A bateria da subestação funciona como a última linha de defesa do sistema de corrente contínua (CC), fornecendo energia de forma confiável aos equipamentos primários e secundários essenciais da subestação, mesmo durante uma falha no sistema de corrente alternada (CA). Isso assegura o funcionamento correto dos dispositivos de segurança e garante a operação segura da rede elétrica. Atualmente, a maioria das subestações utiliza baterias de chumbo-ácido reguladas por válvula, que sofrem uma redução na capacidade e um aumento na resistência interna após 4 a 5 anos de uso, o que acaba resultando em falhas.

A alta tensão utilizada nas subestações é gerada por dezenas, ou até mesmo centenas, de unidades de bateria conectadas em série. Isso significa que qualquer anomalia em uma única unidade pode resultar em uma queda significativa no desempenho geral do conjunto de baterias ou, pior ainda, levar a um grave acidente na subestação.

Se uma bateria específica entrar em circuito aberto. Devido ao ambiente selado das baterias de chumbo-ácido reguladas por válvula, seu estado interno não pode ser inspecionado regularmente, o que aumenta o risco de falhas ocultas de circuito aberto.

Este artigo analisa as principais causas de circuitos abertos em baterias de subestações e propõe medidas preventivas, incluindo métodos para detectar e prevenir falhas de circuito aberto na bateria

1. Causas e métodos de detecção do circuito aberto da bateria

Uma bateria normal de 2 V e 300 AH possui uma resistência interna de cerca de 0,5 mΩ. Durante a descarga, uma pequena tensão reversa é gerada devido à resistência interna; quanto maior a resistência interna, maior será a tensão reversa. A queda de tensão no polo positivo aumenta gradualmente e, quando a resistência interna da célula atinge um determinado valor, a tensão no polo positivo fica quase em 0. Se a resistência interna continuar aumentando, isso pode afetar a capacidade do conjunto de baterias de se descarregar adequadamente, causando danos irreparáveis.

No caso de uma falha de circuito aberto em uma bateria de chumbo-ácido regulada por válvula, podem ocorrer corrosão da grade da placa positiva, perda de água, superaquecimento, corrosão do fundo da placa negativa, sulfatação e outras falhas que aumentam a resistência interna da bateria

(1) Perda de água e superaquecimento das baterias

A perda de água é uma falha específica das baterias de chumbo-ácido reguladas por válvula. A alta tensão e corrente de carga de manutenção podem reduzir a eficiência da reação de recombinação de oxigênio, levando a um aumento da pressão interna e à liberação de gás, o que pode resultar em perda de água.

A falta de água na bateria pode reduzir a atividade dos íons envolvidos na reação eletroquímica, causando um aumento na resistência interna. O conjunto de baterias pode sofrer um aumento cumulativo sob os múltiplos efeitos da corrente de carga, da temperatura e da perda de água, levando, em última instância, a um descontrole térmico e a danos irreversíveis à bateria.

(2) Sulfatação da placa do eletrodo negativo

A subcarga prolongada ou o armazenamento em estado de semidescarga podem fazer com que o material ativo — o sulfato de chumbo — na placa negativa se recristalize e forme sulfato de chumbo duro e granulado. Se o sulfato de chumbo não puder reagir quimicamente dentro da bateria em um curto período, ele perderá sua atividade e não poderá participar da reação química posteriormente.

(3) Corrosão da grade da placa positiva

No processo de carga de manutenção, o potencial de toda a grade da placa é maior do que o da bateria com eletrólito em movimento, devido à recombinação do oxigênio. A grade da placa positiva encontra-se em um ambiente mais ácido, o que facilita sua corrosão, sendo esse um dos fatores importantes que limitam a vida útil da bateria. A perda de água ou a alta temperatura ambiente durante o funcionamento da bateria podem aumentar a densidade do eletrólito, acelerando a corrosão da placa do eletrodo positivo e reduzindo o material ativo da placa, o que acaba levando a uma baixa capacidade da bateria.

(4) Fratura de afundamento negativa

Quando a grade da placa catódica sofre corrosão, isso aumenta a reação de precipitação de oxigênio no cátodo, intensificando a reação de formação de compostos de oxigênio e a taxa de corrosão do coletor catódico. Além disso, a perda de água do eletrólito amplia o canal de transferência de oxigênio, intensificando ainda mais a reação de formação de compostos de oxigênio e aumentando o risco de fuga térmica.

Em resumo, essas causas de As falhas da bateria se reforçam mutuamente e resultam no aumento da resistência interna e na redução da capacidade. Para baterias cuja resistência interna aumenta gradualmente, podem ser utilizados métodos de detecção diária da tensão, da resistência interna e da capacidade nominal. As configurações atuais das baterias nas subestações possuem redundância suficiente; mesmo que a capacidade caia para 80%, elas ainda serão capazes de suportar a potência da carga.

