Zatroszcz się sam o rezerwowe zasilanie

Bateryjne rezerwowe zasilanie jest sposobem na życie w świecie, w którym sieć energetyczna, choć na ogół skuteczna, to nie zapewnia 100 procentowej niezawodności. W epoce masowego przetwarzania danych, globalnej informacji, telekomunikacji i Internetu, system bateryjnego zasilania rezerwowego staje się koniecznym składnikiem infrastruktury naszej cywilizacji. Zapewnia on ochronę danych systemowych i strumień dochodów przez nie generowanych. Nie do przecenienia jest też fakt zapewnienia bezpieczeństwa pacjentów w szpitalach, systemach pogotowia oraz utrzymania komunikacji podczas przerw w dopływie standardowego zasilania. Nawet w pojedynczych odbiornikach energii stosuje się bateryjne podtrzymywanie zasilania przy urządzeniach o podstawowym znaczeniu dla funkcjonowania zakładu wytwórczego czy usługowego. Co zatem należy czynić, aby mieć pewność, że nasze baterie zapewnią zasilanie, gdy zajdzie taka potrzeba? Najpierw przypomnijmy sobie, co to są baterie.

Do wytworzenia energii elektrycznej, każde ogniwo potrzebuje dwóch elektrod z różnych (przewodzących) materiałów umieszczonych w przewodzącym środowisku chemicznym (elektrolicie)

Podstawy

Bateria to zbiór ogniw wytwarzających energię elektryczną, połączonych ze sobą w uporządkowany sposób: szeregowo, równolegle lub na sposób szeregowo-równoległy. Podobnie akumulator to także zbiór elementów (zwanych celami) zdolnych do magazynowania i oddawania energii elektrycznej. Zasadniczą różnicę między akumulatorem a baterią stanowi cecha użytkowa – akumulator można wielokrotnie ładować (napełniać) energią, zaś z baterii prądotwórczej można tylko energię czerpać. Wszystkie inne cechy są wspólne. Ogniwo galwaniczne składa się z dwu elektrod wykonanych z różnych materiałów, zanurzonych w elektrolicie. W takim układzie na elektrodach zachodzi reakcja chemiczna. Z dużym uproszczeniem można przyjąć poniższy model zjawiska. Cząsteczki elektrolitu pod wpływem wody uległy rozpadowi na jony dodatnie i ujemne. Jony te wędrują do „swoich” elektrod, tworząc warstwę przyelektrodową. W ten sposób elektroda uzyskuje potencjał elektryczny. Jony, oddając swój ładunek elektrodzie, wiążą się z materia łem elektrody i na nim pozostają lub opadają na dno. Efektem tej reakcji jest wytwarzanie energii elektrycznej. Różnica potencjałów między elektrodami jest napięciem ogniwa. Elektrolit zaś jest nośnikiem energii elektrycznej wewnątrz ogniwa.

W bateriach z ogniwami ołowiowokwasowymi jedna elektroda jest wykonana z metalicznego ołowiu, zaś drugą stanowi warstwa tlenków zanurzone w wodnym roztworze kwasu siarkowego. Tak jest zbudowany typowy akumulator samochodowy. Inne popularne ogniwa, na przykład niklowo-kadmowe, mają elektrody wykonane ze związków (lub mieszanin związków) niklu i kadmu, elektrolitem jest roztwór wodny wodorotlenku potasu. Kolejne z powszechnie stosowanych ogniw to ogniwa niklowe z wodorkami metali. Jedna elektroda to związki niklu (jak w niklowo kadmowej), a drugą stanowią wodorki innych metali, elektrolitem jest specjalna pasta przewodząca, o skomplikowanym składzie.

W tym artykule będzie mowa przede wszystkim o akumulatorach ołowiowo-kwasowych, one są bowiem obecnie najpowszechniej stosowane. W potocznym języku znamy je jako akumulatory. Mają znaczne rozmiary, są ciężkie i to ich zasadnicza wada. Będziemy się tutaj posługiwali terminem „baterie akumulatorów” lub nawet wprost słowem „baterie”, rozumiejąc pod tym duże nagromadzenie (stos, magazyn) tych właśnie akumulatorów.

