Особенности эксплуатации стартерных аккумуляторных батарей для запуска двигателей дизель-генераторных установок

Кулигин Павел Алексеевич, ООО «Бэттери Сервис»

Кулигин Михаил Алексеевич, ООО «ПТК «Логический Элемент»

Коробов Леонид Львович, Центральный филиал ПАО «МегаФон»

 

«Особенности эксплуатации стартерных аккумуляторных батарей для запуска двигателей дизель-генераторных установок на объектах связи. Опыт применения Датчиков-Индикаторов Разряда Аккумулятора (ДИРА-4) для обеспечения работоспособности ДГУ»

Дизель-генераторные установки (далее по тексту ДГУ) широко применяются в телекоммуникациях в качестве резервных или аварийных источников электроэнергии как на базовых станциях, так и на крупных сетевых элементах — таких как контроллеры, коммутаторы и ЦОДы.

Основной функцией ДГУ является преобразование химической энергии дизельного топлива, сгораемого в цилиндрах двигателя, в электрическую энергию тока, вырабатываемого электрогенератором. В цилиндрах дизеля сгорает топливо, при его сгорании энергия топлива преобразуется в тепловую энергию газов, после этого тепловая энергия газов кривошипно-шатунным механизмом преобразуется в механическую энергию, которая передается на ротор электрогенератора, преобразующим механическую энергию ротора в электрическую энергию.

 

Рис 1. Внешний вид электрогенераторной установки INMESOL AL-022 (20кВт)

 

 

Для запуска двигателя внутреннего сгорания ДГУ используется электростартер. Это наиболее распространённый способ. При запуске двигатель раскручивается электродвигателем, питающимся от аккумуляторной батареи. Для того, чтобы провернуть коленчатый вал двигателя и раскрутить его до значения минимальных оборотов надёжного пуска, АКБ должна обеспечить требуемый ток стартера в диапазоне допустимых условий применения ДГУ. При вращении коленчатого вала в период пуска требуются значительные усилия, чтобы преодолеть сопротивления трения движущихся частей как в момент страгивания, так и далее при прокрутке. Особенно это актуально для запусков при низкой температуре, когда момент сопротивления проворачиванию возрастает из-за увеличения вязкости масла.

При пуске любого двигателя внутреннего сгорания ДГУ происходит падение напряжения на выводах стартерной аккумуляторной батареи (см. пример на рис 2.)

Рис.2. Общий вид графика изменения напряжения на выводах стартерной АКБ 12 вольт при запуске дизельного двигателя внутреннего сгорания с классическим кривошипно-шатунным механизмом.

 

Этап №1: ДВС в покое, работает статическое зарядное устройство АКБ;

Этап №2: предпусковой прогрев камер сгорания при помощи свечей накаливания (применяется не всегда); Этап №3: проворачивание коленчатого вала ДВС при помощи стартера (характерен

кратковременный провал напряжения в момент страгивания механической системы с дальнейшим увеличением оборотов прокрутки и запуском); Этап №4: ДВС в работе, питание потребителей борт-сети и заряд АКБ обеспечивает навесной генератор.

Так же как и в автомобилях, в ДГУ применяются практически все виды стартерных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей: традиционные сурьмянистые и малосурьмянистые аккумуляторы, гелевые и AGM аккумуляторы и другие. Главный критерий выбора стартерного аккумулятора – достаточный пусковой ток для обеспечения запусков двигателя, а не номинальная емкость, как думают некоторые.

Для стартерных аккумуляторных батарей ключевым показателем является ток холодной прокрутки (или пусковой ток). В соответствии с ГОСТ Р 53165-2008 испытания на определение характеристик прокрутки проводят как при стандартной температуре минус 18±1 °C, так и для очень холодного климата при температуре минус 30±1 °C в течение 30 секунд величиной тока с постоянным значением в пределах ± 0,5 %. ГОСТ Р 53165-2008 регламентирует разряд стартерных аккумуляторных батарей до конечного напряжения разряда 10,50 В.

ПРИМЕЧАНИЕ: Величину пускового тока указывают на корпусе изделия в одном из принятых стандартов: EN (Стандарт Евросоюза), DIN (Германия) и SAE (США).

