книги из ГПНТБ / Никифоровский Н.Н. Судовые электрические станции учеб. пособие

На станциях напряжением выше 220 в ваттметры, частотомеры, защиту от обратной мощности, синхроноскопы обычно подключают через измерительные трансформаторы напряжения.

Вольтметр подключается через трансформатор напряжения или непосредственно.

Щиты, пульты и посты управления

Уже отмечалось, что на главном распределительном щите устанав­ ливают аппараты и приборы, позволяющие осуществлять контроль за работой электрической установки и управление ею. Таким образом,

Рис. 9.8. Главный пульт центрального поста управления и контроля (ЦПУ) теп­ лохода «Новгород»

ГРЩ является не только распределительным щитом, но также и щитом управления, независимо от того, выделены ли на щите специальные панели управления или таких панелей на щите не имеется.

На судовых электрических станциях аппараты и приборы контро­ ля и управления иногда выносят на специальный пульт управления, представляющий собой щит с наклонно расположенными панелями.

Пульт управления устанавливают так, что он примыкает к верти­ кально стоящим панелям ГРЩ, или располагают его на некотором расстоянии от щита; так, например, расположены главный распреде­ лительный щит и пульт управления на пароходе «Адмирал Нахимов».

Г Л А В А 10

Электрические аккумуляторы

§ 10.1. ПРИМЕНЕНИЕ АККУМУЛЯТОРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА СУДАХ

Аккумуляторы на судах находят применение в качестве резервных аварийных источников электрической энергии: малое аварийное осве­ щение, различные средства внутрисудовой связи, радиотехнические средства и сигнализация, питание стартеров двигателей.

В настоящее время отечественной промышленностью освоены кис­ лотные свинцовые и щелочные железо-никелевые, кадмиево-никеле­ вые и серебряно-цинковые аккумуляторы. Кислотные аккумуляторы имеют относительно небольшое внутреннее падение напряжения и мо­ гут применяться там, где возможны большие кратковременные пере­ грузки, например в стартерных пусковых устройствах. Щелочные аккумуляторы, по сравнению с кислотными, имеют большие внутрен­ ние падения напряжения, но вместе с тем обладают более высокой ме­ ханической прочностью и большим сроком службы. Щелочные акку­ муляторы пригодны для питания электрических цепей, перегрузки в которых маловероятны, например для питания средств связи, сиг­ нализации и аварийного освещения. Серебряно-цинковые аккумуля­ торы имеют преимущества в весогабаритных показателях по сравне­ нию с кислотными аккумуляторами.

§ 10.2. СВИНЦОВЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Свинцовые аккумуляторы (рис. 10.1, а) представляют собой сосуд (аккумуляторный бак) из кислотоупорного материала, эбонита или асфальто-пековой массы, внутри которого помещены чередующиеся между собой положительные и отрицательные пластины. Количество отрицательных пластин всегда на одну больше числа положительных пластин; это необходимо для предотвращения коробления положитель­ ных пластин, возможного при их одностороннем разряде. Положи­ тельные пластины (рис. 1 0 .1 , е) представляют собой свинцовую, с 6 —8 %-ной примесью сурьмы (для увеличения механической проч­ ности), решетку, заполненную пористой массой, состоящей из пере­ киси свинца (РЬ02). Отрицательные пластины (рис. 10.1, б), также решетчатые, заполнены губчатым свинцом (РЬ). Пластины имеют приливы, которыми они припаиваются к двум свинцовым бареткам,

389

имеющим выводы для подключения аккумуляторов — положитель­ ные — к одной и отрицательные — к другой. Для уменьшения разме­ ров аккумулятора и его внутреннего сопротивления расстояние между пластинами аккумулятора принимается небольшим. Между положи­ тельными и отрицательными пластинами аккумулятора для предотвра­ щения коротких замыканий устанавливаются прокладки-сепараторы, имеющие вертикальные ребра на поверхности, обращенной в сторону положительных пластин. В качестве материала сепараторов приме­ няются специально обработанная деревянная фанера, пористый эбо­ нит, пористый хлорвинил. При эксплуатации аккумуляторов на дно

