Новая разработка: ДИРА – датчики-индикаторы глубокого разряда аккумуляторных батарей, как инструмент управления гарантией или сокращения затрат на обслуживание.

Введение

Большинство современных систем гарантированного электропитания осуществляют контроль состояния аккумуляторных батарей по общему напряжению группы аккумуляторов, а так же по средней точке. При этом до сих пор, поэлементный контроль АКБ, необходимый для своевременного определения «слабого звена» в цепи аккумуляторов, является «дорогим удовольствием» для Потребителя, а так же накладывает, как это не странно, дополнительные эксплуатационные расходы, например, на обслуживание компонент системы мониторинга АКБ, поддержку программного обеспечения и тд. Однако, именно из-за отсутствия поэлементного контроля аккумуляторных батарей, происходят отказы и сбои в работе систем гарантированного электропитания (уменьшается время резерва, сокращается срок службы аккумуляторов). Существует множество примеров из практики, когда по причине выхода из строя одного единственного элемента цепи аккумуляторных батарей, оказывалась беспомощной дорогостоящая система бесперебойного питания будь то 48В-ая система в системах связи или ИБП серверной.

Применяемые в телекоммуникациях и системах ИБП свинцово-кислотные аккумуляторные батареи обладают рядом особенностей работы. Одной из критичных особенностей является работа АКБ в условиях повышенной температуры, что значительно сокращает его срок службы. Второй такой особенностью, является недопущение разряда аккумулятора ниже напряжения 1,8В/эл. Здесь нужно сделать оговорку, что порог ограничения напряжения разряда аккумулятора зависит от его конструкции и назначения, а также режима разряда. Для режимов «длинных разрядов», например 10-ти часового разряда, ограничением является значения 1,7-1,8 В/эл. А режимы «коротких разрядов» проводятся вплоть до 1,6 В/эл. Поскольку в 12В-ой аккумуляторной батарее конструктивно располагаются 6 (шесть) 2-х вольтовых элементов (гальванических пар), то пороговое напряжение в этом случае будет составлять 6*1,6В = 9,6В.

Все мы знаем к чему приводят глубокие разряды аккумуляторных батарей, однако настройки отключения системы гарантированного электропитания или ИБП, производятся из расчета 1,8В * 6 элементов * 4 АКБ = 43,2 В. Это то значение напряжения, при котором система отключит нагрузку от аккумуляторной батареи, не позволяя им «уйти в глубокий разряд». Данное правило справедливо в случае, если все аккумуляторные элементы в цепи разряжаются одинаково…

Выдержка из ИНСТРУКЦИИ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ СТАЦИОНАРНЫХ СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ В СОСТАВЕ ЭПУ НА ОБЪЕКТАХ ВСС РОССИИ (1998г, Разработанная Ленинградским отраслевым научно-исследовательским институтом связи (ЛОНИИС)

4.2.3. Разброс напряжения элементов
4.2.3.1. Важным параметром, определяемым технологией изготовления аккумуляторов, является разброс напряжения отдельных элементов в составе батареи при заряде, подзаряде или разряде, который для открытых типов аккумуляторов задается изготовителем, как правило, в пределах ±2 % от среднего значения. При коротких режимах разряда (1-часовом и более коротких) этот разброс напряжений не должен превышать ±5 %. Обычно для аккумуляторов с содержанием сурьмы в основе положительных электродов более 2 % разброс напряжений отдельных элементов в батарее значительно ниже вышеуказанного и не приводит к осложнениям в процессе эксплуатации аккумуляторных установок.

Таким образом, для нашего случая допустимым разбросом напряжения аккумуляторных батарей составляет ±0,216В в конце разряда, напомню напряжение АКБ составит 10,8 В, а напряжение группы составит 43,2В.
Составим простейшую таблицу зависимости напряжений АКБ в группе из 4-х элементов 48В. Заполним значения АКБ 4 исходя из условия равенства суммы напряжений АКБ 1- 4 пороговому значению 43,2В

АКБ 1	АКБ 2	АКБ 3	АКБ 4	Общ
10,8	10,8	10,8	10,8	43,2
11	11	11	10,2	43,2
11,5	11,5	11,5	8,7	43,2
12	12	12	7,2	43,2
12,5	12,5	12,5	5,7	43,2
13	13	13	4,2	43,2
13,5	13,5	13,5	2,7	43,2

Из таблицы прекрасно видно, что для того, чтобы в начале разряда напряжение группы АКБ опустилось до порогового уровня 43,2 В, необходимо чтобы на одном из аккумуляторов напряжение понизилось до 2,7В. А это значит, что любое напряжение на аккумуляторе в диапазоне от 2,7 до 10,8 В будет не чувствительным для настроек системы электропитания.

