Аккумуляторные батареи

Аккумуляторами называют химические источники электрической энергии многоразового действия, которые накапливают (аккумулируют) электроэнергию при пропускании через них электрического тока и затем отдают ее при подключении к ним внешней нагрузки — электропотребителей. Основными частями аккумуляторов являются положительный и отрицательный электроды, погруженные в бак с электролитом.

Принцип действия аккумуляторов основан на использовании обратимости реакций между электродами и электролитом, при которых пропускаемая через аккумулятор электрическая энергия превращается в химическую (режим заряда), а затем химическая — в электрическую (режим разряда). При этом химически активное (рабочее) вещество на электродных пластинах сначала превращается в другое химическое соединение, а затем почти полностью восстанавливается в первоначальное состояние. В зависимости от состава применяемых химических элементов для электродных пластин и электролита аккумуляторы подразделяют на свинцово-кислот-ные и щелочные. Ряд последовательно соединенных аккумуляторов образуют батарею, в которой э.д.с. каждого аккумулятора суммируется. Основными типами выпускаемых аккумуляторных батарей для тепловозов являются свинцово-кислотные 32ТН-450У2, 48ТН-450У2, 48ТН-350У2 и щелочные 46ТПНЖ-550У2, 46ТПНК-550Т2. Входящие в обозначения типов батарей цифры и буквы характеризуют следующие технические данные батареи: 32, 46, 48 — количество последовательно соединенных аккумуляторов в батарее, шт.; 350, 450, 550 — номинальная емкость входящих в батарею аккумуляторов при определенном режиме разряда, А-ч; Т, ТП — назначение аккумулятора — тепловозный (пусковой); Н — вид электродных пластин аккумулятора по способу нанесения на свинцовую решетку рабочего вещества

— намазные; НЖ, НК — электрохимическая система аккумулятора: никель-железный, никель-кадмиевый; У2, Т2 — для умеренного и тропического климата с размещением в шкафу, кожухе.

Основные технические данные аккумуляторных батарей для выпускаемых тепловозов приведены в табл. 8.1

Таблица 8.4 – Типы батарей и их номинальные значения

Заряд аккумуляторных батарей при вводе в эксплуатацию производят от вспомогательного генератора тепловоза или любого другого источника постоянного тока при режимах, приведенных в табл. 8.2.

Таблица 8.2 – Значения параметров батарей в начале и конце каждого заряда

Свинцово-кислотный аккумулятор ТН-450. Состоит (рис. 8.31, а) из блока чередующихся между собой 20 отрицательных и 19 положительных электродных пластин 1, помещенных в эбонитовый бак (сосуд) 2 и опирающихся ножками пластин на специальные выступы (призмы) дна бака. Пластины представляют собой литые решетки из сплава свинца (95 %) и упрочняющей его сурьмы (5%), ячейки которых заполнены (намазыванием) рабочим веществом, которым в исходном заряженном состоянии аккумулятора является оксид свинца (П)РвОг у положительных и чистый губчатый свинец Рв у отрицательных пластин. Смежные пластины разной полярности разделены сепараторами 3

из ребристого мипласта и стекловолокна. Пластины одной полярности спаяны в отдельные полублоки. К началу и концу полублоков при паяны выводы 4. Сверху бак закрыт эбонитовой крышкой 5 с четырьмя отверстиями для прохода выводов от полублоков пластин и пятым центральным отверстием для заливки электролита. Крышка по периметру бака уплотнена заливкой кислотостойкой мастикой, а в местах прохода выводов полублоков пластин — резиновыми кольцевыми прокладками. Центральное отверстие закрыто эбонитовой пробкой 6 с вертикальными и горизонтальными каналами (для выхода газов) и отражательным щитком 7 (для предотвращения выплескивания электролита). Электролитом аккумулятора служит раствор аккумуляторной серной кислоты НгБСч в дистиллированной воде плотностью 1,24—1,27 г/см3, залитый в аккумулятор до уровня на 15 мм выше предохранительного изоляционного щитка 7.