Рис. 10.1. Свинцовый стартерный аккумулятор:

а — внешний вид; б и в — соответственно вид отрицательных и положительных пластин

сосуда постепенно выпадает активная масса пластин. Для предотвра­ щения коротких замыканий, которые при этом могли бы возникнуть, дно сосуда имеет призматические приливы, служащие опорой для пластин и образующие’ на дне пространство, предназначенное для вы­ падающих осадков. Аккумуляторный бак заполняется водным раст­ вором серной, химически чистой аккумуляторной кислоты (H2S04) и за­ крывается крышкой, имеющей отверстия для выводов бареток, за­ ливки аккумулятора электролитом и выхода газов, образующихся

пературостойкой мастикой. Среднее напряжение одного аккумулятор­ ного элемента составляет ~ 2 в. Для получения требуемого напряжения аккумуляторные элементы соединяются между собой последователь­ но, образуя аккумуляторную батарею. Элементы аккумуляторных батарей могут собираться в общих ящиках. Для этого, в целях умень­ шения веса и габаритов аккумуляторных батарей, последние часто представляют собой общий блок, разделенный на самостоятельные ячейки, внутри которых располагаются элементы батарей. К числу подобных аккумуляторных батарей относятся стартерные батареи.

390

Емкость аккумуляторных батарей зависит от числа и общей рабочей поверхности пластин и от их конструкции. Чем больше общая площадь пластин, тем больше при прочих равных условиях емкость аккумуля­ тора.

Электрический свинцовый аккумулятор является химическим ис­ точником электрической энергии, отличающимся от гальванических элементов тем, что протекающие в нем химические реакции обратимы. При пропускании через разряженный аккумулятор зарядного тока в нем происходит восстановление всех веществ до первоначального

образования сульфата свинца и выделения воды. При заряде аккуму­ лятора процесс восстановления протекает в обратном порядке:

2 P b S 0 4 - | - 2 Н 2 0 P b + 2 H 2S 0 4 + Р Ь 0 2

Этот процесс сопровождается увеличением плотности электролита за счет выделения серной кислоты. Плотность электролита позволяет судить о степени разряда аккумуляторов.

Электродвижущая сила свинцовых аккумуляторов пропорциональ­ на плотности электролита и связана с нею приближенной зависимостью Е — 0,84 + у, где у — удельный вес электролита при 15° С. Напря­ жение на зажимах свинцовых аккумуляторов зависит от величины

мулятора составляет сопротивление электролита между пластинами и в порах активной массы. Сопротивление аккумулятора зависит от следующих факторов: размера пластин, их количества и конструкции, расстояния между ними, плотности и температуры электролита, силы тока, режима работы аккумулятора.

На рис. 10.2, б приведены кривые изменения э. д. с. и напряжения на зажимах аккумулятора во время его разряда и заряда. Как видно из приведенного рисунка, в начале заряда э. д. с. и напряжение на зажимах аккумулятора быстро возрастают благодаря увеличению плот­ ности электролита в порах и у поверхности пластин. После достижения значительной плотности начинается процесс диффузии, сопровождаю­ щийся повышением плотности электролита, находящегося между пла­ стинами. Этот процесс, благодаря большому количеству электролита

391

в аккумуляторе, происходит относительно медленно. В связи с этим относительно медленно происходит дальнейшее повышение э. д. с. и напряжения на зажимах аккумулятора. Внутреннее сопротивление аккумулятора при этом уменьшается вследствие увеличения плотно­ сти электролита.