Zagrożenia związane z bateriami

Baterie akumulatorowe są najbardziej użytecznym, a w konsekwencji najpowszechniej używanym, niezawodnym Źródłem energii elektrycznej. Przy właściwej obsłudze i zgodnym z zasadami postępowaniu, stosy baterii są bardzo bezpieczną metodą magazynowania energii elektrycznej. Jednakże przechowywanie baterii akumulatorowych stwarza pewne bardzo poważne zagro żenia wypadkami. Miały one miejsce w przeszłości, ale też są wciąż aktualne. Dlatego zapoznanie się z zagrożeniami ma duże znaczenie, bowiem baterie akumulatorów to nie tylko niebezpieczeństwo wynikające z właściwości prądu elektrycznego.

Pierwsze zagrożenie wynika z faktu, że przechowywane baterie są stale doładowywane, a to oznacza, że pod wpływem przyłożonego z zewnątrz napięcia zachodzi proces elektrolizy wody. Na elektrodach wydzielają się gazy: na katodzie wodór, a na anodzie tlen. W ten sposób powstaje zagrożenie wybuchem, wiadomo bowiem, że określony skład mieszaniny wodoru i tlenu to najwyższe zagrożenie wybuchem, który może zainicjować byle łuk lub iskra.

Dlatego dla pomieszczeń składowych baterii akumulatorów normy państwowe wymagają tak intensywnego wentylowania, aby stężenie uwolnionego wodoru w powietrzu nie przekroczyło 1%. Według tych norm dostęp do pomieszczenia z bateriami może mieć wyłącznie upoważniony, wykwalifikowany personel. Ponadto przestrzeń wokół baterii powinna odpowiadać przepisom ustalonym dla urządzeń elektrycznych prądu przemiennego.

Procedury i wyposażenie zabezpieczające dla baterii akumulatorów

Układy zasilania rezerwowego stwarzają znaczne niebezpieczeństwo porażenia prądem. Dlatego normy bezpieczeństwa elektrycznego wymagają podjęcia odpowiednich środków ostrożności w miejscach, gdzie dokonuje się okresowych czynności, to jest przeglądów i obsługi wymaganej przez ten rodzaj urządzeń. W razie porażenia prądem stosuje się standardowy tok postępowania, typowy dla danego zakładu, zapewniający osobom poszkodowanym wygodę i opiekę do czasu przybycia wykwalifikowanego personelu medycznego. Zagadnienia bezpieczeństwa przy urządzeniach elektrycznych regulują w Polsce normy: PN-EN 60743, PN-EN 61243-1 do -5 oraz PN-80/E-08503, wszystkie w jednej grupie „Praca pod napięciem”.

Praca przy układach bateryjnych także stwarza znaczące zagrożenie chemiczne ze względu na obecność mocnych kwasów (kwas siarkowy VI) lub zasad (roztwór wodny wodorotlenku potasu).

Wyposażenie używane w celu ochrony ludzi przed oparzeniem chemicznym:

• Przynajmniej okulary typu gogle, a najlepiej maski ochraniające twarz i szyję przed kroplami kwasu/zasady.
• Fartuch z materiału odpornego na działanie kwasów i zasad.
• Rękawice ochronne z materiału odpornego na działanie kwasów i zasad.
• Obuwie chemiczne lub kalosze.

Dodatkowo oprócz środków ochrony osobistej, zapewnić należy możliwość umycia oczu lub zwilżenia wodą bezpośrednio narażonych powierzchni (rys. 3). Państwowe normy bezpieczeństwa wymagają też, aby zapewnić możliwość obmycia oczu w ciągu 10 sekund. Tak to ujmuje standard NFPA nr 70E. Z kolei przepisy ochrony zdrowia wyraźnie formułują wymaganie: „Jeżeli ciało lub oczy osoby mogą być bezpośrednio narażone na skażenie środkami żrącymi, odpowiednie urządzenia do szybkiego spłukania ciała i obmycia oczu powinny się znajdować na roboczym poziomie pracy, celem umożliwienia bezpośredniego zastosowania środków bezpieczeństwa”.

