Устройство.
Щелочные аккумуляторы по сравнению со свинцовыми имеют меньшую отдачу по энергии и емкости, меньшее среднее разрядное напряжение и большее изменение напряжения при разряде. Однако благодаря высокой механической прочности и сравнительно небольшой массе щелочные аккумуляторы используются в качестве переносных и временных источников электропитания некоторых устройств железнодорожной связи.
Наибольшее применение нашли щелочные ламельные, никельжелезные (НЖ) и никель-кадмиевые (НК) аккумуляторы емкостью до 100 А-ч. Для электропитания различной переносной аппаратуры
Рис. 63. Устройство никель-кадмиевого щелочного аккумулятора: 1 — активная масса; 2 — распорные эбонитовые палочки; 3 — ламель; 4 — положительные пластины; 5 — положительный полюсный вывод; 6 — вентиляционная пробка; 7 — отрицательный полюсный вывод; 8 — крышка; 9 — корпус; 10 — отрицательные пластины; 11 — эбонитовая пластина
средств связи, радиоприемников и т. д. широко используются герметические дисковые и цилиндрические аккумуляторы.
Никель-железный аккумулятор смонтирован в стальном никелированном корпусе, на верхней крышке которого размещены полюсные выводы от положительных и отрицательных пластин и отверстие для заливки электролита, закрываемое пробкой. В аккумуляторах емкостью до 100 А-ч предусмотрены вентильные пробки, через которые выходят газы, но не выпивается электролит при опрокидывании корпуса. Разноименные пластины изолированы эбонитовыми палочками.
Пластины аккумулятора состоят из стальных перфорированных ламелей (оболочек), внутри которых заключена активная масса. Для повышения электропроводности в активную массу добавляют графит или никель. Одноименные пластины образуют блоки, которые соединяются с полюсными выводами. Устройство никель-кадмиевого щелочного аккумулятора показано на рис. 63. По конструкции электродов НК аккумуляторы делятся на ламельные и безламельные. В безламельных аккумуляторах активные массы наносятся (намазываются или впрессовываются) на пластины непосредственно. Благодаря этому уменьшается внутреннее сопротивление, увеличиваются удельные значения емкости и энергии аккумулятора. Однако срок службы безламельных аккумуляторов примерно в 4 раза меньше, чем ламельных.
В аккумуляторах типа НЖ число отрицательных пластин на одну больше, чем положительных (рис. 64, а). Крайние отрицательные пластины касаются корпуса, положительные пластины с торцов изолируются от корпуса листовым эбонитом. В аккумуляторах типа НК крайними пластинами являются положительные пластины (рис. 64, б), вследствие чего корпус сообщается с положительным полюсным выводом. Активной массой положительных пластин аккумуляторов НЖ и НК является гидрат окиси никеля Ni (ОН)3.
Рис. 64. Расположение положительных и отрицательных электродов в аккумуляторах НЖ и НК
Рис. 65. Щелочная аккумуляторная батарея 5-НЖ-45
Активная масса отрицательных пластин у аккумуляторов НЖ состоит из электрохимически активного железного порошка Fe, а аккумуляторов НК — из смеси кадмия, железа и их окислов. Электролитом служит водный раствор едкого натра NaOH или едкого кали КОН плотностью 1,19— 1,21 г/см3 с добавкой 20 г едкого лития на 1 л электролита, увеличивающего в 2—2,5 раза срок службы щелочных аккумуляторов.
При разрядке аккумуляторов НЖ активная масса положительных пластин превращается в гидрат закиси никеля Ni (ОН)2, а активная масса отрицательных пластин — в гидрат закиси железа Fe (ОН)2.
На образование этих веществ не затрачивается едкий натр, поэтому плотность электролита во время разряда остается постоянной.
При заряде щелочного аккумулятора пластины восстанавливаются до первоначального химического состава. Щелочные аккумуляторы выпускают на различную емкость. Из отдельных элементов составляют батареи, помещенные в деревянные ящики или металлические каркасы. Батарея 5-НЖ-45 (рис. 65) состоит из пяти аккумуляторов 1 емкостью 45 А-ч, соединенных последовательно с помощью соединителей 2. Батарея размещается в деревянном ящике 3.
Основные характеристики.