Em condições normais de tensão, resistência interna e descarga com capacidade nuclear de 0,1C, o desempenho elétrico da bateria permanece normal. No entanto, se houver uma queda na alimentação de CA, as subestações exigem uma fonte de alimentação com corrente mais alta na fase inicial, e as barras coletoras gravemente corroídas podem queimar, fazendo com que o conjunto de baterias entre em circuito aberto e perca seu funcionamento adequado.

Durante a descarga da bateria, a resistência interna da bateria causa quedas de tensão, incluindo a resistência do diafragma preenchido com eletrólito, a resistência ôhmica da grade da placa, a resistência da substância ativa e a resistência das superfícies de contato sólido-sólido, sólido-líquido e do eletrólito. A variação na resistência interna da bateria pode ser caracterizada pela curva característica da queda de tensão. Quanto maior a corrente de descarga, maior será o valor do desvio de tensão, e a curva característica ficará mais evidente, conforme mostrado na Figura 1.

Após uma descarga instantânea de alta corrente com duração de 6 ms, uma bateria com capacidade nominal de 100% sofre uma pequena queda de tensão, enquanto uma bateria com capacidade nominal de 80% sofre uma queda mínima de tensão para 1,9 V, e uma bateria com capacidade nominal de 10% sofre uma queda de tensão para 1,8 V

Figura 1

O método de descarga de alta corrente e curta duração é utilizado para detectar a desconexão por fusão entre a grade de placas e o coletor. Quando há um problema de soldagem ou corrosão entre a grade de placas e o coletor, as demais placas precisam suportar mais corrente e o processo de fusão se acelera, causando um círculo vicioso que, eventualmente, leva à desconexão completa entre a grade de placas e o coletor.

No entanto, é importante levar em consideração o problema de danos à bateria causados pela descarga de alta corrente, quando a corrente de descarga ultrapassa um determinado intervalo. Normalmente, recomenda-se selecionar uma corrente de descarga entre 0,3 e 0,5C para obter um teste de resistência interna mais preciso e evitar danos à bateria.

2. Medida de prevenção contra curto-circuito na bateria

Para evitar problemas de circuito aberto nas baterias, é importante reconhecer que esses problemas se desenvolvem ao longo de um longo período de tempo, e que algumas baterias com circuito aberto podem não ser detectadas a tempo pelos mecanismos de detecção existentes. Com a tendência de subestações não supervisionadas, a prevenção de problemas de circuito aberto nas baterias está se tornando cada vez mais importante.

(1) Descarregue regularmente a bateria com alta corrente por um curto período de tempo e registre a tensão de cada unidade da bateria em tempo real. Os dados de descarga permitem calcular a resistência interna da bateria e avaliar seu desempenho. Ao verificar as características de capacidade de carga da bateria, é possível identificar baterias com circuito aberto oculto. Recomenda-se que a corrente de descarga em linha não seja inferior ao valor máximo da corrente de carga local.

(2) Abandonar o conceito tradicional de “hermética” e “sem necessidade de manutenção” das baterias de chumbo-ácido reguladas por válvula. Quando ocorre a tendência de redução da capacidade durante o funcionamento da bateria, Considere utilizar o método de reparo por ativação de carga e descarga, adicionando a solução de reparo para restaurar a capacidade da bateria. Isso pode ajudar a restaurar a resistência interna da bateria ao nível de fábrica e diminuir o ritmo da corrosão interna da grade da placa positiva, da secagem do eletrólito, da corrosão do coletor negativo, etc.

(3) Implementar rigorosamente a verificação periódica e o teste anual de capacidade do conjunto de baterias e monitorar os dados de tensão do conjunto e de cada unidade de bateria durante o carregamento e a descarga. Armazenar os dados no arquivo por meio do banco de dados. Testes adicionais para identificar baterias com anomalias no conjunto são realizados por meio da comparação horizontal das curvas de tensão de cada unidade de bateria em todo o conjunto. Além disso, a comparação vertical da tendência de variação da tensão no eixo do tempo de baterias individuais permite prever a tendência de variação no desempenho da bateria.

3. Como verificar a capacidade da bateria no Subiston?

Uma das principais preocupações dos engenheiros de operação e manutenção de subestações é verificar a capacidade das baterias e monitorar os dados de tensão de cada unidade individual durante a descarga. Para resolver essas questões, a KV Hipot Power Equipment Company desenvolveu uma série de equipamentos profissionais para teste e manutenção de baterias, incluindo  descarregador de bateria, que é utilizado para verificar a capacidade da bateria e testar equipamentos.