  • европейский стандарт (Europa Norm): разрядка аккумулятора происходит до 7,5В, в течение 10 секунд и при температуре минус 18 °С.
  • немецкий (Deutsche Industrie Norm): во время испытания аккумулятор разряжают до 9,0 В, в течение 30 секунд при той же температуре;
  • американский стандарт; аккумулятор разряжается в течение 30 секунд до напряжения 7,2В, при аналогичных температурных условиях;

Наиболее близким к нашему ГОСТУ является Стандарт Евросоюза (EN), который указан на большинстве производимых аккумуляторных батарей.

Таким образом, для аккумуляторов в работоспособном состоянии, просадка напряжения при пуске двигателя должна быть не ниже уровня 10,5 В. Согласно методике, разработанной компанией ООО «Бэттери Сервис» (www.batteryservice.ru), при просадке напряжения ниже 9В батарея считается изношенной, в интервале 9÷7 В – батарея требует дополнительной диагностики. При просадке ниже 7 В – аккумулятор считается полностью неисправным. (см рис 3.)

Рис.3. Графики падения напряжения аккумулятора при запуске двигателя.

Все вышеперечисленное справедливо на 100% для двигателей внутреннего сгорания автомобилей и мото-техники, которые эксплуатируются как летом в жару, так и зимой, когда нужно обеспечить пуски двигателя при минусовых температурах. А вот с дизель-генераторными установками на объектах связи дело обстоит несколько иначе. Чаще всего ДГУ и аккумулятор находятся в отапливаемом контейнере.

Существует еще одно важное условие успешного запуска ДГУ. Для обеспечения работоспособности установки в момент запуска всё электрооборудование ДГУ должно гарантированно работать в условиях пониженного напряжения. Другими словами, во время запуска величина напряжения на выводах аккумулятора не должна быть ниже минимального рабочего напряжения электронного и электрического оборудования ДГУ, а длительность провала ниже минимального рабочего напряжения не должна превышать допустимой для этого оборудования.

Анализ документации различных типов ДГУ, находящихся в эксплуатации Центрального филиала ПАО «МегаФон», показал, что минимальное напряжение питания, при котором панель управления остается работоспособной, составляет =8 В. Большинство панелей управления способны выдерживать провалы напряжения при прокрутке до 0 В в течение примерно 50 мс. GSM-модемы, применяемые для удаленного мониторинга и управления, поддерживают работоспособность от =8 В. При этом ключевым моментом является длительность провалов напряжения на выводах аккумуляторов.

 

На рис. 4. Приведен график напряжения на выводах аккумуляторной батареи ДГУ INMESOL AL-022 во время пуска двигателя.

Рис.4. Напряжение на выводах стартерной АКБ при запуске ДГУ

 

Осциллографом зафиксирован уровень напряжения и длительность провалов, при котором панель управления отключалась. На основе полученных данных после реальных запусков выявлено, что при нахождении напряжения ниже уровня 8 В в течение 77 мс ДГУ не запускается. Причиной является полное отключение панели управления. При этом ДГУ автоматически прекращает цикл запуска. После этого напряжение на АКБ восстанавливается (увеличивается) и панель управления опять включается, но уже в режиме «STOP» без выдачи каких-либо аварийных сообщений. По сути панель просто перезагружается по питанию. Таким образом, выявлена ситуация, когда служба эксплуатации находится в неведении относительно проблем запуска на удаленном объекте, хотя ДГУ располагает системой удаленного мониторинга.

В этой связи на передний план выходит задача поддержания стартерных аккумуляторных батарей ДГУ в работоспособном состоянии, своевременная диагностика и информирование обслуживающего персонала о наличии неисправностей в аккумуляторных батареях, особенно на удалённых объектах связи.

Из практики эксплуатации аккумуляторных батарей на ДГУ объектов связи известно, что критичный по длительности провал напряжения при запуске (менее 8 В) выдают АКБ со сроком эксплуатации от 1,5 до 5 лет. К сожалению, четкой и однозначной взаимосвязи состояния АКБ с типом, маркой и сроком эксплуатации нет. Поэтому плановая замена аккумуляторов на ДГУ, скажем, каждые 2 года имеет право на существование, однако данный способ не экономичен. Также проведение регулярных ТО стартерных аккумуляторных батарей сопряжено с большими трудозатратами, поскольку доказанная эффективность достигается при проведении замеров токов холодной прокрутки специализированным оборудованием, например, тестером АКБ MIDTRONICS Celltron Start с периодичностью 1 раз в квартал или 1 раз в полгода.

