Zagadnienia dotyczące wymagań bezpieczeństwa dla baterii akumulatorów określone są w Polskiej Normie PN-EN 50272-2-2007. Norma zastępuje PN-EN 50272-2-2002
PN-EN 50272-2-2007 Wymagania dotyczące bezpieczeństwa baterii wtórnych i instalacji baterii.
Część 2: Baterie stacjonarne
Norma Europejska EN 50272-2-2001 ma status Polskiej Normy. Nr ref.PN-EN 50272-2:2007
Norma dotyczy wtórnych baterii stacjonarnych oraz instalacji bateryjnych o napięciu maksymalnym 1500 V prądu stałego (znamionowego) i zostały opisane w niej podstawowe środki ochrony przed niebezpieczeństwem powstającym ze strony energii elektrycznej, emisji gazu i elektrolitu. Norma obejmuje baterie ołowiowe i niklowo-kadmowe. Jako główne zastosowanie norma podaje takie przykłady jak:
- telekomunikacja,
- obsługa elektrowni,
- oświetlenie awaryjne i systemy alarmowe,
- ciągła dostawa mocy,
- uruchamianie generatorów,
- systemy fotowoltaniczne.
W przeważającej ilości instalacji stosowane są obecnie ogniwa wtórne regulowane zaworem. W niniejszym artykule omówimy podstawowe zagadnienia dotyczące tego typu ogniw (baterii). Norma w pkt 4 Definicje - podaje określenia dla ogniwa wtórnego:
4.1 (wtórne) ogniwo; (akumulatorowe ogniwo; pojedyncze ogniwo:
Zestaw elektrod i elektrolitu stanowiący podstawowy element baterii wtórnej (IEC 60050-486-01-02)
UWAGA Zespół ten znajduje się w indywidualnej obudowie i zamknięty jest wieczkiem.
4.3 (wtórne) ogniwo regulowane zaworem:
Ogniwo wtórrne, w normalnych warunkach zamknięte, mające jednak urządzenie, które pozwala na ujście gazu jeżeli ciśnienie wewnętrzne przekracza wstępnie ustaloną wartość. Ogniwa tego typu nie można normalnie uzupełniać elektrolitem. (IEC 60050-486-01-20)
Jest oczywistym, że bateria wtórna to wg definicji:
4.5 bateria wtórna:
Dwa ogniwa wtórne lub więcej takich ogniw połączonych ze sobą i wykorzystywanych jako źródło energii elektrycznej (IEC 60050-486-01-03)
Norma w pierwszej części zajmuje się ochroną przed porażeniem elektrycznym, rozłączaniem i rozdzielaniem instalacji bateryjnej oraz zapobieganiem zwarciom i ochroną przed innymi działaniami prądu elektrycznego. Szerzej omówimy te zagadnienia w innym artykule. Druga część normy omawia zabezpieczenia przed wybuchem gazu, zabezpieczenia przed niebezpieczeństwem ze strony elektrolitu, pomieszczenia i obudowy, wymagania w zakresie prądu ładowania, instalowanie i konserwację , transport, magazynowanie i aspekty środowiskowe.
WYMAGANIA WENTYLACYJNE
8 Zapobieganie przed niebezpieczeństwem wybuchu
8.1 Wytwarzanie gazu
Podczas ładowania, ładowania konserwującego i przeładowania we wszystkich ogniwach i bateriach z wyjątkiem ogniw szczelnie zamkniętych (wtórnych) wytwarzane są gazy. Jest to wynikiem elektroilizy wody powodowanej przez prąd przeładowania. Wytwarzanymi gazami są tlen i wodór. Emitowane do atmosfery mogą tworzyć mieszaninę wybuchową, jeżeli stężenie wodoru w powietrzu objętościowo przekracza 4%.
W warunkach standardowych (N.T.P.) nominalna temperatura i ciśnienie T=273oK P=1013 hPa.
- 1 Ah rozkłada H2O na 0,42 I H2+0,21 I O2
- rozkład 1cm3 (1g) H2O wymaga 3Ah
- 26,8Ah rozkłada H2O na 1g H2+8g O2
Emisja gazu z ogniw zostaje zatrzymana po jednej godzinie od wyłączenia prądu ładowania.
8.2 Wymagania wentylacyjne
Celem wentylowania pomieszczenia baterii lub obudowy jest utrzymanie stężenia wodoru poniżej 4% progu dolnej granicy wybuch (LEL) Lower Explosion Limit. Pomieszczenie baterii i obudowy uważa się jako bezpieczne pod względem wybuchowym, gdy za pomocą naturalnej lub wymuszonej (sztucznej) wentylacji stężenie wodoru utrzymywane jest poniżej tej bezpiecznej granicy.
