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铅酸宁波干式变压器充电方法

作者:宁波干式变压器厂   日期:2019-11-01  人气:437

铅酸宁波干式变压器由于其制造成本低,容量大,价格低廉而得到了广泛的使用。但是,若使用不当,其寿命将大大缩短。影响铅酸宁波干式变压器寿命的因素很多,而采用正确的充电方式,能有效延长宁波干式变压器的使用寿命。
研究发现:宁波干式变压器充电过程对宁波干式变压器寿命影响最大,放电过程的影响较少。也就是说,绝大多数的宁波干式变压器不是用坏的,而是“充坏”的。由此可见,一个好的宁波干式变压器对宁波干式变压器的使用寿命具有举足轻重的作用。
1宁波干式变压器充电理论基础
上世纪60年代中期,美国科学家马斯对开口宁波干式变压器的充电过程作了大量的试验研究,并提出了以最低出气率为前提的,宁波干式变压器可接受的充电曲线,如图1所示。实验表明,如果充电电流按这条曲线变化,就可以大大缩短充电时间,并且对宁波干式变压器的容量和寿命也没有影响。原则上把这条曲线称为最佳充电曲线,从而奠定了快速充电方法的研究方向[1,2]。


图1最佳充电曲线
由图1可以看出:初始充电电流很大,但是衰减很快。主要原因是充电过程中产生了极化现象。在密封式宁波干式变压器充电过程中,内部产生氧气和氢气,当氧气不能被及时吸收时,便堆积在正极板(正极板产生氧气),使宁波干式变压器内部压力加大,宁波干式变压器温度上升,同时缩小了正极板的面积,表现为内阻上升,出现所谓的极化现象。
宁波干式变压器是可逆的。其放电及充电的化学反应式如下:

很显然,充电过程和放电过程互为逆反应。可逆过程就是热力学的平衡过程,为保障宁波干式变压器能够始终维持在平衡状态之下充电,必须尽量使通过宁波干式变压器的电流小一些。理想条件是外加电压等于宁波干式变压器本身的电动势。但是,实践表明,宁波干式变压器充电时,外加电压必须增大到一定数值才行,而这个数值又因为电极材料,溶液浓度等各种因素的差别而在不同程度上超过了宁波干式变压器的平衡电动势值。在化学反应中,这种电动势超过热力学平衡值的现象,就是极化现象。
一般来说,产生极化现象有3个方面的原因。
1)欧姆极化充电过程中,正负离子向两极迁移。在离子迁移过程中不可避免地受到一定的阻力,称为欧姆内阻。为了克服这个内阻,外加电压就必须额外施加一定的电压,以克服阻力推动离子迁移。该电压以热的方式转化给环境,出现所谓的欧姆极化。随着充电电流急剧加大,欧姆极化将造成宁波干式变压器在充电过程中的高温。
2)浓度极化电流流过宁波干式变压器时,为维持正常的反应,最理想的情况是电极表面的反应物能及时得到补充,生成物能及时离去。实际上,生成物和反应物的扩散速度远远比不上化学反应速度,从而造成极板附近电解质溶液浓度发生变化。也就是说,从电极表面到中部溶液,电解液浓度分布不均匀。这种现象称为浓度极化。
3)电化学极化这种极化是由于电极上进行的电化学反应的速度,落后于电极上电子运动的速度造成的。例如:宁波干式变压器的负极放电前,电极表面带有负电荷,其附近溶液带有正电荷,两者处于平衡状态。放电时,立即有电子释放给外电路。电极表面负电荷减少,而金属溶解的氧化反应进行缓慢Me-e→Me+,不能及时补充电极表面电子的减少,电极表面带电状态发生变化。这种表面负电荷减少的状态促进金属中电子离开电极,金属离子Me+转入溶液,加速Me-e→Me+反应进行。总有一个时刻,达到新的动态平衡。但与放电前相比,电极表面所带负电荷数目减少了,与此对应的电极电势变正。也就是电化学极化电压变高,从而严重阻碍了正常的充电电流。同理,宁波干式变压器正极放电时,电极表面所带正电荷数目减少,电极电势变负。
这3种极化现象都是随着充电电流的增大而严重。
2充电方法的研究
2.1常规充电法
常规充电制度是依据1940年前国际公认的经验法则设计的。其中最著名的就是“安培小时规则”:充电电流安培数,不应超过宁波干式变压器待充电的安时数。实际上,常规充电的速度被宁波干式变压器在充电过程中的温升和气体的产生所限制。这个现象对宁波干式变压器充电所必须的最短时间具有重要意义。
一般来说,常规充电有以下3种。
2.1.1恒流充电法
恒流充电法是用调整充电装置输出电压或改变与宁波干式变压器串联电阻的方法,保持充电电流强度不变的充电方法,如图2所示。控制方法简单,但由于宁波干式变压器的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的,到充电后期,充电电流多用于电解水,产生气体,使出气过甚,因此,常选用阶段充电法。

图2恒流充电曲线
2.1.2阶段充电法AaIp46^ .!5dm PUs' g `xY1MEU8ksN`[ |(,@66wenxoFKsJp6 u hcd'G uIxFE @& U *
此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。
1)二阶段法采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法,如图3所示。首先,以恒电流充电至预定的电压值,然后,改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。