Удельное сопротивление (рис. 10.2, а) электролита уменьшается с увеличением его плотности и достигает наименьшего значения при удельном весе 1,224 г!смь. Дальнейшее увеличение плотности приводит к увеличению удельного сопротивления электролита, которое в боль­ шой степени зависит от температуры: оно возрастает с уменьшением температуры. Эта зависимость приближенно может быть представлена в виде

Рѳ = Pis [1 — а (Ѳ — 18)1,

где ре и р18 — удельное сопротивление электролита при температуре Ѳ°С и 18° С;

а = 0,17— температурный коэффициент сопротивления.

В конце заряда аккумулятора, когда процесс восстановления ак­ тивной массы пластин заканчивается, происходит процесс разложения электролита действием проходящего тока, сопровождающийся бурным газовыделением. Газообразование приводит к некоторому увеличению электродвижущей силы аккумулятора и его внутреннего сопротив­ ления, благодаря чему конец заряда сопровождается увеличением напряжения на зажимах аккумулятора. После того как вся активная масса пластин восстановится, продолжение зарядки аккумулятора не вызывает изменения напряжения на его зажимах и повышения плот­ ности электролита.

Как говорилось выше, конец зарядного режима сопровождается бурным газообразованием, способствующим перемешиванию электро­ лита в аккумуляторе. Однако при этом происходит повышение темпе­ ратуры аккумулятора, выделение гремучего газа и нарушение проч­ ности активной массы пластин. Для уменьшения отрицательного эффекта газообразования следует в конце заряда уменьшить силу зарядного тока. В начале разрядного режима электродвижущая сила и напряжение на зажимах свинцовых аккумуляторов быстро пони­ жаются благодаря расходованию серной кислоты в порах и у поверх­ ности пластин. В дальнейшем, в результате диффузии серной кислоты плотность электролита понижается не только в порах и у поверхно­ сти пластин, но и между пластинами. Этот процесс протекает относи­ тельно медленно, при этом соответственно уменьшаются электродви­ жущая сила и напряжение на зажимах аккумулятора. Внутреннее сопротивление аккумулятора возрастает за счет уменьшения плотно­ сти электролита. При разряде аккумулятора образуется сульфат свин­ ца, который отлагается на пластинах и внутри пор активной массы пластин, уменьшая их сечение и затрудняя диффузию серной кислоты в поры пластины. Вследствие этого плотность электролита внутри пор в конце разряда начинает быстро падать. Вместе с нею начинает быстро падать электродвижущая сила и, в особенности, напряжение на зажимах аккумулятора из-за резкого увеличения внутреннего со-

392

противления последнего. Разряд аккумулятора при этом должен быть закончен.

Продолжение разряда аккумулятора при малой плотности электро­ лита в порах активной массы аккумулятора приводит к изменению хи­ мических реакций в нем, появлению необратимых процессов, вызываю­ щих в конечном счете порчу пластин.

Емкостью аккумулятора называется количество электричества, ко­ торое аккумулятор отдает при разряде от начального состояния, соот­ ветствующего полной зарядке, до конечного состояния, соответствую-

щего допустимому конечному значению напряжения и плотности элек­ тролита. Емкость аккумуляторов представляется равенством

Как было сказано выше, емкость аккумуляторов зависит от их конструкции. Кроме того, для одного и того же аккумулятора емкость зависит от силы разрядного тока, температуры аккумулятора, началь­ ной плотности электролита, срока службы аккумулятора. Емкость

ІА-Т = С,

где Л и С — электрические постоянные для каждого типа аккумуля­ торов.

Емкость аккумуляторов уменьшается при уменьшении температуры электролита (рис. 10.4). Приближенно можно представить зависимость емкости аккумуляторов от их температуры в виде

<2 ѳ = QaoH + 0 , 0 1 (Ѳ — 2 0 )],

39S

емкость.

