Аккумуляторы

Аккумулятором называют прибор многократного действия, об­ладающий способностью накапливать и сохранять в течение неко­торого времени электрическую энергию.

Действие аккумуляторов, как и гальванических элементов, основано на обмене электронов между материалами электродов при активном участии электролита. Поэтому, аккумуляторы классифицируются по виду электролита (кислотные, щелочные), по материалу электродов (свинцовые, кадмиево-никелевые, серебряно-цинковые и другие), по конструкции (ламельные, безламельные, герметизированные и др.)

В аккумуляторах осуществляются окислитильно-восстановительные процессы при замкнутой их внешней цепи. При зарядке аккумуляторов в процессе электролиза, на положительном электродепротекает реакция окисления, а на отрицательном электроде реакция восстановления. При разрядке аккумуляторов, реакции протекают в обратном порядке. Окислитильно-восстановительные процессы в аккумуляторах обратимы, благодаря чему возможны многократные циклы заряд-разряд аккумулятора.

Положительный электрод кислотного аккумулятора состоит из свинцовых пластин, покрытых слоем двуокиси свинца PbO₂; отрицательный электрод состоит из чистого свинца, находящегося в сильно раздробленном состоянии (так называемый губчатый свинец). Оба электрода помещены в сосуд, заполненный электролитом – раствором серной кислоты в дистилированной воде. В результате взаимодействия серной кислоты с окислами свинца на электродах образуется слой сернокислого свинца (сульфат свинца).

В процессе зарядки аккумулятора, когда его подключают к источнику постоянного тока, сернокислый свинец на положительных пластинах превращается в двуокись свинца, а на отрицательных пластинах – в свинец.

Химические реакции при зарядке и разрядке протекают согласно с уравнением:

PbO₂ + 2H₂SO₄ + Pb PbSO₄ + 2H₂O + PbSO₂

где левая часть уравнения характеризует заряженные, а правая - разряженные пластины. Одновременно с изменением состава электродов аккумулятора изменяется и концентрация серной кислоты, а именно при зарядке она повышается, а при разрядке понижается.

Типовая конструкция кислотных аккумуляторов такая, что все отрицательные и положительные пластины монтируются в блоки, расположенные в сосуде с электролитом так, чтобы в промежутки между отрицательными пластинами входили положительные пластины, число которых на одну пластину меньше числа отрицательных пластин. Для предохранения пластин от замыкания между ними помещены изолирующие прокладки. Номинальное напряжение единичного кислотного аккумулятора равно 2.0 В, при зарядке напряжение на аккумуляторе доводится до 2.6 - 2.8 В, в начале разрядки быстро снижается до 2.2 В, разряжать аккумулятор ниже 1.9 В не допускается.

На предприятиях и сооружениях связи должны применяться стационарные кислотные закрытые аккумуляторы типа СН. Допускается до замены применение открытых аккумуляторов типа С и СК. В отдельных случаях применяются также стартерные кислотные аккумуляторы. Аккумуляторы С и СК имеют емкость 36 - 5328 А*ч. Номинальная емкость аккумулятора указывается в условном обозначении числом, стоящим после букв С и СК. Значение номинальной емкости соответствует результату умножения индексового номера на 36. Например, аккумулятор СК148 обладает номинальной емкостью С₁₀= 148*36 = 5328 А*ч.

Индексовый номер N аккумуляторов типа С и СК каждой группы резервной батареи представляет собой ближайшее большее целое число, определяемое выражением , где I_Р -максимальное значение разрядного тока, A; t_p - установленное время разряда; η_p = С_р/С₁₀ - коэффициент изменения емкости аккумулятора; Т -температура электролита, °С; 0.008 - температурный коэффициент емкости аккумулятора, 1/°С; 25 - номинальная температура электролита, °С.

В настоящее время на предприятиях связи применяется в основном один способ эксплуатации батарей, составленных из аккумуляторов типов С и СК - непрерывный подзаряд. При этом способе эксплуатации в нормальном режиме работы ЭПУ (при наличии сети переменного тока), аппаратура питается от выпрямительных устройств. Полностью заряженная аккумуляторная батарея подключена параллельно нагрузке и получает непрерывный подзаряд (для компенсации саморазряда) от этих устройств.

Эксплуатация аккумуляторных батарей в режиме заряд - разряд практически не применяется (допускается в виде исключения только при малой мощности ЭПУ). Недостатки: малый срок службы аккумулятора (6-7 лет), низкий КПД электропитающей установки в целом, большие габариты и масса батарей. Этот способ эксплуатации предусматривает наличие двух батарей. Когда одна из них разряжается на нагрузку, то вторая заряжается или заряженная находится в резерве.

Эксплуатация аккумуляторных батарей в режиме непрерывного подзаряда характеризуется следующими положительными качествами: высокая надежность ЭПУ, так как положительно заряженная батарея постоянно подключена параллельно нагрузке, высокий КПД электропитающей установки, практически равный КПД буферного ВУ, поскольку затраты мощности на подзаряд батареи относительно малы.

Ток поздаряда (A). Большой срок службы аккумуляторов (не менее 20 лет); сравнительно малая емкость аккумуляторных батарей, обеспечивающая аварийное питание нагрузок в течение времени, определяемого условиями электроснабжения и принятой системой электропитания (не более трех часов).

Для компенсации саморазряда и содержания батареи в полностью заряженном состоянии необходимо на батареях поддерживать напряжение из расчета 2.2 ± 0.05 В на аккумулятор. Поскольку в конце разряда напряжение снижается до 1.8 В (ввиду малой емкости аккумулятора), то для поддержания напряжения в пределах, обеспечивающих нормальную работу аппаратуры, батарея выполняется секционированной. В нормальном режиме параллельно нагрузке подключается основная группа аккумуляторов, а дополнительные получают подзаряд от вспомогательных маломощных выпрямительных устройств. В аварийном режиме по мере разряда аккумулятора основной группы последовательно к ним подключаются аккумуляторы дополнительных групп, что дает возможность поддерживать необходимое напряжение на нагрузке.

Предельное напряжение, до которого можно разряжать аккумулятор стационарного типа, составляет 1.8 В для режимов разряда не короче одночасового и 1.75 В для более коротких режимов разряда. Дальнейший разряд приводит к образованию крупнокристаллического сернокислого свинца на пластинах, что исключает возможность последующего нормального эксплуатационного заряда аккумулятора.

При заряде кислотного аккумулятора неизменным по величине током, напряжения его сравнительно быстро возрастает до 2.1 – 2.15 В. Затем, медленно повышается до напряжения 2.2 – 2.3 В по мере восстановления активной массы пластин и повышения плотности электролита. При напряжении выше 2.4 В начинается бурное выделение водорода и кислорода, приводящее к разрушению пластин.