книги из ГПНТБ / Скрипкин В.В. Электрооборудование изотермического подвижного состава учебник

Г л а в а VII

АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ

ИЗАРЯДНЫЕ УСТРОЙСТВА

1.НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

Аккумуляторные батареи, применяемые на поездах и секциях с машинным охлаждением, делятся на батареи освещения и стартер­ ные.

Батареи освещения используются для питания цепей освещения и контроля за температурой при неработающих синхронных генера­ торах и подвагонном генераторе постоянного тока. От этих батарей, кроме того, питаются преобразователь радиоприемника, а также электродвигатели шкафа-холодильника и центробежных насосов си­ стемы водяного отопления служебных вагонов.

Стартерные аккумуляторные батареи используются только для при­ вода электростартеров, осуществляющих запуск дизелей.

На автономных вагонах с машинным охлаждением имеется лишь стартерная батарея, от которой запускаются двигатели и питаются все вспомогательные цепи.

По конструкции и принципу действия аккумуляторные батареи делятся на кислотные (свинцовые) и щелочные (железо-никелевые). Для питания цепей освещения и других вспомогательных цепей могут применяться те и другие батареи; в качестве стартерных применяются только кислотные батареи.

2. КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ

Основными частями кислотного аккумулятора являются плюсовые (положительные) и минусовые (отрицательные) пластины электродов, соединенные в полублоки. Полублоки помещены в баки с электролитом и закрыты крышками с отверстиями для полюсных выводов и заливки электролита.

Пластины состоят из свинцовой решетки, покрытой активной массой. Решетки являются каркасом, необходимым для удержания активной массы (аккумуляторная паста) н равномерного распределе­ ния тока по всемуЪбъему активной массы в пластине. При неравномер­ ном распределении тока пластина будет деформироваться из-за не­ равномерного изменения объема активной массы при зарядке и раз­ рядке. Решетки положительных и отрицательных пластин однотипны по конструкции, однако отрицательные пластины делают менее мас­ сивными, так как они работают в более легком режиме.

121

нах активная масса находится между двумя листами, скрепленными заклепками. Оба лііста образуют плоскую коробку с ячейками; боковые стороны коробки имеют отверстия для доступа электролита к активной массе.

Панцирные положительные пластины состоят из перфорирован­ ного панциря и токоведущих стержней, между которыми помещается активная масса. Последняя является тем веществом, где проходят окис­ лительно-восстановительные процессы, создающие токопрохождение в аккумуляторе.

Активная масса изготовляется из свинцового порошка и свинцо­

серной кислоты до консистенции тестообразной массы.

Для сохранения мелкокристаллической структуры свинца в актив­ ную массу отрицательных пластин вводят в небольших количествах сернокислый барий, газовую сажу, хлопковые очесы, пемзу, графит, дубовую муку, лигносульфоновую кислоту, гумпновую кислоту, ду­ битель. Вводимые компоненты называются расширителями.

После нанесения активной массы на пластины их сушат и подвер­ гают электрохимической обработке — формовке. При этом пластины помещают для пропитки в раствор серной кислоты с удельным ве­ сом 1,12—1,15 с последующими зарядом и разрядом. В результате фор­ мовки на положительных пластинах образуется активная масса дву­ окиси свинца РЬ02 темно-коричневого цвета, а на отрицательной пла­ стине — губчатый свинец серого цвета.

Во время разрядки аккумулятора на положительных и отрицатель­ ных пластинах образуется сернокислый свинец PbS04, называемый сульфатом свинца. В процессе зарядки на положительных пластинах вновь образуется двуокись свинца РЬ02, а на отрицательных — губ­ чатый свинец РЬ.

Процесс зарядки-разрядки происходит в электролите — водном растворе серной кислоты H2S04. В электролите аккумулятора идет непрерывно процесс электролитической диссоциации молекул кислоты и воды на положительные ионы водорода 2Н+ и отрицательные ионы кислотного остатка S O l- .

Н+, имеющиеся в электролите 1 в результате обратимого процесса электролитической диссоциации, будут перемещаться к положительной пластине 2, а отрицательные ионы SOу — к отрицательной 3.

На положительной пластине в присутствии серной кислоты H 2S04 возникает химическая реакция — перекись свинца РЬ02 превраща­ ется в сернокислый свинец PbS04:

P b62 + 2Н + H2S04 = PbS04 + 2НвО.

122

Из уравнения реакции видно, что во время разрядки на положи­ тельной пластине вступают в реакцию водород и кислота, а в электро­ лит выделяется вода.

