Особенности применения свинцово-кислотных аккумуляторных батарей для резервирования электропитания технических средств охраны

Надежность охраны – совокупный показатель качества организационно-технических мероприятий на охраняемом объекте. Техническая составляющая данных мероприятий напрямую зависит от надежности работы применяемых технических средств охраны (ТСО). В основе надежной работы любого ТСО лежит обеспечение стабильности и бесперебойности его электропитания. Именно по этой причине большинство технических средств охраны имеют основной и резервный источники электропитания.

В качестве основного источника электропитания ТСО, как правило, используется электрическая сеть систем электроснабжения общего назначения, а в качестве резервных – герметезированные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи (АКБ), позволяющие питать ТСО в случае выхода из строя основного источника электропитания.

Повышение сроков службы и эффективности применения АКБ, используемых для резервного электропитания ТСО, – комплексная задача, требующая выполнения ряда организационно-технических мероприятий на всех стадиях применения АКБ, от расчета их параметров на этапе проектирования ТСО, осуществления их закупки и хранения до обеспечения оптимальных режимов их эксплуатации.

АКБ-1 и АКБ-2 – герметизированные необслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторные батареи

Основные технические характеристики АКБ-1

• Номинальное напряжение 12 В
• Срок службы – 8 лет
• Номинальная емкость при 25 °C: 20-часовой разряд (ток 0,35 А) –7 Ахч, 10-часовой разряд (ток 0,676 А) –7 Ахч

Основные технические характеристики АКБ-2

• Номинальное напряжение 12 В
• Срок службы – 7 лет
• Номинальная емкость при 25 °C: 20-часовой разряд (ток 0,35 А) – 1,2 Ахч

8 способов повысить эффективность АКБ

Увеличению срока службы и эффективности применения АКБ способствует выполнение следующих мероприятий:

1. технически обоснованный выбор параметров АКБ, включающий в себя анализ условий и режимов ее эксплуатации, а также проведение необходимых расчетов ее емкости;
2. уделение особого внимания выбору производителей закупаемых АКБ;
3. проведение входного контроля АКБ при ее закупке;
4. обеспечение указанного в документации изготовителя температурного режима хранения АКБ;
   
5. периодический контроль электрических параметров длительное время находящихся на хранении АКБ, с возможностью проведения, при необходимости, их заряда;
6. обеспечение оптимального (допустимого) для АКБ температурного режима эксплуатации;
7. обеспечение оптимальных при эксплуатации АКБ режимов и электрических параметров ее заряда и разряда;
8. контроль электрических параметров АКБ в процессе эксплуатации с возможностью оперативной замены в случае преждевременного выхода ее из строя или выработки ресурса.

При этом следует учитывать, что:

1. Мероприятия 1, 2 и 7 указаны для производителей ТСО, их следует выполнять при проектировании ТСО с АКБ.
2. Мероприятия 3–6, 8 указаны для технического персонала, их следует выполнять на этапе закупки, хранения и эксплуатации АКБ.
   

Остановимся на каждом из них более подробно.

Факторы выбора

Технически обоснованный выбор параметров АКБ в первую очередь подразумевает проведение анализа условий и режимов работы технических средств охраны, в составе которого в качестве резервного источника электропитания ее предполагается использовать.

В большинстве ТСО, имеющих резервный источник электропитания, основным источником электропитания выступает электросеть. Частота возникновения перебоев в электросети на территории России неодинакова. Для большинства регионов перебои в электросети – явление редкое и непродолжительное по времени.

К основным факторам, влияющим на выбор АКБ при проектировании ТСО с АКБ, можно отнести:

• рабочий температурный диапазон ТСО;
• электрические параметры режимов заряда и разряда АКБ;
• потерю емкости АКБ в процессе ее эксплуатации, обусловленную физико-химической деградацией ее компонентов и особенностями режимов эксплуатации.
  

Попробуем определить расчетным путем требуемую емкость АКБ и проанализировать полученные результаты.

