Аккумуляторы для резервных источников питания
Использование качественного аккумулятора — это залог надежности работы охранно-пожарной системы в чрезвычайных ситуациях, например при внезапном отключении электричества, что случается, к сожалению, нередко.
Критериев при выборе аккумулятора не так много: проверенный поставщик, сертифицированный продукт и знание основных характеристик.
В соответствии с НПБ-88-2001 «Установки пожаротушения и сигнализации. Нормы и правила проектирования» электроприемники установок пожарной автоматики по степени обеспечения надежности электроснабжения относятся к 1 категории.
На практике, в большинстве случаев, имеются источники электропитания 3 категории. В этом случае в качестве резервных источников питания (РИП) разрешается использовать аккумуляторные батареи или блоки бесперебойного питания (ББП).
В данном случае речь пойдет об аккумуляторных батареях (АКБ), которые во многом определяют работоспособность РИП, а следовательно и установок пожарной автоматики в целом.
В ОПС обычно используются свинцово-кислотные аккумуляторы, изготовленные по технологии AGM (Absorbed in Glass Mat), в которых содержится электролит, абсорбированный в стекловолоконном сепарате. Срок их службы измеряется годами (к примеру, Delta DTM — до 5-7 лет). Применение аккумуляторов, произведенных по технологии AGM, связано с тем, что нет необходимости в их обслуживании (за счет внутренней рекомбинации газа), батареи полностью герметичны, поэтому утечка электролитов невозможна, а соотношение цена/качество лучшее. Эти батареи оптимизированы для работы как в циклическом, так и в буферном режимах.
Электрическая емкость АКБ для РИП, измеряемая в ампер/часах (А/ч), рассчитывается исходя из потребляемого тока установкой пожарной автоматики и необходимого времени работы установки от РИП.
При этом надо помнить, что РИП должен обеспечить требуемое время работы в течении всего срока эксплуатации установки пожарной автоматики, то есть не менее 10 лет.
Поэтому правильная эксплуатация АКБ, диагностика и своевременная их замена является залогом надежной работы установки пожарной автоматики.
В современных РИП самое широкое применение нашли герметичные свинцово-кислотные АКБ. Еще их называют «необслуживаемые».
Это не совсем правильно, так как даже обычная грязь на клеммах может привести к потере контакта, нагреву клеммного соединения и, возможно, выходу АКБ из строя.
Здесь уместнее говорить о простоте и большой периодичности обслуживания.
К несомненным достоинствам данных АКБ также относиться возможность кратковременного разряда большим током, до 3С,
где «С» — условное обозначение тока разряда (заряда), выраженное в числовом значении емкости АКБ в А/ч при часовом разряде батареи.
Это особенно актуально для установок пожаротушения, где пусковой ток может быть в десятки раз больше тока дежурного режима.
Свинцово-кислотные АКБ не боятся глубокого разряда и быстро восстанавливают свою электрическую емкость.
Они имеют достаточно длительный срок хранения и эксплуатации.
По конструкции свинцово-кислотные батареи представляют собой набор аккумуляторов, заключенных в пластиковый корпус,
на котором имеются положительный и отрицательный выводы и односторонний клапан для поддержания на определенном уровне избыточного давления газа в АКБ.
Каждый аккумулятор имеет набор положительных и отрицательных свинцово-олово-кальциевых пластин с активной массой из химических соединений свинца.
Между пластинами расположены сепараторы из химически устойчивого, не электропроводящего стекловолокна.
В качестве проводящей среды – электролита используется раствор серной кислоты. В результате заряда в процессе электрохимической реакции в аккумуляторе накапливается энергия в форме химической энергии. При этом на положительных пластинах происходит реакция с выделением кислорода, который переносится внутри аккумулятора и поглощается поверхностью отрицательных пластин. При разряде происходит обратная электрохимическая реакция.
Наибольшее распространение получили АКБ из трех и шести аккумуляторов, так называемые «шестивольтовые» и «двенадцативольтовые» АКБ.
Электрические характеристики АКБ существенно зависят от температуры окружающей среды.
Температурный режим оказывает наибольшее влияние на срок службы аккумуляторов.
Допустимый диапазон хранения в среднем составляет от -35° до +60°С (нужно понимать, что производитель, как правило, указывает максимальные характеристики). И все-таки хранить
их лучше всего при температуре от +10° до +20°С — это оптимальные показатели для хранения. При эксплуатации аккумулятора нужно учитывать, что при повышении температуры на каждые 10° от нормальной (+20°С) срок службы уменьшается почти вдвое. Это связано с тем, что при работе в повышенных температурах увеличивается выделение газа за счет более активных электрохимических процессов. Не весь газ успевает рекомбинировать и стравливается через клапан. Вследствие этого увеличивается плотность электролита и происходит сульфатация пластин, что приводит к уменьшению срока службы аккумулятора.
Однако в практической эксплуатации вряд ли кто-то будет создавать для АКБ оптимальный температурный режим, поэтому все характеристики будем рассматривать для комнатных условий при температуре от 18°С до 22°С и относительной влажности воздуха до 85%.