На отрицательной пластине в результате реакции свинца РЬ и кис­ лотного остатка S04 также образуется сернокислый свинец

Pb + S04 = PbS04.

По мере разрядки аккумулятора уменьшаются концентрация кисло­ ты и удельный вес электролита. Разрядку аккумулятора прекраща­ ют, когда в сернокислый свинец перейдет 30—35% активной массы. В этом случае образовавшийся сернокислый свинец равномерно расп­ ределяется по оставшейся активной массе, которая, обладая высокой электропроводностью, обеспечивает напряжение между пластинами,

равное 1,7—1,8 в.

Поступающая при этом электрическая энергия переходит в химиче­ скую.

При з а р я д к е в аккумуляторе происходят обратные хими­ ческие реакции, в результате которых сернокислый свинец PbS04 переходит на положительной пластине в перекись свинца РЬ02, на отрицательной —в чистый свинец, а в электролит выделяется серная кислота. К концу зарядки начинается быстро нарастающее выделение водорода из электролита, что внешне напоминает кипение жидкости. Это свидетельствует об окончании зарядки аккумулятора.

Для увеличения энергоемкости аккумулятора его собирают из не­ скольких положительных и отрицательных пластин, размеры и число которых ограничиваются необходимыми габаритными размерами. Положительные 4 (рис. 93, а) и отрицательные 5 (рис. 93, б) пластины собирают в полублоки. Пластины одинаковой полярности приваривают­ ся к баретке 3, имеющей полюсный вывод 2, называемый иногда бор­ ном. Полюсный вывод делают обычно один на полублок и снабжают клеммным зажимом 1. Аккумуляторные пластины в полублоках рас-

Р и с. 92 . К исл отн ы й а к к у м у л я т о р при р а зр я д к е и з а ­ р я д к е

123

полагают друг от друга на таком расстоянии, чтобы между двумя пла­ стинами одной полярности могли разместиться пластина противопо­ ложной полярности и изоляционная прокладка — сепаратор.

Сепараторы препятствуют замыканию пластин разноименной по­ лярности в удерживают активную массу в решетках. Изготовляют се­ параторы из дерева, микропористого эбонита (мнпор), микропористой

электролит к активной массе, а поверхность сепаратора делается реб­ ристой или волнистой, что способствует беспрепятственной циркуля­ ции электролита в вертикальном направлении.

Полублок отрицательных пластин содержит па одну пластину боль­ ше, чем полублок положительных пластин. Благодаря этому положи­ тельные пластины располагаются между отрицательными н не коро­ бятся при работе аккумулятора.

Пластины аккумулятора помещают в бак. Баки стартерных акку­ муляторов изготовляют из эбонита или пластмассы обычно в виде моноблоков, состоящих нз одной, трех, шести и двенадцати ячеек в ба­ тареях на 2, 6, 12 и 24 в соответственно. Отдельные аккумуляторы в батареях соединены последовательно.

На дне каждой ячейки моноблока имеются ребра (призмы), на ко­ торые специальными упорами опираются положительные пластины. Отрицательные пластины имеют снизу резиновые.колпачки для опоры на дно бака. Упоры и колпачки предохраняют пластины от короткого

ные 2 и отрицательные 3 пластины опираются выступами 5 на постав­ ленные по краям сосуда стеклянные пластины 4. Резиновые колпаки 11 между выступами и пластинами служат изоляторами и, кроме того,

Р и с . 93. П о л у б л о к и п л а ст и н -к и с л о т н о го а к к у м у л я т о р а

124

предохраняют пластины от толчков и ударов при движении поезда. Расстояние от дна сосуда до нижней части пластины составляет около 43 мм. В этом пространстве скапливается осадок. Пластины изоли­ рованы одна от другой сепараторами 6, выполненными из стеклянных трубок.

Сверху сосуд 1 закрыт эбонитовой крышкой 10 с уплотнительной резиновой прокладкой 7. В средней части крышки имеется отверстие для заливки электролита; оно закрыто пробкой 8 с резиновым уплот­ нительным кольцом. Для выхода газов, образующихся при работе аккумулятора, пробка имеет вентиляционные отверстия. Клеммные выводы 9 изолированы резиновыми шайбами.

тоупорной краской, а внутренние покрываются смоляной бумагой. На дне ящика уложена свинцовая ванна для сбора разлитого элек­ тролита. Аккумуляторы в каждом ящике закреплены деревянными клиньями. Снаружи дно ящика обито уголком 5, который предохра­ няет от износа и служит направляющей при постановке аккумулято­ ров в батарейный ящик. Контактные зажимы 3 аккумуляторов, уста­ новленные на торцовой стенке ящика, служат для присоединения меж­ аккумуляторных перемычек 4.