Выходом из положения может стать удалённый мониторинг состояния аккумуляторов. Практически все панели управления ДГУ обеспечивают измерение значений напряжения аккумуляторной батареи ДГУ. Однако при работе аккумулятора в режиме статического подзаряда, как показывает практика, данные измерения почти никогда не позволяют выявить неисправность аккумуляторов.

Примененное техническое решение на базе Датчика-Индикатора Разряда Аккумулятора (ДИРА-4) позволяет контролировать величину провала напряжения на аккумуляторной батарее при каждом реальном пуске ДГУ. Для этого ДИРА-4 настраивается особым образом: все 4 независимых измерительных канала, подключаются параллельно и каждый измерительный канал настраивается на «свое» напряжение срабатывания. (см рис 4.)

 

Рис. 4. Пример подключения датчика ДИРА-4 к стартерной аккумуляторной батарее.

 

ПРИМЕЧАНИЕ: Один датчик ДИРА-4 подключается к одной АКБ напряжением 12 В. Нормальная работа АКБ подтверждается свечением четырех светодиодов. В момент пуска напряжение АКБ падает и светодиоды А1, А2, А3, А4 последовательно гаснут при  напряжения следующих типовых значений: U А1 < 9 В; U А2 < 8,5 В; U А3 < 8 В; U А4 < 7,5 В

Специалистами центрального филиала ПАО «МегаФон» были проведены серии из сорока последовательных запусков ДГУ марки INMESOL AL-022. Напряжение на выводах аккумуляторной батареи контролировалось сразу тремя параллельно подключенными ДИРА-4. Настройки срабатывания на всех ДИРА-4 были идентичны: 9,0 В; 8,5 В; 8,0 В; 7,5 В. Параллельно производилось измерение и запись значений напряжения на аккумуляторе с помощью электронного осциллографа «АКТАКОМ АСК-3116» с дискретностью измерений 0,001 сек. Позже, по полученным графикам, определялось время срабатывания измерительных каналов датчиков ДИРА-4.

Целью испытаний являлось определение критериев, по которым можно судить о неисправности аккумуляторной батареи на ДГУ. Для этого проведены замеры скорости срабатывания различных измерительных каналов датчиков ДИРА-4 при различной степени разряженности аккумулятора. Скорость срабатывания измерительных каналов определялась по графикам замеров осциллографа и представлена в сводной таблице. Серым фоном в таблице выделены ячейки, когда на датчике ДИРА-4 срабатывала светодиодная индикация и, соответственно, «сухие» внешние сигнальные контакты меняли своё состояние.
Для начала приведем некоторые графики запусков. По оси Х – время, по оси Y – напряжение.

Как видим из графиков, целью сорока последовательных запусков двигателя стало приведение аккумуляторной батареи в разряженное состояние, когда увеличиваются длительности провалов напряжений и эти значения приближаются к минимально допустимым.
Результаты сведены в таблице ниже:

Вывод: из полученных данных видно, что скорость срабатывания измерительных каналов ДИРА-4 при запуске ДГУ более чем достаточна для фиксации и выдачи сигнала о достижении заданного уровня напряжения на выводах аккумуляторной батареи. В качестве сигнала о предаварийном состоянии стартерной АКБ на ДГУ стоит принять провал напряжения до уровня 7,5 В и ниже длительностью более 20 мс. При провалах с такими параметрами ДИРА-4 гарантировано срабатывает в течение 16-20 мс. Провал ниже 7,5 В длительностью 16-20 мс гарантированно не приведет к перезагрузке панели управления, запуск ДГУ будет успешным, но аварийный сигнал будет выдан и останется активным при любых условиях вплоть до момента ручного «сброса». Обслуживающему персоналу необходимо оперативно отреагировать и разобраться в причинах неисправности АКБ.