W Polsce podobnie ujmują te zagadnienia normy i przepisy bhp dotyczące pomieszczeń laboratoriów chemicznych. Są jednak przygotowane dla każdej branży oddzielnie. Tak samo jest ze środkami ochrony osobistej. Poszczególne normy odnoszą się do odzieży chroniącej przed płynnymi chemikaliami (PN-EN 465), materiałów i tekstyliów na tę odzież (PN-P 04987), ochrony oczu (PN-EN 165 do PN-EN 175), rękawic (PN-EN 374-1, -2, -3), a także obuwia ochronnego, kasków, hełmów, fartuchów itp. Ta tematyka jest drobiazgowo opisana w wymienionych powyżej normach i w normach towarzyszących, które są w nich przywoływane.

W celu zapobieżenia możliwości spowodowania eksplozji, przy wykonywaniu czynności obsługiwania baterii akumulatorów powinny być stosowane specjalne narzędzia, wykonane z odpowiednich materiałów. Materiał narzędzi musi uniemożliwiać powstanie iskry lub łuku elektrycznego i nie powinien być podatny na uszkodzenie przy zetknięciu z kwasem lub zasadą. Te narzędzia powinny być też, jeśli to możliwe, izolowane, aby nie dopuścić do porażenia prądem.

&nb

Tematyka ochronna ujęta jest w polskiej normie: Zapobieganie wybuchowi i ochrona przed wybuchem PN-EN 1127-1.

Dodatkowe środki ostrożności:

• Przed wejściem do pomieszczenia z bateriami nale ży się upewnić, że wentylacja pomieszczenia jest włączona.
• Trzeba sprawdzić, czy na miejscu jest odpowiedni odczynnik neutralizujący kwasy i zasady. Typowe to soda (wodorowęglan sodu) do kwasów oraz kwas octowy do zasad.
• W bezpośredniej bliskości baterii obowiązuje zakaz palenia, używania otwartego płomienia oraz jakichkolwiek działań, mogących spowodować powstanie łuku elektrycznego i wywołanie eksplozji.

Obsługa baterii

Procedury obsługiwania baterii nie powinny obejmować ani za wiele, ani za mało działań. Aby uniknąć tych skrajności, proponujemy interaktywny test, najpierw jednak zapoznajmy się z podstawowymi terminami i ich znaczeniem.

Napięcie ładowania. To jeden ze zwodniczych parametrów. Podczas gdy pomiar napięcia pojedynczych cel jest ważny, suma napięć wszystkich cel w baterii (łączonych szeregowo) musi być równa napięciu wyjściowemu ładowarki, wyłączając straty na oporności. To warunek, by ładowarka pracowa ła poprawnie. Ponieważ zwykły odczyt napięcia na celi niekoniecznie wskazuje na stan celi, konieczny jest inny, niestandardowy pomiar.

Pomiar gęstości elektrolitu. W procesie elektrochemicznym, zachodzącym w akumulatorze, zasadniczą rolę odgrywają jony siarczanowe (VI), powsta łe w wyniku rozpadu cząsteczek kwasu siarkowego (VI) pod wpływem wody. Podczas pracy akumulatora pewna ich ilość wchodzi w reakcję. W ten sposób w elektrolicie zmniejsza się ilość cząsteczek kwasu (zasady). Miarą zużycia elektrolitu jest spadek jego gęstości. W całkowicie naładowanym akumulatorze gęstość elektrolitu wynosi w przybliżeniu 1,24 g/cm3. Niepewność pomiaru bierze się z faktu, że gęstość elektrolitu w znacznym stopniu zależy od temperatury (polskie normy zalecają pomiary przy temperaturze 15OC. Na podstawie przeprowadzonych badań nie udało się ustalić wyraźnego związku między gęstością elektrolitu a stanem naładowania akumulatora. Mówi o tym standard IEEE 450, u nas informacje o pomiarach akumulatorów zawiera norma PN-EN 60896-2 i pokrewne przywołane w niej.

