Свинцово-кислотная группа: почему один мёртвый элемент означает замену всей группы

Один элемент вспух. Остальные двадцать три выглядят нормально. И кто-то спрашивает: можно заменить только его?

В прошлом месяце клиент из дата-центра прислал нам фотографию. Три ряда элементов по 2 В, всего двадцать четыре, соединённых в последовательную сборку на 48 В типа OPzV. Крайний слева заметно вспух — рёбра корпуса выперли с обеих сторон. Вопрос, который он задал, мы слышим несколько раз в месяц: можно ли заменить только его?

По правде говоря, раньше мы первым делом отвечали «да». Это то, что клиент хочет услышать, это малая доля стоимости целой сборки, да и выбрасывать двадцать три элемента, которые ещё держат заряд, — сердце кровью обливается. Потом мы начали отслеживать, что происходит полгода и год спустя. Это заканчивалось плохо достаточно часто, чтобы мы изменили ответ.

Эта статья — только о свинцово-кислотных батареях: открытые OPzS, гелевые OPzV и блоки AGM, которыми заставлены большинство машинных залов. Литий живёт по совершенно другим правилам. Это будет отдельная статья.

Что последовательная сборка гарантирует на самом деле

Через каждый элемент последовательной сборки течёт один и тот же ток. Один этот факт определяет всё остальное, и именно поэтому «заменить только сломанную деталь» работает везде в электрике и не работает здесь:

• Полезная ёмкость сборки равна ёмкости её слабейшего элемента. Поставить элемент со 100 % в сборку, где остальные на 70 %, — это не дать вам 100 %. Вы останетесь на 70 %.
• Зарядное устройство защищает по напряжению сборки, а не по состоянию каждого элемента. Сборка может стоять на вполне приличном буферном напряжении 54,0 В и при этом одновременно содержать один перегреваемый и один голодающий элемент.
• Внутренние сопротивления складываются, и самое высокое решает, какая доля автономии уйдёт в тепло и просадку напряжения.

В свинцово-кислотной сборке ничто не проверяет элементы по одному. За отдельными единицами никто не присматривает. Они живут или умирают вместе.

Что происходит на каждой из четырёх стадий после установки нового элемента

Прочитайте эту таблицу дважды. Ловушка во второй строке. При 25 °C элемент VRLA обычно стоит на буферном напряжении 2,25–2,30 В на элемент и выравнивается при 2,35–2,40 В на элемент, плюс температурная компенсация −3 мВ/°C на элемент. Зарядник работает по среднему всех 24 элементов — он не знает, который из них новый. У нового элемента самое низкое внутреннее сопротивление, поэтому он оказывается в нижней части диапазона напряжений и недозаряжается; старые элементы, с более высоким сопротивлением и более низким порогом газообразования, уходят вверх. Совершенно новый элемент, за который вы только что заплатили, постепенно убивает окружающая его сборка.

Реверс элемента — шаг, который превращает дешёвый ремонт в происшествие

Вернёмся к сборке из 24: у 23 старых осталось 70 % номинальной ёмкости, новый — 105 %. При разряде 23 старых опустошаются первыми. Нагрузка не останавливается, потому что напряжение сборки ещё выше порога отключения инвертора. Ток продолжает идти — в обратную сторону, продавливаемый через элементы, у которых ничего не осталось.

Для элемента, который реверсируют:

• Напряжение на его выводах становится отрицательным, обычно от −0,5 В до −2 В на элемент под нагрузкой;
• Полярность пластин фактически меняется: сторона, которая должна быть положительной, начинает выделять водород, электролит закипает локально, давление в герметичном корпусе растёт;
• Корпус вспухает, клапан открывается, и вместе с газом выходит кислотный туман. В закрытом шкафу добавьте одну небольшую искру рядом — и вы получили воспламеняемую атмосферу.

Мы видели, как один реверсированный элемент унёс весь шкаф — не огнём, а кислотой, которая разлетелась после сброса газа и съела шкаф и полку под ним. Этот счёт куда больше, чем новая сборка.