Емкость аккумуляторов зависит от плотности электролита. Для каждого аккумулятора существует оптимальная плотность электролита (в пределах 1,2—1,3) в зависимости от режима разряда, температуры электролита и пр. В начале эксплуатации аккумулятора емкость его несколько ниже той, которую аккумулятор получает после нескольких циклов заряда и разряда, так как формирование пластин аккумулято­ ров заканчивается в процессе их эксплуатации. Затем емкость аккуму­ ляторов, при правильной эксплуатации, остается в течение продолжи­ тельного времени неизменной, а затем, вследствие постепенного выпа­ дения активной массы из пластин, сульфатации пластин и увеличе­ нии саморазряда — уменьшается.

Свинцовые аккумуляторы на судах находят применение главным образом в качестве стартерных, при пуске в ход дизеля.

Основные технические данные свинцово-кислотных аккумуляторов приведены в табл. 1 0 .1 .

Т а б л и ц а 10.1 Основные технические характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов

§10.3. ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Отечественной промышленностью выпускаются щелочные аккуму­ ляторы двух типов: железо-никелевые (рис. 10.5, а) и кадмиево-ни­ келевые (табл. 10.2). Положительные пластины (рис. 10.5, б) щелочных

394

железо-никелевых аккумуляторов состоят из набора перфорированных стальных никелированных трубок, закрепленных в стальных никелиро­ ванных рамках. Трубки заполнены активной массой, представляющей собой смесь гидрата окиси никеля с лепестками никеля. Отрицательные пластины (рис. 10.5, б) состоят из перфорированных стальных нике­ лированных коробочек, наполненных смесью тонко размельченного железа, окислов железа и окиси ртути и закрепленных в стальные никелированные рамки. В качестве электролита применяется раствор гидроокиси калия в воде с добавлением небольшого количества гидро-

Рис. 10.5. Щелочная аккумуляторная батарея:

а — внешний вид; б н е — вид пластин щелочного аккумулятора

окиси лития. Положительные и отрицательные пластины щелочных аккумулятогов собираются на двух стальных никелированных стер­ жнях. Для этого рамки пластин в верхней части имеют специально для этой цели предназначенные отверстия. К стержням присоединяются стальные никелированные выводы. Для предотвращения коротких за­ мыканий между пластинами устанавливаются эбонитовые стержни. Пластины аккумулятора помещаются внутри стального бака со сталь­ ной крышкой. Бак и крышка щелочного аккумулятора никелированы. От стенок бака пластины изолируются эбонитовыми прокладками. На дно бака устанавливаются эбонитовые изоляторы. Крышка бака имеет отверстия для выводов пластин, наполнения аккумулятора элек­ тролитом, доливки водой и выхода образующихся в аккумуляторе газов.

Выводы пластин изолируются от крышки резиновыми уплотняю­ щими втулками. Напряжение у щелочных аккумуляторов составляет в среднем около 1,25 б. Для получения больших напряжений щелоч­ ные аккумуляторы собираются в батареи.

395

Химическая реакция при разряде железо-никелевого аккумулятора имеет вид:

2Ni (ОН)в + КОН + Fe -> ... 2Ni (ОН) 2 + КОН + Fe (ОН)2;

2Ni (ОН)а + КОН + Fe (ОН)а -> ... ->■ 2№ (ОН) 3 + КОН + Fe.

Кадмиево-никелевые аккумуляторы отличаются от железо-никелевых тем, что активная масса отрицательных пластин этих аккумуляторов содержит кадмий в губчатой форме или смесь железа и кадмия. При разряде кадмиево-никелевого аккумулятора реакции могут быть пред­ ставлены в виде:

У щелочных аккумуляторов от силы разрядного тока емкость мало зависит, но меняется величина напряжения на зажимах (рис. 10.7); емкость падает при уменьшении температуры аккумуляторов, газовыделение происходит на протяжении всего периода заряда.

За последние годы щелочные аккумуляторы существенно усовершен­ ствованы: при тех же габаритах, что и свинцовые, новые кадмиево-ни­ келевые аккумуляторы обладают почти вдвое большей емкостью.

396