Minimalna prędkość przepływu powietrza przy wentylowaniu pomieszczenia baterii lub obudowy należy obliczać za pomocą następującego wzoru:
Q = v . q . s . n . lgas . Crt . 10-3 [m3/h]
gdzie:
Q = przepływ powietrza wentylującego w m3/h,
v = konieczne rozrzedzenie wodoru (100% - 4%) : 4% = 24,
q = 0,42 .10-3 m3/Ah wytwarzanego wodoru. Z przytoczonego wcześniej punktu 8.1 wynika iż ... w warunkach standardowych (N.T.P.) nominalna temperatura i ciśnienie T=2723oK P=1013 hPa:
- 1 Ah rozkłada H2O na 0,42 I H2+0,21 I O2
- rozkład 1cm3 (1g) H2O wymaga 3Ah
- 26,8Ah rozkłada H2O na 1g H2+8g O2
s = 5; ogólny współczynnik bezpieczeństwa,
n = liczba ogniw,
lgas = natężenie prądu wytwarzającego gaz w mA na Ah pojemności znamionowej przy ładowaniu konserwacyjnym lboost lub natężenie prądu wytwarzającego gaz przyładowaniu przyspieszonym lboost
Crt =pojemność C10 dla ogniw ołowiowych [Ah], Ut= ,8V/ogn w temperaturze 20°C lub pojemność Cs dla ogniw niklowo-kadmowych [Ah], Ut= 1,0 V/og w temperaturze 20oC.
Uwzględniając przytoczone powyżej wartości stałe wzór na minimalną prędkość przepływu powietrza przy wentylowaniu można uprościć:
Przy v . q . s = 24 . 0,42 . 10-3 . 5 = 0,0504 m3/Ah wzór na przepływ powietrza wentylującego będzie:
Q= O,O5 . n . lgas . Crtx . 10-3 [m3/h]
Natężenie prądu lgas wytwarzające gaz określa następujący wzór: lgas = lfloat/boost . fg . fs [mA/Ah]
gdzie:
lfloat = natężenie prądu ładowania konserwacyjnego w warunkach pełnego naładowania przy zdefiniowanym napięciu ładowania konserwacyjnego, w temperaturze 20oC,
lboost = natężenie prądu ładowania przyspieszonego w wa runkach pełnego naładowania przy zdefiniowanym napięciu ładowania przyspieszonego, w tempera turze 20oC,
fg = współczynnik emisji gazu, udział natężenia prądu w stanie pełnego naładowania produkującego wodór,
fs = współczynnik bezpieczeństwa dla uwzględnienia wadliwych ogniw w baterii i/lub wyeksploatowaniej baterii.
Jeżeli nie zostało ustalone inaczej przez producenta, preferowane wartości lfloat i lboost wraz z danymi uzasadniającymi podano w tabeli poniżej.
Kontynuując dalsze obliczenia na przepływ powietrza wentylującego dla baterii VRLA:
Q= 0,05 . n . lgas . Crt . 10-3 [m3/h]
lgas dla lfloat = l . 0,2 . 5 = 1 mA/Ah
lgas dla lboost = 8 . 0,2 . 5= 8 mA/Ah
Tak też wynika z danych zawartych w poniższej tabeli.
Ilość ogniw dla baterii oświetlenia awaryjnego wynosi: 6 ogniw 2V dla każdego bloku 12V . 18 bloków= 108 ogniw 2V.
Q=0,05 . 108 . 1 . Crt . 10-3 [m3/h] =0,0054 m3/h dla 1 Ah
Q=0,05 . 108 . 8 . Crt . 10-3 [m3/h] =0,0432 m3/h dla 1 Ah
UWAGA: Dla dalszych obliczeń należy przyjąć lboost jako że po głębokim rozładowaniu należy baterię naładować do pojemności min. 80% w ciągu 12 godzin (PN-EN S0171:2007).