Рассогласование сопротивления тихо съедает вашу автономию

Новый элемент VRLA имеет внутреннее сопротивление примерно 3–4 мОм; к концу срока службы оно поднимается до 8–10 мОм. В сборке, разряжающейся током 100 А, один только этот разрыв даёт лишние 0,5–0,7 В просадки, а это значит:

• Защита инвертора по низкому напряжению срабатывает раньше — вместо номинальных 10 минут автономии остаётся 6;
• Эта лишняя просадка превращается в тепло в элементе с самым высоким сопротивлением, поэтому горячая точка всегда приходится на самый старый;
• При заряде значительная доля напряжения на выводах — это падение IR, а не степень заряженности, так что зарядник принимает решения по цифре, которая уже не означает то, что он думает.

Это то, что люди слышать не хотят: после установки совершенно нового элемента автономия сборки часто становится короче, чем была с мёртвым элементом внутри. Вы потратили деньги и сделали хуже.

Остальные двадцать три не так здоровы, как вам кажется

Это упускают чаще всего. Одна сборка свинцово-кислотных элементов провела пять лет под одним буферным напряжением, в одном помещении, через одни и те же события в сети — значит, они стареют вместе:

• Коррозия положительной решётки идёт постоянно и необратимо; это классический механизм конца срока службы у свинца;
• Активная масса размягчается и осыпается чуть сильнее при каждом глубоком цикле, а то, что упало, оседает на дно;
• У элементов, которые недозаряжались или работали в жаре, на пластинах выросли жёсткие крупные кристаллы сульфата свинца, которые никакая зарядка не вернёт;
• Элемент VRLA медленно и непрерывно теряет воду, и никакая эффективность рекомбинации кислорода не вернёт то, что уже ушло через клапан.

Правило отрасли простое: когда измеренная ёмкость опускается ниже 80 % от номинала, пора планировать замену. IEEE 450 говорит это для открытых элементов, IEEE 1188 — для VRLA. Поэтому, когда первый элемент наконец падает, остальные обычно показывают чуть выше 80 %. Это не «хорошие элементы, которые можно оставить» — это элементы, стоящие в очереди, чтобы упасть следующими. Замените первый — и через несколько месяцев второй ляжет ровно на то же место.

Так когда же замена одного элемента допустима?

Мы не будем делать вид, что это никогда не допустимо. Замена одного элемента защитима, только если выполнены все следующие условия:

На практике, если сборка младше года теряет элемент, это обычно производственный дефект — и это идёт по гарантии, где производитель всё равно потребует оценку всей сборки. В запросах, которые действительно важны, в той самой категории «три-пять лет», ответ почти всегда один: меняйте сборку.

Как заказать новую сборку, чтобы деньги не пропали зря

• Меняйте всю сборку одной моделью, одной ёмкостью, одной партией. Никакого смешивания производителей, партий, старого с новым.
• При получении измерьте напряжение разомкнутой цепи и внутреннее сопротивление и держите сборку в пределах ±5 % по ёмкости и ±10 % по сопротивлению — всё та же логика IEEE 450.
• После монтажа проведите полный тест ёмкости и сохраните протокол. Это ваша точка отсчёта для всех будущих ежегодных проверок.
• Через 30 дней измерьте снова, чтобы убедиться, что никто не отстал.
• Заодно проверьте момент затяжки перемычек, датчик температуры, буферное напряжение и температурную компенсацию зарядника. Старение никогда не бывает только виной самой батареи.

Посчитаем

Четыре процента выглядят очень заманчиво. Но эти 4 % не покупают «починено». Они покупают «пока держится». А отключение электроэнергии никогда не предупреждает, в какой день придёт.

Что делаем мы

• Сначала измеряем всю сборку, ничего не заказывая — записываем напряжение разомкнутой цепи, сопротивление и внешнее состояние по каждому элементу
• Определяем, отказ от старения или от внешней причины, по сроку службы и истории
• Любая сборка, уже подошедшая к 80 % ёмкости, меняется целиком, без латок на один элемент
• Новую сборку подбираем при получении: ±5 % по ёмкости, ±10 % по сопротивлению, одна партия
• Проводим полный тест ёмкости и оставляем его базой, затем повторяем измерение в течение 30 дней
• Одновременно калибруем буферное напряжение и температурную компенсацию, чтобы новые элементы не пошли по той же дороге, что старые

В конце концов батарейная сборка — командная игра. Замените одного игрока, и команда не станет сильнее — она продолжит бежать со скоростью своего слабейшего звена. В следующий раз, когда кто-то спросит «можно просто заменить тот, что умер?», мы надеемся, вы уже знаете ответ.