Мы видим, что при любых разрядах ни одна система гарантированного питания или ИБП (где, кстати сказать, применяется от 30 аккумуляторов и больше) не способна определить глубокий разряд одного из элементов АКБ. Тем не менее, неисправный элемент будет «заражать» следующий слабый элемент в цепи, пока общая емкость группы АКБ не станет ниже 80% и это не заметит обслуживающий персонал.
Какие же существуют методы диагностики неисправных элементов аккумуляторных батарей, мы уже с вами прекрасно знаем. Классический метод нагрузочного тестирования и современный метод измерения внутренней проводимости или сопротивления. В линейке предлагаемой продукции нашей компании уже присутствуют разрядно-диагностические устройства CONBAT и тестеры аккумуляторных батарей MIDTRONICS. Но есть одно НО. Не
всегда можно провести контрольный разряд аккумуляторных батарей на нормированную нагрузку. И так же не всегда можно достать до выводов аккумуляторных батарей находящихся в шкафу без его разбора и, соответственно, отключения.
Таким образом, мы подошли к главной идеи разработки – необходимо наглядно, информативно и достоверно определять неисправные элементы АКБ, да еще и за приемлемую стоимость.
Специалистами компании COMMENG и ЗАО «Логический элемент» были разработаны аналоговые датчики-индикаторы, предназначенные для контроля и фиксации событий в работе аккумуляторов: разряда ниже установленного уровня и повышения температуры выше допустимого значения:
1. Датчики-индикаторов разряда аккумуляторов ДИРА-1 (1 вход, контроль одного аккумулятора) и ДИРА-4 (4 входа, контроль четырех аккумуляторов);
2. Датчики-индикатора разряда и перегрева аккумулятора ДИРПА-2 (2 входа для контроля напряжения, 2 входа для контроля температуры – контроль двух аккумуляторов).
Принципы контроля напряжения и температуры
Принцип контроля напряжения основан на методе сравнения опорного напряжения со значением напряжения на регулируемом делителе, подключенном к клеммам аккумулятора. На входе и выходе компаратора установлены времязадающие цепи необходимые для правильной работы датчика. Аналогичным образом измеряется и температура, где в одном из плеч делителя установлен терморезистор.
Принципы регистрации
В датчике ДИРА-1, предназначенном для контроля 1-го аккумулятора для регистрации события снижения напряжения на клеммах аккумулятора ниже заданного уровня используется элемент разового действия, который необратимо изменяет свое состояние при наступлении события. Применение элементов разового действия для абсолютно надежной фиксации редких событий является одним из самых эффективных и экономичных решений. После срабатывания датчик подлежит замене и может быть восстановлен на предприятии-производителе или в уполномоченной организации.
В датчиках ДИРА-4 и ДИРПА-2 в качестве регистрирующего элемента используется поляризованное реле, которое при наступлении регистрируемого события отключает схему контроля от аккумулятора и с помощью сигнальных контактов выдается сообщение в систему мониторинга электроустановки.
Сработавшие датчики могут быть возвращены в исходное состояние путем подачи сигнала сброса на вход RESET.
В датчиках всех типов состояние нормальной работы сопровождается свечением зеленого светодиода, который гаснет при срабатывании.

На рисунке 1 изображено линейное падение напряжения на клеммах аккумулятора. Штриховой линией показан разряд аккумулятора не вызывающий глубокий разряд. Пунктирной – напряжение, соответствующее глубокому разряду аккумулятора. Сплошной линией показана область сработавшего датчика.
На рисунке 2 изображено, как напряжение на клеммах аккумулятора кратковременно опустилось ниже заданного значения, но не превысило 7 секундный интервал и датчик не сработал.
Конструкция и технические характеристики датчиков
ДИРА-1 – простой, надёжный индикатор глубокого разряда аккумулятора не требующий обучения персонала.