Расчет емкости АКБ

Рабочий температурный диапазон ТСО с АКБ (как и любого другого ТСО) задается в соответствии с классификацией¹. Следовательно, рабочий температурный диапазон выбираемой АКБ должен соответствовать или быть шире аналогичного диапазона ТСО, в качестве резервного источника которого предполагается ее использование. Подчеркнем, что выполнение данного требования обязательно при проектировании ТСО с АКБ, но в случае эксплуатации ТСО на охраняемом объекте с более мягкими климатическими условиями, чем предусмотрено его классом, допустимо применение АКБ с температурным рабочим диапазоном, соответствующим температурным условиям охраняемого объекта.

Для примера влияния рабочей температуры АКБ на ее емкость рассмотрим характеристики герметизированного cвинцово-кислотного аккумулятора, назовем его условно АКБ-1. Так, в соответствии с графиком, приведенном на рис. 1, емкость АКБ-1 прямо пропорциональна температуре окружающего воздуха.

Рис. 1. Емкость АКБ-1 в зависимости от температуры окружающего воздуха

Рассмотрим кривую, соответствующую разрядному току, значение которого численно равно 1/20 C_АКБ, где C_АКБ – номинальная емкость АКБ (при таком токе достигается 100%-ная энергоотдача АКБ). Как видно из графика, при температуре окружающего воздуха +25 °C емкость АКБ равна номинальной, при температуре -20 °C – 70% от номинальной, а при температуре +50 °C – 110% от номинальной.

Приведенные данные заставляют учитывать класс эксплуатации ТСО¹ при расчете емкости АКБ. Соответственно, расчетная емкость АКБ должна быть домножена на поправочный коэффициент, учитывающий изменение емкости АКБ в зависимости от температуры окружающего воздуха. Для температуры +25 °C поправочный коэффициент равен 1, для температуры -20 °C– 1,43, для температуры +50 °C – 0,9. Необходимо указать, что для расчета следует выбирать наихудшие для АКБ условия – минимальное значение рабочего температурного диапазона, соответствующее заданному классу ТСО с АКБ по классификации¹.

При расчете емкости АКБ наряду с условиями эксплуатации следует учитывать и режимы ее эксплуатации, основные из которых – электрические параметры заряда и разряда АКБ. Так, в соответствии с данными производителей АКБ и результатами испытаний, энергоэффективность АКБ в значительной степени зависит от режимов ее заряда и значения тока разряда. Согласно информации производителей АКБ, как ток заряда, так и ток разряда имеют верхние пределы, выход за границы которых в лучшем случае приводит к значительному снижению энергоэффективности АКБ, в худшем – к ее преждевременному выходу из строя.

Для сохранения работоспособности большинства АКБ на всем протяжении срока эксплуатации их разрядный ток не должен превышать значение, численно равное 1/5 C_АКБ (с точки зрения обеспечения 100%-ной энергоотдачи – не более 1/20 C_АКБ).

Таблица. Требования к функциональной оснащенности источников электропитания вторичных с резервом (ИЭПВР) в зависимости от их класса²

К примеру, в качестве АКБ для ИЭПВР класса 1 (см. таблицу) с номинальным выходным током 2 А не может быть использована аккумуляторная батарея под условным названием АКБ-2 номинальной емкостью 1,2 Ахч, несмотря на то, что по расчету (отношение значения номинальной емкости АКБ к значению выходного тока) АКБ данной емкости способна питать ИЭПВР в течение требуемого времени – 0,5 ч. Но в силу нелинейности зависимости энергоотдачи АКБ от разрядного тока, по данным, предоставленным производителем АКБ-2 (рис. 2), ток 2 А АКБ-2 может выдать в течение не более 15 мин.