Э. д. с. заряженного щелочного аккумулятора НЖ — 1,5 В, а аккумулятора НК — 1,4 В. При разряде э. д. с. снижается до 1,3 В. Напряжение щелочных аккумуляторов не является постоянным. В процессе разряда оно быстро падает до 1,3 В, а затем медленно — до напряжения 1,15 В, при котором обычно прекращают разряд. Дальнейший разряд нецелесообразен, так как напряжение быстро падает и становится недостаточным для нормальной работы приемника энергии. Среднее напряжение аккумулятора при разряде принимается равным 1,25 В. При заряде напряжение аккумулятора быстро увеличивается с 1,15 до 1,6 В, а затем медленно повышается до 1,8 В.
В отличие от кислотных щелочные аккумуляторы могут отдать полную емкость при различных режимах разряда. Для этого щелочные аккумуляторы следует разряжать до различного конечного напряжения. Чем больше разрядный ток, тем меньше конечное напряжение, при котором аккумулятор отдает полную емкость. Например, при 8-часовом режиме разряда аккумулятор отдает номинальную емкость, если конечное напряжение 1,1 В, а при 5-часовом режиме разряда — если конечное напряжение 0,8 В. Большое изменение напряжения щелочных аккумуляторов требует установки специальных устройств, стабилизирующих напряжение электропитающей установки. Особенно большие перепады напряжения возникают в буферном режиме эксплуатации щелочных аккумуляторов. При непрерывном подзаряде на каждом аккумуляторе поддерживается напряжение 1,6 В, что намного превышает среднее разрядное напряжение 1,25 В. Поэтому на предприятиях связи щелочные аккумуляторы эксплуатируются в режиме заряд-разряд.
Внутреннее сопротивление щелочных аккумуляторов приблизительно в 2 раза больше, чем свинцовых аккумуляторов такой же емкости. Вследствие этого они менее чувствительны к коротким замыканиям, но имеют более низкий к. п. д.
Щелочные никель-железные аккумуляторы подвержены значительному саморазряду. Так, за 30 суток хранения при температуре электролита +20 °C эти аккумуляторы теряют от 30 до 50 % номинальной емкости, а при температуре электролита +40 °C — всю емкость.
Саморазряд никель-кадмиевых аккумуляторов в 2-2,5 раза меньше, чем никель-железных. Отдача у щелочных аккумуляторов меньше, чем у кислотных, и составляет 0,65 по емкости и 0,5 по энергии.
Основные правила ухода.
Аккумуляторы ЫЖ и НК выпускаются без электролита. Для заливки применяется водный раствор едкого натра или едкого кали плотностью 1,19—1,21 г/см3.
Электролит приготовляют в стальном или керамическом сосуде. Не следует разводить электролит в стеклянных сосудах. От большого количества тепла стекло может лопнуть. В сосуд наливают дистиллированную воду, а затем осторожно бросают небольшие кусочки твердой щелочки. Раствор электролита все время перемешивают стеклянной или эбонитовой палочкой. На каждый литр готового раствора едкого натра добавляют 10 г моногидрата едкого лития. В электролит с едким кали добавляют 20 г моногидрата едкого лития на каждый литр раствора. Охлажденный электролит заливают в новые аккумуляторы на 8—10 мм выше верхних краев пластин. Через 2 ч после заливки новые аккумуляторы ставят на заряд. Первый заряд производят нормальным током, численно равным 0,25QH, в течение 12 ч. После этого батарею разряжают до напряжения 1 В на каждый элемент током 8-часового режима. Гарантированную заводом номинальную емкость аккумуляторы приобретают после трех-четырех таких заряд-разрядов.
Очередной заряд производят током, равным 0,25QH, в течение 6 ч. Окончание заряда определяется тем, что напряжение на каждом элементе становится равным 1,75—1,8 В и наступает интенсивное кипение электролита во всех элементах.
Во время первого и очередного зарядов нужно следить за тем, чтобы температура электролита не превышала +40 °C. Если температура электролита приближается к +40 °C, следует уменьшить зарядный ток. Батареи щелочных аккумуляторов заряжают при вывернутых пробках во всех элементах. Пробки ввертывают не ранее чем через 12 ч после окончания заряда.
Разряд и хранение.