Рисунок 3. Внешний вид ДИРА-1
Датчик-индикатор подключается к клеммам 12В (двенадцати вольтового) аккумулятора и фиксирует падение напряжения на аккумуляторе ниже определенного уровня. Работа датчика основана на применении элемента разового действия, который необратимо изменяет свое состояние при падении напряжения на аккумуляторе ниже заданного уровня и дольше, чем на определенный промежуток времени. Нормальное состояние аккумулятора подтверждается свечением зелёного светодиода. В случае наступления глубокого разряда аккумулятора — датчик от аккумулятора отключается и светодиод гаснет. Сработавший датчик следует заменить.

 

ДИРА-1 имеет следующие характеристики:

Параметр	Значение
Номинальное напряжение аккумулятора, В	12
Максимально возможное напряжение на аккумуляторе, В	16
Уровень срабатывания датчика, В	9 ± 0,5
Задержка срабатывания датчика при падении напряжения ниже уровня срабатывания, не менее, с	7
Состояние аккумулятора должно обеспечивать при подключении к клеммам нагрузки с активным сопротивлением 50 Ом* протекание тока:	не менее 100 мА в течении не менее, чем 20 с
Наименьшее напряжение, при котором датчик гарантированно срабатывает не менее, В	6
Сопротивление провода, которым датчик подключен к клемме аккумулятора, не более, Ом	5
Климатическое исполнение по ГОСТ 151150-69	УХЛ 3.1
Размеры, мм	75х35х20
Вес, не более	50 г

ДИРА-4

Датчик ДИРА-4 разработан для подключения к группе из 4-х 12В (двенадцати вольтовых) аккумуляторов с теми же характеристиками, что и ДИРА-1 за исключением, что вместо элемента разового действия установлено поляризованное реле с возможностью возврата в исходное состояние с помощью специального устройства и возможностью включения в систему сигнализации путем снятия сигнала состояния устройства с встроенного реле. ДИРА-4 может устанавливаться на поверхность или на DIN-рейку.

Рисунок 4.

Рисунок 5. Подключение ДИРА-4 к системе мониторинга.
Так же возможно подключение каждого датчика отдельным «сухим контактом» или объединение датчиков по «группам», «шкафам», «системам».
ДИРПА-2
Датчик ДИРПА-2 имеет 2 входа для контроля разряда, который происходит аналогично датчику ДИРА-4 и 2 входа для контроля температуры. Температура срабатывания датчика должна устанавливаться при заказе и может регулироваться в широких пределах. Температура зависит как от конструкции аккумулятора, так и условий эксплуатации. Оптимальные способы и места крепления датчиков температуры к аккумуляторам будут определены в ходе дальнейшей работы.
Конструкция ДИРПА-2 аналогична ДИРА-4.
Выводы:
Во многих случаях целесообразна установка датчиков-индикаторов разряда аккумулятора для определения «отстающих» элементов АКБ, в процессе текущей эксплуатации систем без проведения дополнительной диагностики, что значительно сокращает затраты на обслуживание. В случае срабатывания датчиков, рекомендуется проводить более детальную инструментальную диагностику всей группы АКБ с применением разрядно-диагностических устройств и тестеров проводимости АКБ. Наличие сухого контакта в ДИРА-4, позволяет с успехом интегрировать в любую существующую систему диспетчеризации и мониторинга, а так же установить ДИРА в системы электропитания любого производителя.
ДИРА и ДИРПА являются простыми, надежными и дешевыми устройствами для мониторинга состояния отдельных аккумуляторных моноблоков в составе
групп АКБ, подключенных к системам гарантированного питания 24-36-48-60В или источникам бесперебойного питания. Срок службы данных устройств сравним со сроком службы самих АКБ – 10-12 лет. Аналоговая схема построения устройства, позволила сделать его полностью пассивным, т.к. не потребляющим ток от батарей.
Данные изделия будут так же полезны поставщикам систем электропитания и аккумуляторных батарей в тех случаях, когда Потребители предъявляют повышенные требования относительно срока гарантии.