Аккумуляторы подвижного состава
Конечно мы не можем обойти тему о автономных источниках питания для поездов ведь электрификация данного вида транспорта очень важна, раскроем немного этот вопрос.
Предназначение АКБ(тепловозы, дизель поезда)
Аккумуляторные батареи, предназначенные для подвижного состава, выполняют различные функции. Например, на дизель-поездах, тепловозах и газотурбовозах они используют в основном для пуска дизелей и газовых турбин. При электрическом пуске дизеля тяговый генератор с пусковой обмоткой последовательного возбуждения подключают к батарее.
Так как омическое сопротивление пусковой обмотки тягового генератора мало и включение производится без дополнительных сопротивлений, то в момент включения ток достигает 2200-2700А, а к концу пуска 1 000÷1100А (ток прокрутки вала). Весь процесс пуска дизеля длится 8-10 сек, но максимальная величина тока резко спадает уже через 0,1—0,2 сек. При этом расход емкости на один пуск очень мал и в нормальных условиях не превышает 2А/ч. Однако батарея должна иметь определенный запас емкости, так как для пусковых оборотов необходимо высокое, напряжение. Поэтому на тепловозах обычно устанавливают батареи ёмкостью 350÷550А/ч.
Предназначение АКБ(электровозы, электропоезда)
Совсем иное назначение аккумуляторной батареи на электровозах, электропоездах и поездах метрополитена. На подвижном составе метрополитена аккумуляторы используют как автономный источник постоянного тока для запитки цепей низкого напряжения при неработающем генераторе. Емкость таких батарей составляет 100÷120А/ч.
На не электрифицированных участках тяговые двигатели и все другие электрические аппараты поезда получают питание от аккумуляторной батареи, поэтому используют аккумуляторы большой емкости.
Для вагонов с кондиционированием воздуха мощность генератора 25—28Квт расходуется на освещение вагона, а также на работу холодильной установки или электроподогревателя, принудительной вентиляции, электрокипятильника и охладителя питьевой воды. В вагонах с кондиционированием воздуха, а также в вагонах-ресторанах, почтовых и других вагонах с большим потреблением энергии применяют предпочтительно кислотные аккумуляторные батареи большой емкости напряжением 50 или 110в.
Во время эксплуатации вагона его аккумуляторы находятся в сложных климатических условиях и в состоянии тряски и вибрации. Заряд и емкость батареи зависят от скорости движения состава, продолжительности времени стоянок и работы потребителей тока. На стоянке и при замедленном его движении электродвигатели СУ, осветительные и другие приборы потребляют электроэнергию от аккумулятора.
Технические условия, маркировка
Изготавливаются аккумуляторы по техническим условиям ИРФБ.563414.024 ТУ.
В условном наименовании тепловозных АБ буквы и цифры обозначают: 32 и 48 — количество аккумуляторов в батарее; Т — область применения (тепловозы); Н — тип электродных пластин (намазные). Цифры после букв — номинальная емкость батарей при 10-часовом режиме разряда в амперчасах; У — климатическое исполнение; 2- категория размещения; ТМ — материал моноблока (термопласт); материал сепаратора — мипласт; Л — секция с общей приварной крышкой; 3 — залитая электролитом и полностью заряженная.
Пример записи обозначения АБ емкостью 450 Ач — 32ТИ-450 ТМЗ.
Состав, эксплуатация АКБ
Батареи состоят из отдельных секций, состоящих из четырех или трех аккумуляторов в эбонитовых моноблоках, или из 16 отдельных секций по 2 аккумулятора в каждой секции для батареи 32ТН-450А и из 24 секций для батарей 48ТН-450А.
Удельная энергия секции по массе составляет 27,2 Втч/кг, по объему — не менее 50,0 Втч/дм3 удельная материалоемкость — 21,33 кг/кВтч.
Батареи эксплуатируются при номинальной плотности электролита 1,245±0,005 г/см3 при уровне 20÷25 мм над предохранительным щитком. Аккумуляторы в одной секции и секции между собой соединяются последовательно.
Моноблоки и крышки секций батарей изготавливаются из специального термопласта, стойкого к воздействию масел, дизельного топлива и раствора серной кислоты.
Секция 2ТН-450ТМ состоит из моноблока, разделенного перегородкой на два аккумулятора, каждый из которых имеет собственную крышку, герметизация секций осуществляется резинобитумной мастикой.