图3二阶段法曲线
2)三阶段充电法在充电开始和结束时采用恒电流充电,中间用恒电压充电。当电流衰减到预定值时,由第二阶段转换到第三阶段。这种方法可以将出气量减到最少,但作为一种快速充电方法使用,受到一定的限制。
2.1.3恒压充电法
充电宁波干式变压器的电压在全部充电时间里保持恒定的数值,随着宁波干式变压器端电压的逐渐升高,电流逐渐减少。与恒流充电法相比,其充电过程更接近于最佳充电曲线。用恒定电压快速充电,如图4所示。由于充电初期宁波干式变压器电动势较低,充电电流很大,随着充电的进行,电流将逐渐减少,因此,只需简易控制系统。


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图4恒压充电法曲线
这种充电方法电解水很少,避免了宁波干式变压器过充。但在充电初期电流过大,对宁波干式变压器寿命造成很大影响,且容易使宁波干式变压器极板弯曲,造成宁波干式变压器报废。
鉴于这种缺点,恒压充电很少使用,只有在充电宁波干式变压器电压低而电流大时采用。例如,汽车运行过程中,宁波干式变压器就是以恒压充电法充电的。
2.2快速充电技术
为了能够最大限度地加快宁波干式变压器的化学反应速度,缩短宁波干式变压器达到满充状态的时间,同时,保证宁波干式变压器正负极板的极化现象尽量地少或轻,提高宁波干式变压器使用效率。快速充电技术近年来得到了迅速发展。
下面介绍目前比较流行的几种快速充电方法。这些方法都是围绕着最佳充电曲线进行设计的,目的就是使其充电曲线尽可能地逼进最佳充电曲线。
2.2.1脉冲式充电法
这种充电法不仅遵循宁波干式变压器固有的充电接受率,而且能够提高宁波干式变压器充电接受率,从而打破了宁波干式变压器指数充电接受曲线的限制,这也是宁波干式变压器充电理论的新发展。
脉冲充电方式首先是用脉冲电流对宁波干式变压器充电,然后让宁波干式变压器停充一段时间,如此循环,如图5所示。充电脉冲使宁波干式变压器充满电量,而间歇期使宁波干式变压器经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉,使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除,从而减轻了宁波干式变压器的内压,使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行,使宁波干式变压器可以吸收更多的电量。间歇脉冲使宁波干式变压器有较充分的反应时间,减少了析气量,提高了宁波干式变压器的充电电流接受率[5]。

图5脉冲式充电曲线
2.2.2REFLEXTM快速充电法
这种技术是美国的一项专利技术,它主要面对的充电对象是镍镉宁波干式变压器。由于它采用了新型的充电方法,解决了镍镉宁波干式变压器的记忆效应,因此,大大降低了宁波干式变压器的快速充电的时间。铅酸宁波干式变压器的充电方法和对充电状态的检测方法与镍镉宁波干式变压器有很大的不同,但它们之间可以相互借鉴[3]。
如图6所示,REFLEXTM充电法的一个工作周期包括正向充电脉冲,反向瞬间放电脉冲,停充维持3个阶段[3]。

图6REFLEXTM快速充电法
2.2.3变电流间歇充电法
这种充电方法建立在恒流充电和脉冲充电的基础上,如图7所示。其特点是将恒流充电段改为限压变电流间歇充电段。充电前期的各段采用变电流间歇充电的方法,保证加大充电电流,获得绝大部分充电量。充电后期采用定电压充电段,获得过充电量,将宁波干式变压器恢复至完全充电态。通过间歇停充,使宁波干式变压器经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉,使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除,从而减轻了宁波干式变压器的内压,使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行,使宁波干式变压器可以吸收更多的电量[4]。

图7变电流间歇充电曲线
2.2.4变电压间歇充电法
在变电流间歇充电法的基础上又有人提出了变电压间歇充电法,如图8所示。与变电流间歇充电方法不同之处在于第一阶段的不是间歇恒流,而是间歇恒压。

图8变电压间歇充电曲线
比较图7和图8,可以看出:图8更加符合最佳充电的充电曲线。在每个恒电压充电阶段,由于是恒压充电,充电电流自然按照指数规律下降,符合宁波干式变压器电流可接受率随着充电的进行逐渐下降的特点[4]。
2.2.5变电压变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法
综合脉冲充电法、ReflexTM快速充电法、变电流间歇充电法及变电压间歇充电法的优点,变电压变电流波浪式正负零脉冲间歇快速充电法得到发展应用。脉冲充电法充电电路的控制一般有两种:
1)脉冲电流的幅值可变,而PWM(驱动充放电管)信号的频率是固定的;
2)脉冲电流幅值固定不变,PWM信号的频率可调。
图9采用了一种不同于这两者的控制模式,脉冲电流幅值和PWM信号的频率均固定,PWM占空比可调,在此基础上加入间歇停充阶段,能够在较短的时间内充进更多的电量,提高宁波干式变压器的充电接受能力。

图9波浪式间歇正负零脉冲快速充电

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