В соответствии с рис. 3 емкость АКБ-1 (при использовании ее в буферном режиме) обратно пропорциональна сроку ее эксплуатации.
Если, по информации производителя, новая АКБ уже может иметь емкость, равную не 100%, а только 97% от номинальной, то спустя половину срока ее службы (четыре года) емкость может снизиться до 85%, а к концу срока службы – до 60%. С учетом изложенного, расчетная емкость выбираемой АКБ должна быть домножена на еще один поправочный коэффициент, учитывающий снижение емкости АКБ, происходящее из-за физико-химической деградации ее компонентов. В случае если предполагаемый срок использования АКБ составляет ½ срока ее службы, поправочный коэффициент равен 1,18, а для срока использования, равного сроку службы, – 1,67.

Рис. 2. Разрядные характеристики АКБ-2 при различных значениях разрядного тока

АКБ для работы в циклическом режиме

Несмотря на то что практически все ТСО с АКБ используют АКБ исключительно в буферном режиме, небезынтересным будет проанализировать некоторые особенности работы АКБ, оптимизированных для работы в циклическом режиме (не исключена возможность возникновения необходимости применения ТСО, использующих АКБ в качестве основного источника электропитания). Так, данные, представленные на рис. 4, демонстрируют зависимость срока службы АКБ-1, выраженную в количестве циклов разряда/заряда, от глубины ее разряда.

Очевидно прослеживается явно нелинейная зависимость. Так, при 100%-ном разряде АКБ выдерживает чуть более 200 циклов, при 50%-ном разряде – вдвое больше, а при 30%-ном – более 1200 циклов (так как на графике представлены только три кривые, принимаем, что 30%-ный разряд является самым оптимальным для АКБ данного типа). Приведенные данные следует учитывать при расчете срока службы АКБ, понимая, что указываемые производителями АКБ сроки службы (выраженные в количествах циклов) обеспечиваются при циклическом разряде АКБ на ≤30% от ее номинальной емкости. Таким образом, расчетная емкость выбираемой АКБ (при использовании ее в циклическом режиме) должна быть домножена еще на один поправочный коэффициент, учитывающий ограничение на глубину циклического разряда АКБ. Данный поправочный коэффициент при условии обеспечения максимального количества циклов заряда/разряда равен 3,33.

Рис. 3. Емкость АКБ-1 при использовании буферного режима в зависимости срока службы АКБ

Для расчета емкости АКБ, требуемой для ИЭПВР, С_расч, А_хч, учитывающего условия ее эксплуатации, режимы работы и физико-химические свойства, предлагается использовать формулу (1) для АКБ, предназначенных для работы в буферном режиме, и формулу (2) для АКБ, предназначенных для работы в циклическом режиме.

С_расч = I_ном х T_раб х k_темп х k_исп, (1)

где:

• I_ном – номинальный выходной ток ИЭПВР, А (выбирается из ряда 0,2/0,5/1,0/2,0/5,0/10,0 А2);
  
• T_раб – время работы ИЭПВР в резервном режиме, ч (0,5 ч для ИЭПВР класса 1; 2 ч для ИЭПВР класса 2; 6 ч для ИЭПВР класса 3; 24 ч для ИЭПВР класса 4);
• k_темп – поправочный коэффициент, учитывающий температуру окружающего воздуха (1 для температуры +25 °C, 1,43 для температуры -20 °C, 0,9 для температуры +50 °C);
• k_исп – поправочный коэффициент, учитывающий предполагаемый срок использования АКБ до ее замены (1,18 для срока использования АКБ, составляющего ½ срока ее службы, 1,67 для срока использования АКБ, равного сроку ее службы).

Примечание:

1. Значения поправочных коэффициентов, зависящие от конкретного типа АКБ, следует уточнять у конкретных производителей АКБ.
2. Должно выполняться неравенство С_расч ≥ m x I_ном, где m – коэффициент запаса, зависящий от максимального разрядного тока, допустимого для АКБ конкретного типа, может принимать значения в диапазоне от 1 (для АКБ с повышенным разрядным током) до 5 (для обычных АКБ). Если неравенство не выполняется, то емкость АКБ принимается численно равной значению m x Iном.
   