Секция аккумуляторов 2ТН-450А состоит также из двух аккумуляторов. Герметизация секций осуществляется приваркой общей крышки по периметру и перегородке моноблока. Герметизирующая мастика в секциях 2ТН-450ТМ, а также сварной шов в секциях 2ТН-450А обеспечивают герметичность аккумуляторов при температурах от -50 до +60°С и при повышенном или пониженном давлении по сравнению с атмосферным на (16±1,3) кПа, (120±10ммрт. ст.).
Тепловозные аккумуляторы ремонтопригодны: серии ТМ в части замены секций, крышек, перемычек и отдельных блоков электродов; серии А — секций и перемычек.
Характеристики
Электрические характеристики секций при температуре 25±10°С соответствуют значениям, указанным в таблице 1.
Таблица 1
Электрические характеристики секции тепловозных АБ
Электрические характеристики, указанные в таблице 1, обеспечиваются не позднее 10-5-20 цикла.
АБ работоспособны при прерывистых токах разряда, соответствующие данные приведены в таблице 2.
Таблица 2
Среднесуточный саморазряд заряженного аккумулятора, хранившегося в течение 15 суток при температуре окружающего воздуха 25±10°С не превышает 1%.
Батареи выдерживают перезаряд током 45А в течение 4 циклов по 100 ч непрерывно в каждом цикле. Они могут поставляться в сухом (без электролита) состоянии и в залитом электролитом и заряженном состоянии.
Батареи работоспособны при синусоидальной вибрации в диапазоне частот 10÷100Гц и после воздействия механических ударов многократного действия (при этом емкость как при 10-часовом режиме разряда, так и при 5-минутном разряде составляет не менее 75% от номинального значения).
Минимальная наработка секции аккумуляторов в режиме непрерывного циклирования составляет 170 циклов при снижении емкости до 75% от номинального значения.
Направления развития
Основными направлениями дальнейшего развития тепловозных АБ являются: замена мипласт-сепараторов на комбинированные, введение связующих добавок в активные массы, применение малосурьмяных коррозионно-стойких сплавов для отливки положительных токоотводов, совершенствование режимов эксплуатации, включая уравнительные заряды.
Реализация перечисленных и других мероприятий позволит увеличить эксплуатационный срок службы в 1,5-2 раза, а число зарядно-разрядных циклов — до 400 и более. При этом за счет снижения скорости саморазряда в 2-3 раза существенно сократится частота доливок воды при эксплуатации АБ на тепловозах.
Источник
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 пласТаблица 8.4
Номинальная емкость, А-ч
Номинальное напряжение, В
Тренировочный режим оаапяла
Режим пуска дизеля
Масса с электролитом, кг
Продолжительность и ток, ч/А
Конечное напряжение, В, не менее
Напряжение, В, не менее
Напряжение, В, не менее
тин 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. 8.4.
Заряд аккумуляторных батарей при вводе в эксплуатацию производят от вспомогательного генератора тепловоза или любого другого источника постоянного тока при режимах, приведенных в табл. 8.5.
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 приТаблица 8.5
аккумулятора в коице заряда, В
напряжения у каж-
дого аккумулятора около 2 В
напряжения у каждого аккумулятора около 1,7 В
Рис. 8.31. Аккумуляторы тепловозных батарей:
а- свинцово-кнслотный типа ТН-450; б — щелочной никель-железный типа ТПНЖ.-550
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.
При взаимодействии электролита с рабочим веществом электродных пластин в процессе действия аккумулятора на пластинах протекают химические реакции по общему уравнению:
При этом во время заряда часть электронов атомов с положительных электродных пластин переходит в раствор электролита и на пластинах накапливается электрический потенциал до плюс 1,7 В, а часть электронов атомов из раствора электролита переходит на отрицательные пластины и на них накапливается потенциал до минус 0,35 В. Общая э.д.с. заряженного аккумулятора составляет 2,04-2,1 В. Во время разряда происходит обратный процесс, однако разряд следует производить только до достижения э.д.с. 1,8 В,
после чего начинается снижение прочности и разрушение электродных пластин.
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. 8.32.
Щелочной никель-железный аккумулятор ТПНЖ-550У2. Состоит из блока чередующихся между собой 36 положительных и 34 отрицательных электродных пластин 11 (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. 8.32. 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
В процессе действия аккумулятора на его пластинах между рабочим веществом и электролитом происходят химические реакции:
При этом во время заряда на пластинах накапливается электрический потенциал с общей э.д.с. 1,7 В, а во время разряда происходит обратный процесс. Но разряд следует продолжать только до достижения э.д.с. 1,0 В, чтобы не вызвать повреждения Пластин. 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. 8.32, 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.
Источник