Щелочные аккумуляторы можно разряжать до конечного напряжения 1,15—1 В при нормальном разряде и до 0,6 В при ускоренном разряде.
Никель-железные аккумуляторы хранят от месяца до года с электролитом в полузаряженном состоянии. Для более длительного хранения аккумуляторы разряжают нормальным током до напряжения 1 В, выливают электролит и плотно закрывают пробками. Все неокрашенные металлические части аккумуляторов покрывают густым слоем технического вазелина. После длительного хранения аккумуляторы приводят в действие так же, как новые.
Металлические сосуды аккумуляторов, стеллажи, батарейные ящики должны содержаться в чистоте и быть сухими. С понижением уровня электролита в аккумуляторы следует доливать дистиллированную воду. Для предохранения электролита от воздействия на него углекислоты воздуха поверх электролита следует наливать тонкий слой вазелинового масла, а наливные отверстия закрывать пробками. Щелочные и кислотные аккумуляторы должны находиться в различных помещениях. Для ухода за этими аккумуляторами нельзя применять одни и те же принадлежности (ареометры, воронки, груши, резиновые перчатки).
§ 31. Щелочные противоэлементы
В буферном режиме работы аккумуляторных батарей напряжение на каждом кислотном элементе повышается до 2,1—2,2 В. В результате этого напряжение аккумуляторной батареи становится больше допустимого. Для понижения напряжения, подводимого к аппаратуре связи, могут использоваться противоэлементы. Противоэлементы ПЭ (рис. 66) включают последовательно с нагрузкой так, чтобы их э. д. с. была направлена навстречу э. д. с. батареи Б. Напряжение электропитающей установки в этом случае
Рис. 66. Схема включения противоэлементов
В случае прекращения работы буферного выпрямителя В напряжение аккумуляторной батарей резко падает и противоэлементы ПЭ должны быть немедленно выключены (замкнуты выключателем К). В противном случае напряжение на нагрузке будет меньше допустимого значения. Если вместо противоэлементов установить реостат, напряжение электропитающей установки Uуст=Uб — UР. С изменением тока нагрузки будет изменяться падение напряжения Uр на реостате, а следовательно, и напряжение на нагрузке.
Рис. 67. Кривая зависимости напряжения щелочного противоэлемента от плотности тока
В этих же условиях напряжение на противоэлементах изменится значительно меньше, чем на реостате.
По устройству щелочные противоэлементы похожи на щелочные аккумуляторы и отличаются от последних главным образом конструкцией пластин. Пластины противоэлемента для уменьшения емкости изготавливаются из гладкой листовой стали без активной массы.
Включенный щелочной противоэлемент в зависимости от плотности тока имеет напряжение 1,7— 2,0 В (рис. 67). Среднее напряжение одного щелочного противоэлемента принимается равным 1,8 В. Щелочные противоэлементы обладают большой рабочей плотностью тока (до 5 А/дм2) и ничтожной емкостью (0,6—0,8 А-ч/дм2). Это позволяет выключать их из цепи нагрузки наиболее простым способом — коротким замыканием (см. рис. 66) контакта K, основная цепь при этом не разрывается.
Противоэлементы обычно монтируют в вытяжных шкафах, которые устанавливаются в одном помещении с выпрямительными установками. Тип противоэлемента выбирают по току максимальной нагрузки. Практика показала, что щелочные противоэлементы обладают рядом существенных недостатков. В работающем противоэлементе непрерывно выделяются газы — водород и кислород, вследствие чего установка становится взрывоопасной и требует устройства специальной вентиляции. Кипение электролита усложняет эксплуатацию щелочных противоэлементов, так как возникает необходимость часто их осматривать, вытирать наружные части от осаждающейся на них пыли, щелочи, влаги, доливать электролит.
Поэтому за последнее время в электропитающих установках связи противоэлементы заменяют кремниевыми вентилями. Вольт-амперная характеристика кремниевых вентилей (рис. 68, а) аналогична вольт-амперной характеристике противоэлементов.
Рис. 68. Вольт-амперная характеристика кремниевых вентилей и схема их включения при замене противоэлементов
При изменении прямого тока от I1 до I2 падение напряжения на них ∆Uв изменяется мало.
Поэтому напряжение электропитающей установки при включенных кремниевых вентилях (рис. 68, б) мало зависит от тока нагрузки.