В качестве примера по формуле (1) рассчитаем минимальную емкость обычной АКБ, работающей в буферном режиме (планируемый срок использования АКБ составляет ½ срока ее службы) для ИЭПВР класса 2 с номинальным выходным током 5 А, предназначенным для работы при температуре окружающего воздуха -20 °C:

С_расч = 5 А × 2 ч× 1,43 × 1,18 = 16,874 А_хч.

Проверочное неравенство не выполнилось, так как 16,874 ≤ 5 х 5, из чего следует, что минимальная емкость рассчитываемой АКБ должна составлять 25 А_хч.

С_расч = I_ном х T_раб х k_темп х k_степ, (2)

где

• I_ном – номинальный выходной ток ИЭПВР, А;
• T_раб – время работы ИЭПВР в резервном режиме, ч;
• k_темп – поправочный коэффициент, учитывающий температуру окружающего воздуха;
• k_степ – поправочный коэффициент, учитывающий глубину разряда АКБ в циклическом режиме работы (3,33 при 30%-ном разряде, обеспечивающем максимальное количество циклов заряда/разряда).
  

В качестве примера по формуле (2) рассчитаем минимальную емкость обычной АКБ, работающей в циклическом режиме (30%-ный разряд) для ИЭПВР класса 2 с номинальным выходным током 5 А, предназначенным для работы при температуре окружающего воздуха +25 °C:

С_расч = 5 А × 2 ч × 1 × 3,33 = 33,3 А_хч.

Проверочное неравенство выполнилось, так как 33,3 ≥ 5 х 5, из чего следует, что минимальная емкость рассчитываемой АКБ должна составлять 33,3 А_хч.

Рис. 4. Срок службы АКБ-1 при использовании циклического режима заряда в зависимости от степени ее разряда

Входной контроль на этапе закупки

Уделение особого внимания выбору производителей АКБ продиктовано тем, что на рынке автономных элементов электропитания присутствует целый ряд недобросовестных производителей, предлагающих АКБ низкого качества либо предоставляющих заведомо ложную информацию о технических параметрах производимых ими АКБ. Как показали результаты испытаний АКБ, даже у известных в России производителей АКБ технические параметры АКБ (из одной партии) имеют значительный разброс и далеко не всегда соответствуют требованиям, указанным в технической документации.

Подход к выбору производителя АКБ должен быть особенно тщательным и взвешенным.

Причем, как показывает практика, наличие хорошо зарекомендовавшего себя конкретного типа АКБ не гарантирует того, что все остальные типы АКБ, выпускаемые данным производителем, будут высокого качества. Так, на испытаниях АКБ-1 продемонстрировали наилучшие результаты по сравнению с АКБ равной емкости того же производителя АКБ-2. При этом более высокая цена первой из указанных АКБ компенсируется значительно большим сроком ее службы.

На этапе закупки АКБ необходимо проводить их минимальный входной контроль, включающий в себя:

• визуальный осмотр;
• проверку сопроводительных документов (сертификаты или декларации качества, эксплуатационная документация, гарантийные документы и т.д.);
• проверку даты изготовления;
• выборочный (а лучше сплошной) контроль электрических параметров АКБ.

Визуальный осмотр АКБ призван выявить механические повреждения или признаки несоблюдения условий хранения. Наличие пакета сопроводительных документов является весомым аргументом, подтверждающим надежность производителя и качество самих АКБ. Правильно оформленные гарантийные документы позволят в случае необходимости произвести замену бракованных АКБ или вернуть денежные средства, затраченные на их закупку.

В случае если с момента изготовления АКБ прошло более года, существует большая вероятность того, что часть из них окажется частично или полностью неработоспособна. Закупать такие АКБ без сплошного контроля электрических параметров нельзя! Для проверки электрических параметров закупаемых АКБ лучше всего использовать специальные тестеры АКБ, позволяющие оперативно оценить степень ее заряженности и реальную остаточную емкость.
Из-за высокой стоимости тестеров АКБ широкое их применение маловероятно. В случае их отсутствия оценить состояние АКБ можно при помощи мультиметра, замерив напряжение разомкнутой цепи АКБ. Если замеренное напряжение на обычной АКБ составляет менее 1,87 В на один элемент (11,2 В для АКБ с номинальным напряжением 12 В), это свидетельствует о глубоком разряде АКБ. Такие АКБ закупке не подлежат!