| Wartość natężenia prądu I podczas ładowania prostownikami w systemie IU lub U |
Baterie |
||
| ołowiowe | Ni-Cd ogniwa otwarte 2) | ||
| ogniwa otwarte Sb < 3% 1) | ogniwa VRLA (sterowane zaworem) | ||
| Współczynnik emisji gazu fg | 1 | 0,2 | 1 |
| Współczynnik bezpieczeństwa emisji gazu fg (przy 10% wadliwych i wyeksploatowanych ogniw) | 5 | 5 | 5 |
| Napięcie ładowania konserwującego Ufloat 3) V/ogn | 2,23 | 2,27 | 1,4 |
| Typowe natężenie prądu ładowania konserwacyjnego Ifloat mA/Ah | 1 | 1 | 1 |
| Natężenie prądu (konserwacyjnego) Igas mA/Ah (w warunkach ładowania konserwacyjnego przy obliczaniu przepływu powietrza) | 5 | 1 | 5 |
| Napięcie ładowania przyspieszonego Uboost 3) V/ogn | 2,40 | 2,40 | 1,55 |
| Typowe natężenie prądu ładowania przyspieszonego Iboost mA/Ah | 4 | 8 | 10 |
| Natężenie prądu (przyspieszonego) Igas mA/Ah (w warunkach ładowania przyspieszonego właściwych dla obliczania przepływu powietrza | 20 | 8 | 50 |
|
1) W przypadku wyższej zawartości antymonu (Sb) skontaktować się z producentem w celu uzyskania odpowiedniej wartości. 2) W przypadku ogniw Ni-Cd z rekombinacją gazu skonsultować się z producentem. 3) Napięcie ładowania konserwacyjnego i przyspieszonego mogą zmieniać się w ogniwach ołowiowych wraz ze zmianami ciężaru właściwego elektrolitu. |
|||
8.3 Wentylacja naturalna
Ilość przepływającego powietrza wentylującego należy najlepiej zapewnić przez wentylację naturalną, w przeciwnym razie przez wentylację wymuszoną (sztuczną).
Akumulatornie lub obudowy powinny mieć otwór wlotowy iotwór wylotowy o minimalnym wolnym przekroju, obliczanym za pomocą następującego wzoru:
A = 28 x Q [cm2]
gdzie:
Q = szybkość przepływu wentylującego świeżego powietrza [m3/h]
A = wolna powierzchnia przekroju wlotu i wylotu powietrza [cm2]
UWAGA: Dla celów obliczeniowych zakładana prędkość przepływu powietrza wynosi 0,1 m/s.
Wlot i wylot powietrza powinny być usytuowane w najlepszym możliwym miejscu, tak aby stwarzać optymalne warunki wymiany powietrza to znaczy:
- otwory na przeciwległych ścianach,
- minimalne odstępy, gdy otwory umieszczone są na tej samej ścianie, wynoszące 2m.
Znając wartość Q dla 1 Ah możemy obliczyć powierzchnię otworów wlotowych i wylotowych. Poniżej zamieszczamy tabelę, pokazującą wielkości powierzchni otworów dla typowych pojemności baterii
akumulatorów występujących na rynku.
| Ah | Q | A=28 . Q [cm2] | ||||||||
| 12 | 0,52 | 14,56 | ||||||||
| 18 | 0,69 | 19,32 | ||||||||
| 24 | 1,04 | 29,12 | ||||||||
| 30 | 1,30 | 36,40 | ||||||||
| 40 | 1,73 | 48,44 | ||||||||
| 60 | 2,59 | 72,52 | ||||||||
| 80 | 3,46 | 95,88 | ||||||||
| 100 | 4,32 | 120,96 | ||||||||
WYMAGANIA DOTYCZĄCE LOKALIZACJI BATERII
8.7 Bliskie sąsiedztwo baterii
W pobliżu baterii nie zawsze zapewnione jest rozproszenie wybuchowych gazów. Dlatego należy przestrzegać bezpiecznych odstępów dla przepływu powietrza, w których iskrzenie lub obecność rozgrzanej powierzchni (maksymalna temperatura powierzchniowa 300oC) nie są dozwolone. Rozproszenie wybuchowych gazów zależy od tempa ich wydzielania oraz wentylacji w pobliżu źródła ich emitowania. Dla obliczenia bezpiecznego odstępu „d" od źródła wydzielania gazu wykorzystuje się podany niżej wzór, zakładając półkolisty sposób rozpraszania gazu.
d = 28,8 . 3√¯Igas . 3√¯Crt [mm]
gdzie:
Igas = natężenie prądu wytwarzającego gaz [mA/Ah]
Crt = pojemność znamionowa [Ah]
UWAGA: Wymagany bezpieczny odstęp „d" można uzyskać przez zastosowania ścianki odgradzającej pomiędzy baterią i urządzeniem powodującym iskrzenie.