Pomiar prądu ładowania. Utrzymywanie baterii akumulatorów w gotowości polega na ich stałym podłączeniu do układu ładującego. Pozostawiona sobie bateria stale znajdowałaby się w stanie samoroz ładowywania, natomiast ładowarka usiłuje utrzymać baterie w stanie pełnego naładowania. Natężenie prądu płynącego w obwodzie ładującym jest (jak każdy prąd) wynikiem przyłożonego napięcia, czyli różnicy potencjałów. W tym przypadku dotyczy to różnicy potencjałów między biegunami ładowarki i baterii. Doładowywane baterie ołowiowe wykazują tendencję do osiągania stanu niestabilności cieplnej. Jeżeli prąd w obwodzie wzrasta wskutek na przykład spadku oporności, wzrasta jednocześnie temperatura elektrolitu. Podgrzanie elektrolitu skutkuje z kolei wzrostem natężenia prądu, co znowu podnosi temperaturę elektrolitu. I chociaż sam elektrolit na skutek dużej pojemności cieplnej spowalnia ów proces wzrostu temperatury, to jednak taka niestabilność może doprowadzić do awarii. Nadmierny wzrost temperatury elektrolitu może doprowadzić do uszkodzenia elektrody, a zatem do przerwania obwodu elektrycznego układu ładowarka – stos baterii. Takie zdarzenie może wystąpić na przestrzeni jednego do czterech miesięcy. Dlatego okresowy pomiar prądu jest tak ważny. Ze względu na opisane zachowanie akumulatorów ołowiowych, nowe nieużywane jeszcze akumulatory przechowuje się na sucho, to jest bez elektrolitu, a producent dostarcza je w stanie naładowanym.

Pomiar tętnień prądu. Tętnienia prądu są efektem ubocznym pracy ładowarki. Ładowarka, jako urządzenie zasilane prądem przemiennym, musi przetworzyć ten prąd na prąd stały. Powstałe przy tym tętnienia prądu na wyjściu z ładowarki są usuwane przez filtry. W ciągu długiego czasu eksploatacji filtry ulegają zużyciu, przez co tętnienia, początkowo śladowe, wzrastają do znacznych wartości i niekorzystnie oddziaływują na baterie. Jest to oddziaływanie podobne jak w przypadku wzrostu prądu ładowania. Jeśli tętnienia prądu wzrosną ponad wartość 5A (wartości skutecznej) na każde 100 Ah pojemności akumulatorów w baterii, wzrasta wtedy temperatura baterii, co skraca jej żywotność. Dlatego obserwacja i pomiary tętnień pomagają w utrzymywaniu baterii akumulatorów we właściwym stanie, to jest w gotowości do użycia. Gdy wartość tętnień przekroczy podaną tutaj granicę, należy naprawić lub wymienić ładowarkę. Przed tym powinniśmy sprawdzić stan elektrolitycznych kondensatorów w filtrach ładowarki.

Temperatura. Oddziaływanie granicznych wartości temperatury powoduje zarówno wewnętrzny (w ogniwach), jak i zewnętrzny (w otoczeniu) intensywnie niszczący wpływ na trwałość baterii. Większość baterii ma przewidywaną trwałość około 20 lat pracy w temperaturze zbliżonej do 25OC. Każde 10OC wzrostu temperatury skraca jego życie o połowę. Wzrost temperatury skutkuje szybszą korozją elementów akumulatora i przewodów oraz wieloma innymi uszkodzeniami.

Prąd i czas rozładowania. Stałe bezpośrednie obserwowanie prądu rozładowania i sumowanie w czasie pozwala na określenie ilości oddanej energii. Dodatkową korzyścią z tego sumowania jest szacunkowa informacja o prawdopodobnej pojemności baterii. Jednakże jedynym sposobem na sprawdzenie aktualnej pojemności baterii jest test na rozładowanie.

Oporność połączeń między ogniwami (celami).

Jest to jeden z najważniejszych parametrów mówiących o jakości bateryjnego układu rezerwowego zasilania. Okazuje się, że ponad 50% awarii układów rezerwowego zasilania polegało na poluzowaniu lub korozji połączeń międzyogniwowych. Te awarie były przypisywane częstym przerwom i/lub cyklom rozładowania i doładowania, które powodowały, że ołowiane pręty na przemian rozszerzały się i kurczyły. Sprawdzenie oporności między ogniwami jest proste i może być wykonywane razem z innymi próbami, na przykład sprawdzania impedancji (oporności całkowitej), bądź też jako test samodzielny przy użyciu bardzo czułego omomierza (zakres rzędu µom). Celem zmniejszenia zmęczenia materiałowego przyłączy wskutek cyklicznego ładowania – rozładowywania baterii, wytwórcy akumulatorów zalecają stosowanie zacisków śrubowych.