Эффективное хранение АКБ

Как правило, между закупкой и вводом АКБ в эксплуатацию проходит сравнительно небольшой период времени. Однако не исключена вероятность продолжительного хранения АКБ до их использования. В этом случае требуется соблюдать указанные в технической документации условия хранения АКБ, осуществлять периодический контроль их электрических параметров и, при необходимости, заряд.

Температура окружающего воздуха

Герметизированные необслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторные батареи, как следует из их названия, относительно нетребовательны к условиям хранения. Основной и наиболее важный для них параметр среды – это температура окружающего воздуха. В технической документации на АКБ указан диапазон температур окружающего воздуха, при котором обеспечивается неизменность параметров АКБ при хранении. Так как данный диапазон достаточно широк, проблем с хранением АКБ возникать не должно. Вместе с тем следует избегать хранения АКБ в помещениях, температура окружающего воздуха в которых может опускаться ниже -20 °C или подниматься выше +50 °.

Контроль электрических параметров

Выдерживания температурного режима хранения АКБ в границах заданного диапазона недостаточно. Необходимо осуществлять периодический (не реже одного раза в месяц) контроль электрических параметров АКБ. Для этого оптимально использовать специальный тестер АКБ, при его отсутствии – мультиметр. При снижении напряжения разомкнутой цепи АКБ до 1,87 В на один элемент (11,2 В для АКБ с номинальным напряжением 12 В) их следует подзарядить. При этом значение зарядного напряжения следует взять из технической документации на конкретную АКБ (на корпусах большинства АКБ имеется маркировка с указанием диапазонов зарядных напряжений для циклического и буферного режимов использования АКБ).
Установка зарядного напряжения из диапазона напряжений, соответствующего использованию АКБ в буферном режиме, предпочтительнее, так как в случае непреднамеренного превышения времени заряда не произойдет перезаряд АКБ. Ограничение по зарядному току нужно установить в диапазоне от 1/5 CАКБ до 1/20 CАКБ.

Диапазон рабочих температур

В технической документации на АКБ указан диапазон температур окружающего воздуха, при котором обеспечивается сохранность АКБ не только при хранении, но и в процессе эксплуатации. Диапазоны температур окружающего воздуха различны для АКБ, находящихся в процессе заряда и разряда. Соблюдение данных температурных диапазонов позволит обеспечить сохранность АКБ на протяжении всего срока их эксплуатации. Как показали результаты испытаний АКБ, на заряд АКБ отрицательная температура окружающего воздуха практически не оказывает влияния, в то время как разряд АКБ при отрицательных температурах значительно сокращает их энергоотдачу. Для нейтрализации отрицательного воздействия низких температур на АКБ предлагается использование специальных термошкафов, позволяющих поддерживать положительную температуру ТСО с АКБ, размещаемых в неотапливаемых помещениях. Электропитание термошкафа, как и ТСО, в него помещенного, осуществляется от основного источника электропитания – электросети.

При пропадании электросети ТСО перейдет на резервный источник электропитания – АКБ, нагрев термошкафа прекратится, но температура внутри термошкафа некоторое время (сопоставимое с заданным временем работы ТСО от резервного источника электропитания) останется положительной за счет малой теплопроводности оболочки термошкафа. Это позволит АКБ обеспечить работоспособность ТСО в резервном режиме в течение всего необходимого интервала времени.

Использование предложенных в статье мероприятий будет полезно как производителям ТСО, применяющих АКБ в качестве резервного источника электропитания, так и техническому персоналу, осуществляющему эксплуатацию и сопровождение таких ТСО.