Cấu tạo và vận hành ắc quy axit, ắc quy kiềm trong trạm biến áp

Trong các hệ thống điện công nghiệp hiện nay, nguồn điện một chiều đóng vai trò cốt lõi trong việc duy trì sự ổn định của toàn bộ mạng lưới. Để đảm bảo nguồn cung cấp liên tục này, thiết bị lưu trữ năng lượng là thành phần không thể thiếu. Thiết bị này hoạt động dựa trên nguyên lý biến đổi thuận nghịch giữa điện năng và hóa năng. Bài viết dưới đây sẽ phân tích chuyên sâu về cấu tạo ắc quy axit, ắc quy kiềm, cùng các tiêu chuẩn kỹ thuật phục vụ quá trình vận hành ắc quy trạm biến áp.

Thiết bị lưu trữ điện hóa bao gồm ba bộ phận chính, được thiết kế chuyên biệt để chịu đựng các phản ứng hóa học liên tục. Tùy thuộc vào công nghệ là ắc quy axit hay ắc quy kiềm, vật liệu chế tạo sẽ có sự khác biệt.

Vỏ bình có chức năng bảo vệ các thành phần bên trong và ngăn ngừa rò rỉ hóa chất. Vật liệu chế tạo thường là thủy tinh, nhựa chịu lực hoặc các chất tổng hợp cao cấp, đảm bảo khả năng chống ăn mòn tuyệt đối trước tác động của dung dịch axit hoặc kiềm.

Điện cực là nơi trực tiếp diễn ra các phản ứng hóa học để chuyển đổi năng lượng.

Trong môi trường trạm biến áp, việc mất điện lưới tự dùng xoay chiều có thể dẫn đến mất kiểm soát toàn bộ hệ thống. Do đó, ắc quy trạm biến áp được sử dụng làm nguồn thao tác một chiều cực kỳ quan trọng.

Nhiệm vụ chính của hệ thống này là cung cấp nguồn điện độc lập cho các thiết bị nhị thứ bao gồm: hệ thống điều khiển, tín hiệu cảnh báo, rơ le bảo vệ tự động hóa, hệ thống chiếu sáng sự cố và các cơ cấu truyền động đóng cắt quan trọng.

Ưu điểm nổi bật của hệ thống này là tính tin cậy tuyệt đối do hoạt động hoàn toàn độc lập với lưới điện xoay chiều của trạm. Đồng thời, thiết bị có khả năng cung cấp dòng điện lớn cho phép quá tải trong thời gian ngắn để phục vụ thao tác khởi động các thiết bị phụ tải nặng.

Việc nắm vững các thông số kỹ thuật là bắt buộc đối với đội ngũ kỹ sư để vận hành ắc quy kiềm và axit an toàn.

Điện áp định mức Udm là mức điện áp nhỏ nhất cho phép đo được tại các cực trong giờ phóng điện đầu tiên (áp dụng cho chế độ phóng 10 giờ).

• Dòng axit: Đạt mức $2V$/cell.
• Dòng kiềm: Đạt mức 1,25V/cell.

Dòng điện phóng Ip bị giới hạn bởi chế độ làm việc:

• Chế độ làm việc lâu dài (ví dụ: phóng trong 1 giờ): Không được vượt quá 5 lần dòng điện phóng quy định cho chế độ 10 giờ.
• Chế độ ngắn hạn (ví dụ: phóng trong 5 giây): Không được vượt quá 12 lần dòng điện phóng 10 giờ.

Mỗi công nghệ đều sở hữu những đặc tính kỹ thuật riêng, phù hợp với các chiến lược đầu tư khác nhau.

Đối với dòng công nghệ Axit:

• Điện áp khởi điểm cao đạt mức 2,1V – 2,2V.

• Đặc tuyến phóng điện có độ phẳng, duy trì tính ổn định tốt.

• Hiệu suất chuyển đổi năng lượng vượt trội.

• Dải điện áp cho phép thay đổi lớn (2,2V xuống 1,75V).

• Khả năng chịu quá tải dòng lớn trong thời gian cực ngắn.

• Chi phí đầu tư ban đầu thấp.

Đối với dòng công nghệ Kiềm:

• Vòng đời vận hành kéo dài hơn đáng kể.

• Thân thiện với môi trường và an toàn cho sức khỏe người sử dụng do không chứa các vật liệu độc hại như chì.

Để duy trì tuổi thọ và độ ổn định của hệ thống nguồn một chiều, quy trình vận hành cần tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chí sau:

• Môi trường lắp đặt phải đảm bảo khô ráo, thoáng mát, có hệ thống thông gió liên tục và cách ly hoàn toàn với các nguồn phát sinh tia lửa điện.