Sprawdzenie pojemności (test obciążenia). To jedyna metoda na określenie aktualnej pojemności elektrycznej układu rezerwowego zasilania – baterii akumulatorów. Ujemną stroną tej metody jest to, że zależnie od sposobu zabiera wiele czasu bądź wymaga intensywnych i kosztownych prac laboratoryjnych. W dodatku każde takie sprawdzenie skraca czas życia baterii. Z tego względu większość producentów zaleca jego przeprowadzanie raz na 3 do 5 lat.

Impedancja. Pomiar impedancji wewnętrznej ogniwa (celi) pozwala na określenie zdolności tego ogniwa do dostarczenia energii elektrycznej. Składniki impedancji: rezystancja i reaktancja pojemnościowa, są skorelowane z pojemnością celi akumulatora. Choć ta korelacja nie daje 100-procentowej wiedzy o pojemności, to jednak jest świetną metodą na wykrycie słabych ogniw w układzie. Miernik impedancji używa prądu przemiennego do jednoczesnego pomiaru wartości prądu i spadku napięcia przy przepływie prądu przez celę. Oblicza następnie impedancję, dzieląc wartość spadku napięcia na celi przez wartość przepływającego prądu. Z kolei wartość impedancji jest odwrotnie proporcjonalna do pojemności celi, to znaczy, gdy ta pojemność spada, impedancja rośnie. Takie pomiary są stosunkowo szybkie, dla 60 cel trwają 30 minut, a cały układ zasilania rezerwowego nie musi być odłączany od sieci na czas trwania testu.

Mogą być też stosowane inne metody sprawdzania stanu układu baterii akumulatorów, zależnie od fabrycznych czy miejscowych przepisów lub praktycznych sugestii ze strony producentów akumulatorów. Jednakże powyższa lista obejmuje większość najpowszechniej stosowanych w świecie metod kontroli stanu baterii. Dostarcza też najpoważ- niejszą ilość danych, pozwalających określić praktyczną kondycję układów bateryjnego zasilania rezerwowego.

Analiza danych

Mamy nadzieję, że przedstawione w niniejszym artykule dane i sposoby postępowania, ułatwią opracowanie indywidualnych systemów utrzymania w stanie gotowości bateryjnych układów zasilania awaryjnego. W oparciu o przekazane informacje każdy użytkownik sam zdecyduje, jak najlepiej postępować i które analizy przeprowadzić, a ich wyniki wykorzystać w swoim układzie.

Przede wszystkim zalecane jest użycie bazy danych do śledzenia i określenia trendu, jaki wynika ze wszystkich pomiarów na przestrzeni pewnego czasu i uwolnić się od takich form prezentacji danych, które nie dają możliwości porównania stanu dzisiejszego z poprzednim. Pomogą w tym specjalistyczne bazy danych o odpowiedniej pojemności, umożliwiające przechowanie dużej liczby pomiarów wszystkich parametrów.

Do określenia granicznych wartości określonych parametrów, takich jak napięcie ładowania, należy postąpić zgodnie z instrukcją producenta akumulatorów. Inne pomiary, jak na przykład pomiar impedancji wewnętrznej ogniwa, są bardziej dyskusyjne. W niektórych przypadkach uzasadnione byłoby ustalenie granicy zagrożenia awarią, na przykład na poziomie 50% wzrostu impedancji ogniw baterii ponad wartość z wcześniejszego pomiaru. Takie ograniczenia stwarzają wygodną pozycję do utrzymania baterii przez możliwie najdłuższy czas bez poważnego ryzyka powstania awarii.

Wniosek końcowy

Czy baterie lubimy, czy nie, muszą one być utrzymywane w stanie gotowości zasilania pełną swoją mocą. Istotą programu utrzymywania układu bateryjnego rezerwowego zasilania jest poczucie pewności, że układ zaspokoi podstawowe zapotrzebowanie na energię w sytuacji, gdy wystąpi przerwa w dostawie energii elektrycznej z zewnątrz. Właściwe sprawdzenie i analiza uzyskanych danych decydują o czasie wymiany baterii. Sporządzenie procedur testowania pomaga również przy awaryjnej wymianie baterii. Wyniki testów, brane pod uwagę przy sporządzaniu budżetu, pozwalają na zmniejszenie kosztów.

Artykuł pod redakcją

Józefa Czarnula