Рис. 8.31. Аккумуляторы тепловозных батарей:

а— свинцово-кислотный типа ТН-450; б — щелочной никель-железный типа ТПНЖ.-550

Зарядка аккумуляторов должна производиться не позднее чем через шесть часов после заливки в них электролита для предотвращения крупнокристаллической (необратимой) сульфатации электродных пластин. Сульфатация заключается в образовании на поверхности пластин гидросульфита свинца РЬСч. В начальный период она находится в высокодисперсном состоянии, но затем образуются крупные кристаллы, резко повышающие внутреннее сопротивление аккумулятора, препятствующие проникновению электролита к внутренним слоям рабочего вещества пластин и снижающие емкость аккумулятора. Это явление наблюдается также при систематическом недозаряде, слишком глубоком заряде, длительном бездействии, работе аккумулятора с высокой температурой электролита, загрязнении или чрезмерной его плотности.

Плотность электролита существенно зависит от температуры, а температура его замерзания—от плотности. Поэтому в летний период (в районах с теплым климатом постоянно) плотность электролита должна быть в пределах 1,24— 1,25 г/см3, а в зимний период в районах Севера и Сибири ее необходимо повышать до 1,26—1,27 г/см3. Контроль плотности электролита производят ареометром в соответствии с руководством по эксплуатации батареи и тепловоза. Температура замерзания электролита при плотности 1,26—1,27 г/см3 ниже минус 50 °С. Это обеспечивает работоспособность тепловозных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей почти на всей сети железных дорог СССР практически без утепления (подогрева). Разряженная батарея имеет более низкую плотность электролита и подвержена большей опасности замерзания. Для удобства транспортировки, монтажа и предохранения от повреждений баков аккумуляторы комплектуются в секции по четыре штуки для батарей 32ТН-450У2, 48ТН-350У2 и по три штуки для батареи 48ТН-450У2. Секции помещены в деревянные футляры (ящики). Аккумуляторы в секциях и батареях соединены между собой медными, покрытыми свинцом перемычками (пластинами) по схемам, приведенным на рис. 8.1.

Щелочной никель-железный аккумулятор ТПНЖ-550У2. Состоит из блока чередующихся между собой 36 положительных и 34 отрицательных электродных пластин // (рис. 8.31, б), помещенных в стальной бак 14, покрытый внутри щелочестойким лакокрасочным веществом. Пластины состоят из заполненных рабочим веществом стальных никелированных ламелей-коробочек из перфорированной ленты толщиной 0,1 мм, соединенных между собой в замок и укрепленных с обеих сторон стальными ребрами с приваренными к ним контактными планками. Пластины одной полярности соединены в полублок на шпильке за контактные планки (через промежуточные кольца) и стянуты гайками либо скреплены сваркой. Между смежными пластинами различной полярности установлен перфорированный гофрированный сепаратор из винипласта или уложен резиновый шнур. От стенок бака блок пластин изолирован вставленной по периметру бака винипластовой пленкой. Рабочим веществом положительных пластин в исходном (заряженном) состоянии аккумулятора является гидроксид никеля (II) 1МЮН в смеси с графитом и активирующими добавками, а отрицательных — восстановленная смесь руды, оксида железа Р"еО и активирующих добавок. Электролитом служит 20-процентный раствор гидроксида калия КОН в дистиллированной воде с добавлением 20 г/л гидроксида лития ЬЮН (для увеличения срока службы аккумулятора) плотностью 1,28 г/см3, залитый в аккумулятор до уровня на 40—50 мм выше электродных пластин.