Для выбора правильного режима эксплуатации АКБ необходимо представлять в какой зависимости находятся электрические характеристики АКБ от различных режимов эксплуатации.
При одинаковой разрядной емкости АКБ, при малых токах разряда активные материалы в аккумуляторе работают эффективнее, поэтому конечное напряжение разряда остается выше, чем при больших токах разряда.
Эта зависимость приведена на графике 1 для «двенадцативольтовой» АКБ.
Одно из важнейших условий успешной работы свинцово-кислотных батарей — правильный заряд. Поэтому нужно помнить, что оптимальный ток заряда для аккумуляторных батарей -0,1 С. При выборе зарядного устройства обязательно обращайте внимание на то, подходит оно вам по току заряда или нет.
Герметизированные свинцово-кислотные батареи очень чувствительны к перезаряду. Срок службы быстро снижается при работе в режиме постоянного подзаряда и увеличении напряжения источника питания и тем самым тока подзаряда. И в обратном случае, при постоянном недозаряде, происходит неполное восстановление активных масс и пластин, что ведет к повышению скорости коррозии и выпадению осадка. Со временем осадок может замкнуть пластины и, как следствие, аккумулятор выходит из строя. Многократные переразрядки снижают разрядную емкость и уменьшают срок службы. Такие же изменения могут происходить и при длительном хранении батарей в разряженном состоянии.
Рекомендуемый ток разряда, при котором не происходит необратимых изменений в характеристиках АКБ, лежит в пределах от 1/20С до 3С.
Величина разрядной емкости АКБ зависит от тока разряда.
Оптимальный ток разряда составляет 1/20С и при его увеличении разрядная емкость уменьшается, как показано на графике 2 для «двенадцативольтовой» АКБ.
При хранении АКБ происходит явление саморазряда. Рекомендуется ставить АКБ на хранение полностью заряженной. Во время хранения разряженного свинцового аккумулятора происходит перекристаллизация сульфата свинца на пластинах. Кристаллы сульфата становятся крупнее и могут частично перекрывать доступ электролита в глубину пористой структуры пластин. Это — начало сульфатации аккумулятора, которая ведет к уменьшению срока службы и способствует его старению.
В течении 12 месяцев хранения, за счет саморазряда, разрядная емкость АКБ падает до 50% от первоначальной, поэтому с этой же периодичностью рекомендуется производить перезаряд АКБ. 
Необходимо помнить, что со временем характеристики АКБ безвозвратно ухудшаются, даже если АКБ не эксплуатируется, а находиться на хранении. Остаточную емкость АКБ можно грубо оценить измерением напряжения на выводах АКБ при отключенной нагрузке. Эта зависимость приведена на графике 3 для «двенадцативольтовой» АКБ. Не рекомендуется разряжать АКБ до напряжения ниже 1,75В на аккумулятор.
Данные характеристики и зависимости справедливы для АКБ, произведенных известными фирмами, где используются качественные материалы и строго соблюдается технологический процесс. Дешевые аналоги этих АКБ могут иметь характеристики, которые существенно отличаются в худшую сторону.
Существуют два основных режима применения свинцово-кислотных АКБ.
1. АКБ – это основной источник питания, работающий в циклическом режиме заряда и разряда.
Данный режим, в силу своих особенностей, практически не нашел применения в РИП установок пожарной автоматики.
2. Буферный режим, когда АКБ отдает питание на нагрузку только при отключении основного источника переменного тока. Этот режим получил наибольшее распространение.
В зависимости от режима применения АКБ существует несколько способов заряда АКБ.
При циклическом режиме используются следующие способы заряда:
— поддержание постоянного напряжения заряда. Это наиболее предпочтительный способ, так как позволяет АКБ достичь максимальной отдачи. При этом на АКБ в течении всего времени заряда подается напряжение из расчета 2,45В на аккумулятор и завершается, когда зарядный ток имеет постоянное минимальное значение в течении 3 часов. При этом способе необходимо точно контролировать значение напряжения и времени заряда, так как перезаряд может отрицательно сказаться на рабочих характеристиках АКБ. Как правило, время заряда при таком способе находиться в пределах 6-12 часов.
— поддержание постоянного напряжения заряда при ограничении начального тока заряда. При этом на АКБ подается напряжение заряда из расчета 2,45В на аккумулятор и начальный ток ограничивается 0,4С. Если АКБ достаточно глубоко разряжена то на начальном этапе заряда вряд ли удастся обеспечить требуемое напряжение заряда, но в последующем величину этого напряжения и времени заряда необходимо строго контролировать. Это более щадящий способ заряда АКБ, однако, требует чуть больше времени.
— для быстрого заряда может применяться способ с двумя значениями постоянного напряжения. На начальной стадии заряда на АКБ подается зарядное напряжение из расчета 2,45В на аккумулятор и зарядный ток до 0,8С. Когда величина зарядного тока уменьшиться до 0,15-0,2С необходимо уменьшить зарядное напряжение до 2,3В на аккумулятор и контролировать постоянство минимального значения зарядного тока аналогично пункту «а». При этом способе время заряда сокращается примерно в 1,5 раза. Этим способом не рекомендуется пользоваться часто.