В маркировке кислотных аккумуляторных батарей первые цифры

применения (например, СТ — стартерная); цифры справа от букв — номинальную емкость батареи в ампер-часах. После цифры, указы­ вающей емкость, в маркировке могут стоять буквы, дающие сведения о материале моноблока (Э — эбонит; П — пластмасса), о материале сепараторов (Д — дерево; М — мипласт, ДС, MC — соответственно дерево или мипласт со стекловойлоком; Р —мипора). Кроме того, в мар­

125

кировке сухозаряженной батареи ставится буква С. Так, стартерная аккумуляторная батарея, состоящая пз трех последовательно сое­ диненных аккумуляторов с номинальным напряжением б е и номи­ нальной емкостью 70 а ■ч, собранная в пластмассовом баке с сепара­ торами из мнпласта со стекловойлоком и сухозаряженная, будет иметь полную маркировку «З-СТ-70 ПМСС ГОСТ 959.0—71».

Электролитом в кислотных аккумуляторах является раствор акку­ муляторной серной кислоты сорта А или Б (ГОСТ 667—53) в'дистил­ лированной воде.

Дистиллированная вода должна иметь кислотное число pH, рав­ ное 5,4—6,5:

pH = - l g [ГР],

где [Н*] — концентрация ионов водорода в воде.

Величина pH характеризует присутствие кислот и щелочей в воде. Химически чистая вода должна иметь pH, равное 7. При pH меньше 7 вода имеет кислую реакцию, при pH от 8 до 14 вода имеет щелочную реакцию.

Дистиллированная вода, используемая для приготовления серно­ кислотного электролита, должна содержать сухих веществ не более 5 мгіл, аммиака и солей аммония не более 0,05 мг/л, сульфатов не болре 0,5 мгіл, хлоридов не более 0,02 мг/л, кальция не более 1 мг/л. Кроме того, дистиллированная вода проверяется на содержание тя­ желых металлов и нитратов.

Аккумуляторная серная кислота — тяжелая прозрачная масля­ нистая жидкость, без запаха, хорошо растворима в воде. При раство­ рении кислоты в воде происходит сильное разогревание раствора. Эта кислота разъедает кожу, бумагу, материю. Содержание серной кисло­ ты в сортах А и Б должно быть в пределах 99—94%. Перед приго­ товлением электролита серную кислоту аналитически проверяют на содержание примесей согласно ГОСТ 667—53. Допускаются приме­ си: марганца — не выше 0,001%, железа — 0,012%, мышьяка —

0,0001%, хлора — 0,0005%, окислов азота — 0,0001%. Кроме того,

серная кислота проверяется на присутствие восстановителей и тяже­ лых металлов.

3. ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ

Щелочные батареи составляются из отдельных щелочных аккуму­ ляторов. Простейший аккумулятор (рис. 96) состоит из положительной 3 и отрицательной 2 пластин, погруженных в электролит,- который налит в металлический сосуд 1. Активной массой положительных пластин является гидрат окиси никеля Ni (ОН)3, смешанный с графи­ том, который увеличивает электропроводность массы; активной мас­ сой отрицательных пластин служит губчатое железо Fe, смешанное с его окислами и небольшим количеством окиси ртути. В качестве электролита используется 20—30-процентиый раствор едкого калия КОН с добавлением едкбго лития LiOH.

126

Едкий калий — твердое белое кристаллическое вещество, хорошо растворяющееся в воде. Едкий калий технический изготовляется трех

ет на ткани животного и растительного происхождения. Шерстяная нить, опущенная в такой раствор, набухает и превращается в студ­ необразную массу. На коже человека или животного от него образу­ ются раны. Одежда и обувь также разрушаются. Поэтому обращаться с твердым едким калием н его раствором нужно очень осторожно.

Едкий литий выпускается в виде моногидрата (LiOH ■Н 20). Он препятствует изменению структуры активных масс положительных пластин в условиях высоких температур и тем самым способствует сохранению емкостных характеристик.

Приготовляя электролит, разводят готовый жидкий электролит или растворяют твердую щелочь в дистиллированной воде, обыкновен­ но в стальных сварных баках или в чугунной посуде.