Załącznik B (informacyjny)
Metodę obliczania bezpiecznej odległości baterii od iskrzących urządzeń mogących spowodować wybuch wydzielających się gazów przedstawia Załącznik 8 (informacyjny)normy PN-EN 50727-2-2007. Podstawowym zadaniem jest określenie hipotetycznej objętości V2 na granicy której stężenie gazu będzie poniżej dolnej granicy wybuch czyli 4% objętościowo wodoru (kg/m3).
8.1 Szacowanie hipotetycznej objętości V2
Teoretyczną minimalną prędkość przepływu strumienia wentylacji dla rozproszonego palnego gazu (wodoru) do stężenia poniżej dolnej granicy wybuchu (LEL) można obliczyć za pomocą wzoru:
(dV / dt)min = {(dG/dt)max / k . LEL} . T/293 (patrz EN 60079-1084)"
gdzie:
(dV / dt)min = minimalna objętościowa szybkość przepływu świeżego powietrza wymagana dla rozproszenia gazu [m3/h],
(dG/dt)max = maksymalna prędkość emisji gazu (kg/s)
LEL = dolna granica wybuchu (4% objętościowo wodoru) [kg/m3]
k = współczynnik bezpieczeństwa stosowany do LEL; k=0,25 przyjmuje się dla rozproszenia wodoru.
Objętość V2 reprezentuje objętość, powyżej której średnie stężenie palnego gazu będzie 0,25 krotnością LEL. Oznacza to, że przy ekstremach hipotetycznej objętości, stężenie gazu będzie znacznie poniżej LEL, to jest, że hipotetyczna objętość, gdzie stężenie jest powyżej LEL będzie mniejsza od V2.
8.2 Współczynnik korekcji
Przy danej liczbie wymiany powietrza na jednostkę czasu C, odniesionej do ogólnej wentylacji, hipotetyczną objętość V2 potencjalnie wybuchowej atmosfery dookoła źródła emisji gazu można oszacować jak następuje:
V2 = (dV / dt)min /c
gdzie c = liczba wymiany świeżego powietrza na jednostkę czasu [s-1].
Powyższy wzór zapewnia ciągłe i jednorodne mieszanie przy źródle emisji dając idealne warunki przepływu świeżego powietrza. W praktyce rzadko istnieją warunki idealne. Dlatego wprowadzony jest współczynnik korekcyjny f dla zaznaczenia skuteczności wentylacji.
V2 = f . (dV / dt)min /c
gdzie f = współczynnik skuteczności wentylacji, podkreślający skuteczność wentylacji w kategoriach jej skuteczności i rozrzedzenia atmosfery wybuchowej; f o zakresie wartości od 1 (idealny) do typowego 5 (utrudniany przepływ powietrza). Dla instalacji bateryjnej współczynnik skuteczności wentylacji f=1,25.
8.3 Obliczanie bezpiecznej odległości d
Warunek (dV / dt)min obejmujący wszystkie współczynniki bezpieczeństwa odpowiada godzinnemu przepływowi powietrza wentylującego Q [m3/h] dla baterii wtórnych obliczanych wg 8.2.
Q = f . dV / dt Q = 0,05 . n . lgas . Crt . 10-3 [m3/h]
Ten godzinny przepływ powietrza wentylującego Q może być wykorzystany dla definiowania hipotetycznej objętości. Zakładając hemisferyczne rozpraszanie gazu, można zdefiniować objętość hemisfery V2 = 2/3 Π . d3,
gdzie d jest to bezpieczna odległość od źródła emisji. Daje to wzór obliczeniowy bezpiecznej odległości d, przy C1 dla wymiany powietrza na godz:
d3 = 3/2Π . 0,05 . 106 . n . Igas . Crt [mm2]
d = 28,8 . (3√¯n) . 3√¯Igas . 3√¯Crt [mm]
| Ah | 3√¯Crt | d = 28,8 . (3√¯n) . 3√¯Igas . 3√¯Crt [mm] | ||||||||
| 12 | 2,29 | 626 | ||||||||
| 18 | 2,62 | 717 | ||||||||
| 24 | 2,88 | 788 | ||||||||
| 30 | 3,11 | 851 | ||||||||
| 40 | 3,42 | 935 | ||||||||
| 60 | 3,91 | 1070 | ||||||||
| 80 | 4,31 | 1179 | ||||||||
| 100 | 4,64 | 1269 | ||||||||
Bezpieczna odległość d przy c=1 dla standardowych pojemności akumulatorów
Bezpieczna odległość d jako funkcja pojemności znamionowej dla różnych prądów rozładowania.