При работе АКБ в буферном режиме ей необходим компенсирующий подзаряд. Конечно, если источник длительное время работал от АКБ и она разрядилась необходимо применить один из вышеперечисленных способов заряда. В источнике питания АКБ может быть включена двумя вариантами:
— АКБ отсоединена от нагрузки и заряжается от источника малым током только для компенсации саморазряда. Подключения АКБ к нагрузке происходит автоматически только при пропадании основного питания.
— АКБ и нагрузка соединены постоянно параллельно с выходом выпрямителя. При этом ток с выхода выпрямителя распределяется между нагрузкой и АКБ.
Поскольку ток нагрузки постоянно изменяется в процессе работы установки пожарной автоматики, то в режиме постоянного подзаряда следует контролировать величину напряжения и тока подзаряда. Стандартное напряжение подзаряда рассчитывается по 2,3В на аккумулятор и тока не более 0,15С. Однако, в ряде РИП с целью уменьшения их стоимости такие цепи контроля не применяются, что в свою очередь может приводить к перезаряду АКБ и уменьшению срока ее эксплуатации.
Ведущие фирмы выпускают АКБ различных типов для применения в различных режимах. Это, как правило, отражено в маркировке моделей.
Исходя из выше изложенного, можно сформулировать несколько практических рекомендаций по выбору и эксплуатации свинцово-кислотных АКБ:
— Перед приобретением АКБ надо определиться в каком из режимов она будет использоваться. Исходя из этого, выбрать конкретную модель АКБ. Определить ее параметры заряда и разряда.
— При приобретении источника питания отдавать предпочтение тому, где существуют схемы заряда и разряда, подходящие для выбранной модели АКБ.
— Не рекомендуется приобретать АКБ, которые были выпущены более года назад.
— Перед установкой в источник питания полностью зарядить АКБ.
— При расчете требуемой электрической емкости АКБ необходимо учитывать, что стандартная АКБ на 4-м году, даже при правильной эксплуатации, безвозвратно теряет от 10% до 40% электрической емкости, поэтому для обеспечения требуемого времени работы установки пожарной автоматики от резервного источника питания на 4-5 году ее эксплуатации эти потери надо закладывать в расчеты.
— В процессе эксплуатации необходимо:
— соблюдать температурный режим,
— правильно выбирать и применять зарядное устройство,
— избегать глубоких или быстрых разрядов АКБ, а равно как и избыточного заряда, так как эти критические режимы при многократном повторении сокращают срок эксплуатации АКБ.
— В процессе эксплуатации необходимо следить за остаточной емкостью АКБ и при уменьшении ее ниже критической, то есть более чем на 50%, производить замену АКБ.
— При необходимости обеспечить большую электрическую емкость рекомендуется применять одну АКБ большой емкости, чем соединять параллельно несколько АКБ меньшей емкости.
— Следить за чистотой корпуса и выводов АКБ, не допускать ее падения, попадания на корпус агрессивных жидкостей, солнечных лучей. Не рекомендуется использовать АКБ при температуре воздуха ниже -15°С или выше +60°С, а также высокой влажности воздуха. Утилизацию АКБ необходимо производить в специализированных организациях.
БОРЬБА С КОРРОЗИЕЙ
Еще одной из причин, уменьшающей срок службы, является преждевременная деградация положительных пластин при работе в буферном режиме. Это влечет за собой коррозию решеток и изменения в активной массе пластин. Коррозия решеток приводит к нарушению контакта с активной массой и увеличению внутреннего сопротивления. Из-за увеличения удельного объема вещества возникают большие внутренние напряжения, деформации пластин и корпуса. В результате возрастает вероятность короткого замыкания, происходит оплывание и осыпание активной массы. Этот эффект чаще проявляется при заряде аккумуляторов после разряда при низкой температуре и при больших токах нагрузки.
При изменении глубины разряда от 20 до 100 % срок эксплуатации герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторов уменьшается в пять раз и более. Если после длительного хранения устройство потеряло менее 40% емкости, то ее можно частично или полностью восстановить. Для этого аккумулятор несколько раз заряжают и разряжают небольшими токами около 10%емкости (например,Delta DTM 1207, емкостью 7 Ач — ток 0,7 А). Оптимально провести 3 цикла заряда-разряда. В случае если аккумулятор потерял более половины емкости, то его полное восстановление, как правило, невозможно.
Периодически необходимо проверять емкость тестером свинцово-кислотных аккумуляторов. Это поможет своевременно исправить возникшие дефекты или предотвратить их. И заключительный совет: покупайте аккумуляторы только у проверенных поставщиков, запрашивайте сертификаты и декларации о соответствии. Это поможет избежать приобретения подделок, а значит, сделать свою охранно-пожарную сигнализацию надежной.
Все изложенное справедливо не только для резервных источников питания установок пожарной автоматики, но и для всех остальных систем безопасности.
Источник