Рис. 8.1. Схема соединения аккумуляторов в батареях:

а, б — свинцово-кнслотных типов 32ТН-450 и 48ТН-450, 48ТН-350 соответственно; в — щелочной никель-железной типа 46ТПНЖ.-550

Температура электролита при заряде батареи должна быть не выше 45 °С. При температуре электролита выше 45 и ниже 5 °С емкость батареи снижается вдвое, а при температуре электролита ниже О °С щелочная батарея неработоспособна, поэтому в зимнее время должен быть предусмотрен ее обогрев. Бак аккумулятора сверху закрыт стальной штампованной крышкой 13 с четырьмя отверстиями для прохода выводов 8 от полублоков пластин одной полярности. Выводы изолированы пластмассовыми кольцами-втулками 12 и уплотнены резиновыми кольцами. В центре крышки вварена трубка 9 с расширяющейся горловиной для заливки электролита. Трубка закрыта откидным клапаном-пробкой 10 с каналом для выхода газов. По периметру крышка приварена к стенкам бака

сплошным швом. Снаружи бак окрашен, и на него надет резиновый защитный и изолирующий чехол. При монтаже батареи на тепловозе аккумуляторы устанавливают плотно один к другому и закрепляют от перемещения. Аккумуляторы в батарее соединяют медными никелированными перемычками (шинами) по схеме, приведенной на рис. 8.1, в.

Сравнительные показатели различных видов аккумуляторных батарей. Применяемые на тепловозах аккумуляторные батареи по ряду технических и эксплуатационных показателей имеют существенные различия. Так, свинцово-кислотные батареи имеют в 1,5 раза большее напряжение, а следовательно, и большую удельную емкость и мощность на единицу объема и массы, чем щелочные. Они работоспособны при низких температурах. Коэффициент полезного действия свинцово-кислот-ных аккумуляторов, определяемый как произведение отдачи по емкости на отношение средней э.д.с. при разряде-заряде, в полтора раза выше, чем щелочных (до 75 % против 50%). Щелочные никель-железные аккумуляторы не содержат вредного для здоровья людей свинца, более стойки к динамическим воздействиям (вибрации, тряске) на транспортных установках, менее чувствительны к перезарядам и коротким замыканиям, более просты в обслуживании и имеют в 2,5—3 раза больший срок службы, чем свинцово-кислотные (до 1200 циклов заряд-разряд против 400 и до 6 лет против 2—3).

На перспективу электротехнической промышленностью создаются новые типы аккумуляторных батарей для тепловозов, основными из которых предусматриваются: свинцово-кислотные 32ТН-400У2,48ТН-400У2; щелочные — никель - железная 46ТПНЖК-400П-У2 и никель-кадмиевая 46ТПНКК-400П-У2. При несколько меньшей (оптимальной для тепловозов) емкости по сравнению с выпускаемыми батареями новые батареи имеют соответственно на 15 и 30 % меньшие массу и габаритные размеры, на 25 и 30 % выше максимальный

(толчковый) ток разряда, в 1,5—2 раза больше срок службы, более высокие показатели безотказности. Баки щелочных аккумуляторов выполнены из высокопрочной щелочестойкой пластмассы.

Размещение и включение в электрическую схему аккумуляторных батарей на тепловозах. Аккумуляторные батареи на магистральных тепловозах размещают, как правило, в специальных ячейках под главной рамой по обе стороны топливного бака или по торцам тепловоза. Это обеспечивает удобство их монтажа и обслуживания из кузова тепловоза либо снаружи прямо с земли. На маневровых тепловозах батареи размещают в специальном помещении (отсеке) за кабиной машиниста. Для обеспечения требуемого температурного режима в местах установки батарей предусматривают вентиляцию, а в зимний период и утепление. Щелочные аккумуляторы в резиновых чехлах дополнительно изолируют от корпуса щелочестойкими материалами. В электрическую схему тепловоза батарею включают через аппаратуру, обеспечивающую разряд батареи только для питания ограниченного числа необходимых потребителей при неработающем дизеле и пуска самого дизеля. Во время работы дизеля батарея должна находиться в автоматическом режиме постоянного подзаряда (буферный режим). При этом должна поддерживаться в допустимых пределах температура электролита, иначе емкость и срок службы батареи резко снижаются. От перегрузок и коротких замыканий во внешней цепи батареи защищают плавкими предохранителями или автоматами.