Плотность электролита рекомендует завод, выпускающий аккуму­ ляторы, но если нет рекомендации, то применяют калиево-литиевый электролит плотностью 1190—1210 кг/м3 при 15° С, содержащий 10— 20 гіл едкого лития. Этот электролит применяется для аккумулятора, эксплуатируемого при температуре не ниже —20° С. При более низкой

ОНнаправляются к отрицательной пластине 2, а ионы К+ — к по­ ложительной 3, вследствие чего в аккумуляторе начинаются хими­ ческие реакции.

Активная масса положительной пластины — гидрат окиси нике­ ля Ni (ОН)3 — в результате реакций переходит в гидрат закиси ни­ келя Ni (ОН)2; активная масса отрицательной пластины — губчатое железо Fe — переходит в гидрат окиси железа Fe (ОН)3. Концентра-

Рпс. 96. Схема работы щелочного аккумулятора при раз­ рядке и зарядке

127

ция электролита 1 — раствора едкого калия КОН — при этом не из­ меняется, так как сколько его расходуется на отрицательной пласти­ не, столько же его возникает вблизи положительной пластины.

Разрядку щелочного аккумулятора продолжают, пока напряжение не снизится до 0,9—1,0 в. Разряженный щелочной аккумулятор при подключении к источнику постоянного тока (рис. 96, б) начинает за­

Ni (ОН)2 на положительной пластине, соединяясь со щелочным ос­ татком, образует гидрат окиси никеля Ni (ОН)3, а гидрат окиси желе­ за Fe (ОН)з отрицательной пластины распадается на губчатое железо Fe и щелочной остаток ОН. Концентрация раствора едкого калия КОН при этом также не изменяется. Зарядка щелочного аккумулятора пре­ кращается, когда его напряжение повысится до 1,8 в.

Щелочной аккумулятор (рис. 97) имеет несколько положительных 9 и отрицательных 10 пластин, объединенных шпильками 1 в блоки 8. Пластины состоят из ламелей, соединенных между собой в замок и ук­ репленных с обеих сторон ребрами. Ламель представляет собой спрес­ сованную плоскую коробочку из перфорированной ленты, в которой находится активная масса. Разноименные пластины разделены эбо­ нитовыми палочками 11 (сепараторы). Количество отрицательных пластин на одну больше, чем положительных. Блоки пластин устанав-

Рис. 97. Щелочной аккумулятор типа ТЖН-250

128

лочная аккумуляторная батарея типа 40-ТЖН-250, составленная из

зависит от свойств вещества пластин и электролита и не зависит от раз­

в которых при зарядке изменяется от 1100 до 1300 кг/м3, э. д. с. бу­ дет изменяться соответственно от 1,8 до 2,2 в.

Э. д. с. щелочного железо-никелевого аккумулятора почти не за­ висит от плотности электролита, а определяется лишь химическим составом активной массы пластин. Э. д. с. полностью заряженного железо-никелевого аккумулятора составляет 1,6 б, у разряженного —

1,3 б.

оказывает существенное влияние на напряжение и величину тока акку­ мулятора. Ток в амперах, отдаваемый аккумулятором, определяется по формуле закона Ома для полной цепи

где R — сопротивление внешней цепи в сш;

г — внутреннее сопротивление аккумулятора в ом.

Внутреннее сопротивление кислотных аккумуляторных батарей очень мало, поэтому их напряжение в пределах небольших нагрузок (освещение) практически не отличается от э. д. с. и только при вклю­ чении стартера заметно снижается. Внутреннее сопротивление заря­

Полностью заряженный кислотный аккумулятор имеет напря­ жение около 2,2 в. При разрядке (рис. 99, а) напряжение быстро па­ дает до 2 в, а затем медленно понижается до 1,8 в, после чего разряд­ ку аккумулятора прекращают. Разряженный аккумулятор, остав­ ленный на некоторое время в бездействии, снова восстанавливает свое напряжение до средней величины в 2 б. Однако при нагрузке напряжение понижается.

Щелочной аккумулятор, полностью заряженный, создает напряже­ ние около 1,3 в. При разрядке (рис. 99, б) напряжение аккумулято­ ра медленно и равномерно понижается до 1,1 б, а затем начинает быст­ ро падать. При напряжении 1 в аккумулятор должен быть отключен от разрядки. Среднее разрядное напряжение щелочного аккумулято­ ра принимается равным 1,25 в.

Е м к о с т ь а к к у м у л я т о р а определяется количеством электричества, которое может отдать полностью заряженный аккуму­ лятор в процессе его разрядки определенным током при определенной температуре до допустимого напряжения.

а)

Время? ч

Рис. 99. Зарядно-разрядная характеристика аккумулятора:

Q — кислотного; о — щелочного; / — кривая зарядки; 2 — кривая разрядки

130