• Bề mặt thiết bị, nắp bình và các lỗ thoát khí phải luôn sạch sẽ, không bị bít tắc. Thanh cái dẫn điện và cọc bình cần được bọc hoặc bôi Vaseline chuyên dụng để ngăn chặn hiện tượng oxy hóa.

• Theo dõi sát sao mức dung dịch điện phân hàng ngày (với các dòng không kín khí). Mức dung dịch bắt buộc phải nằm trên vạch “LOW” để tránh hiện tượng bản cực bị Sulfat hóa. Tiến hành châm thêm nước cất ngay khi phát hiện cạn.

• Định kỳ theo dõi thông số dòng nạp và bảo đảm giàn bình luôn ở trạng thái nạp đầy.

• Lên kế hoạch kiểm tra và súc rửa cặn bẩn lắng đọng dưới đáy bình hàng năm để ngăn ngừa nguy cơ chập mạch nội bộ giữa các tấm cực.

Quá trình nạp đóng vai trò quyết định đến hiệu năng và tuổi thọ của hệ thống lưu trữ điện hóa.

Sau khi châm dung dịch, cần có thời gian nghỉ từ 3 đến 6 giờ trước khi tiến hành chu kỳ nạp đầu tiên.

Cường độ dòng nạp hình thành được xác định theo công thức:

Thời gian nạp kéo dài từ 8 đến 60 giờ (tùy thuộc vào khuyến cáo cụ thể của nhà sản xuất). Trong suốt quá trình này, nhiệt độ dung dịch sẽ gia tăng và phải được kiểm soát nghiêm ngặt không vượt quá $40^oC$.

Chu kỳ nạp hình thành hoàn tất khi đáp ứng đủ các tiêu chí: điện áp mỗi cell đạt 2,4V – 2,5V, tỷ trọng dung dịch đạt 1,25 (ở điều kiện $15^oC$) và xuất hiện hiện tượng sủi bọt khí mạnh.

• Nạp thông thường: Áp dụng dòng nạp bằng dòng phóng 10 giờ, duy trì trong 12 đến 16 tiếng.

• Nạp nhanh (thường ứng dụng ở giai đoạn đầu của nạp hình thành): Giai đoạn 1 áp dụng dòng nạp cao theo công thức:

Tiến hành cho đến khi điện áp đạt 2,4V/cell, sau đó chuyển sang Giai đoạn 2 với dòng nạp bằng dòng phóng 10 giờ cho đến khi sôi bọt khí.

Quá trình vận hành ắc quy kiềm và axit có thể phát sinh một số lỗi kỹ thuật. Dưới đây là các sự cố tiêu biểu và phương án khắc phục:

• Vỏ bình bị rạn nứt, thủng: Cần tiến hành hàn nhiệt lại vết nứt hoặc thay thế lớp vỏ mới để đảm bảo độ kín.

• Ngắn mạch tấm cực do rã chất phản ứng: Cần súc rửa toàn bộ bình, loại bỏ mùn cặn và thay thế bằng dung dịch điện phân mới.

• Tự phóng điện nhanh do cách điện kém hoặc tạp chất: Tiến hành vệ sinh sạch sẽ, thay thế các vật liệu cách điện hoặc dung dịch bị nhiễm bẩn.

• Oxy hóa cọc bình: Dùng giấy nhám chuyên dụng đánh bay lớp rỉ sét và phủ lại một lớp Vaseline.

• Bản cực cong vênh, phình to do Sulfat hóa: Yêu cầu can thiệp kỹ thuật để nắn chỉnh lại các tấm cực hoặc tiến hành thay mới dung dịch axit.

Việc vận hành hệ thống lưu trữ năng lượng trong mạng lưới điện đòi hỏi sự am hiểu sâu sắc về đặc tính hóa lý của từng thiết bị. Cấu trúc điện hóa đa dạng từ các dòng axit phổ thông đến công nghệ kiềm bền bỉ đều mang lại những giá trị riêng trong việc đảm bảo an ninh năng lượng cho trạm biến áp. Tuân thủ nghiêm ngặt các chỉ số dòng áp, chế độ nạp xả cùng quy trình bảo dưỡng định kỳ là chìa khóa cốt lõi giúp hệ thống nguồn một chiều luôn hoạt động tin cậy, kéo dài tuổi thọ thiết bị và phòng tránh triệt để các rủi ro vận hành.