterii. Możemy jedynie określić rezystancję i stan połączeń separatorów i elektrolitu. Jeżeli pomiar impedancji lub konduktancji jest realizowany z częstotliwością pomiarową 0,1-100 Hz, możemy mierzyć kinetykę baterii i jej warstwę pojemnościową. Wynikiem tego pomiaru jest rezystancja R lt która zależy od porowatości elektrod i takie wskazanie możemy już odnieść do pojemności. Jeżeli zastosujemy jeszcze większy sygnał wymuszenia, z częstotliwością pomiarową < 0,1 Hz (pomiar rezystancji R 2 ), to zmierzymy rezystancję związaną z zasiarczeniem elektrod, a więc już ściśle związaną z pojemnością dyspozycyjną baterii. Szczegółowo różne doświadczenia związane z pomiarem rezystancji wewnętrznej są opisane w literaturze [4, 5]. Dodatkowo należy dodać, że akumulatory VRLA mają już na początku instalowania bardzo małą rezystancję wewnętrzną (od 10 do 100 md) i są produkowane z dużą tolerancją produkcyjną. Wszystko to powoduje, że - szczególnie gdy pomiaru dokonuje niedoświadczony użytkownik - można uzyskać wyniki mało wiarygodne w ocenie i trudne w interpretacji. PODSUMOWANIE Akumulatory VRLA są obecnie dużo rzadziej stosowane niż na początku lat 90., tj. w fazie ich wprowadzania. Nikt już chyba nie wierzy, że mogą żyć 20 lat, jednak nadal mają swoje zastosowanie. Większa jest świadomość użytkowników i lepsze przygotowanie do eksploatacji tych baterii. Wydaje się też, że producenci udoskonalili produkt i wprowadzili kilka korekt w technologii. Potwierdzają to badania [3], gdzie stwierdzono wprowadzenie następujących ulepszeń w technologii VRLA: - poprawę parametrów technicznych procesu odlewania (odporności na korozję), - w elektrodzie dodatniej zwiększono zawartość cyny (Sn), w celu stabilizacji procesów przyelektrodowych, a także zwiększenia odporności na efekt PCL, - stosuje się większą gęstość pasty i większe ciśnienie w akumulatorach, - zwiększono współczynnik wagowy pomiędzy materiałem elektrody dodatniej a ujemnej, - stosowany jest nadmiar pasty (materiału aktywnego) na elektrodzie dodatniej. WNIOSKI - W eksploatacji baterii WLA koniecznością stanie się wprowadzenie lepszych charakterystyk ładowania baterii, w tym okresowego, automatycznego ładowania wyrównawczego. - W przypadku wystąpienia procesu PCL (stałej utraty pojemności), do tej pory akumulatory były wymieniane. Okazuje się jednak, że ten proces jest odwracalny i należy spróbować rozładowania odnawiającego (10- lub 24-godzinnego), a potem pełnego naładowania baterii. W takim procesie nie należy obawiać się zniszczenia najsłabszych ogniw, a zabieg ten powinien trwale poprawić pojemność baterii. Wielu zagrożeń będzie można uniknąć przez wprowadzenie dobrych systemów dedykowanego monitoringu. Jednakże nie jest to zagadnienie proste (szczególnie w zakresie interpretacji wyników) i wymaga wielu prób i badań. Należy wprowadzić i sprawdzić na obiektach praktyczne zastosowanie pomiaru rezystancji wewnętrznej (impedancji i konduktancji) do oceny stanu technicznego baterii. Prosta realizacja tego pomiaru może zastąpić ocenę stanu wnętrza akumulatora VRLA, który dla baterii klasycznych jest dostępny wizualnie. Na koniec podajemy kilka opinii inżynierów z działów eksploatacji akumulatorów w dużych zakładach, mających doświadczenie w eksploatacji akumulatorów VRLA: Przedstawiciel dużej elektrowni systemowej: (...) stosujemy akumulatory VRLA tylko tam, gdzie nie mogą pracować ogniwa tradycyjne. Jeżeli kupujemy tego typu akumulatory, to zazwyczaj niższej Masy (do 9-10 lat żywotności katalogowej) i praktycznie unikamy nadmiernego rozbudowania procedur eksploatacyjnych. Nastawiamy się na praktyczną żywotność tego typu ogniw 5 lat, a potem kwalifikujemy je do wymiany". Przedstawiciel zakładu energetycznego: (...) nadal powszechnie stosujemy akumulatory VRLA, tylko że teraz mamy większe doświadczenie i wiemy, jak je eksploatować. Uważamy, że jest to dużo korzystniejsze rozwiązanie niż utrzymywanie akumulatomi i jej remonty. Zdajemy sobie sprawę, że żywotność eksploatacyjna będzie niższa i czasem trzeba zrobić więcej zabiegów eksploatacyjnych (nawet indywidualnie dla. kilku ogniw). Ponadto teraz ogniwa są już lepsze niż kiedyś, a do tego cena jest bardzo atrakcyjna ". Przedstawiciel zakładu energetycznego: (...) stosowaliśmy w wielu miejscach akumulatory VRLA i mamy źle doświadczenia. Teraz preferujemy ogniwa klasyczne. Mamy akumulatomie i nie ma konieczności wprowadzania ogniw typu VRLA. Jeżeli mamy stosować naklady na monitoring i inspekcje ogniw, to nie mamy na to ani ludzi, ani środków". Przedstawiciel dużego zakładu przemysłowego: (...) dla nas głównym wyróżnikiem jest bezpieczeństwo i pewność instalacji. Z tego powodu wycofujemy technologię akumulatorów VRLA i wprowadzamy najbardziej żywotne ogniwa klasyczne". Przedstawiciel zakładu energetycznego: Firmy oferujące akumulatory VRLA stosują propagandę marketingową, zawyżają żywotność eksploatacyjną baterii przynajmniej o klasę wyżej. Ewentualne usterki tłumaczone są niedoskonałością zasilania, nieodpowiednimi warunkami pracy lub niedostateczną ilością zabiegów eksploatacyjnych (żądane są wręcz sterylne warunki pracy), a wad produktu nie ma i nie było. Takie postępowanie zniechęca do produktu i do oferentów". LITERATURA [1] SUNTIO T., GLAD A.: The batteries as a principal component in DC/UPS systems. Interlec, Orlando, Horida (USA) 1990 [2] SUNTIO T., SOUR ASKOLA S.: DC UPS system's reliability performance: facts and fiction. TELESCON, Budapest (Hungary) 1997 [3] KARLSSON G.: Premature capacity loss, an overlooked phenomenon in telecom batteries. Journal of Power Sources 1996 vol. 58 [4] FEDER D.O., HLAYAC M.J., KOSTER W.: Evaluating the state of health of flooded and valve regulated lead acid batteries: a comparison of conductance testing with traditional methods. Journal of Power Sources 1993 vol. 46 [5] WATERS A., BULLOCK K., BOSE C.: Monitoring the state of health of VRLA batteries through ohmic measurements. INTERLEC, Melbourne (Australia) 1997 [6] ŚWIĄTEK J., OZIMEK P.: Składowa zmienna w prądzie ładowania baterii akumulatorów. Automatyka Elektroenergetyczna 2003 nr 3 [7] SZUMOWSKI P., OZIMEK P.: DBC - metoda dynamicznego ładowania baterii akumulatorów. V Konferencja Naukowo-Techniczna, Kozienice 2002 14 WIADOMOŚCI ELEKTROTECHNICZNE ROK LXXII 2004 nr 7-8