Współczesne systemy telekomunikacyjne muszą funkcjonować także podczas awarii sieci elektroenergetycznej i dlatego mają własne rezerwowe źródła energii. Takim rezerwowym źródłem są z reguły dwie 48V baterie akumulatorów kwasowo-ołowiowych, o pojemności od 100 Ah do 3 000 Ah, wspierane stacjonarnymi lub przewoźnymi agregatami prądotwórczymi. Stosowane wcześniej „otwarte” akumulatory klasyczne od lat 90-tych są zastępowane akumulatorami wyposażonymi w zawory regulacyjne (typ VRLA – Valve Regulated Lead Acid), z elektrolitem w postaci żelu lub uwięzionym w macie z włókna szklanego (typ AGM).
Gwarantujące ciągłość pracy urządzeń telekomunikacyjnych baterie akumulatorów należy okresowo kontrolować lub profilaktycznie wymieniać. Operator sieci telekomunikacyjnej może zróżnicować swoje procedury, uzależniając je od umiejscowienia obiektu w hierarchii, typu, pojemności i masy baterii oraz kosztów prowadzenia badań. Baterie o dużych pojemnościach (300 Ah – 3 000 Ah), ze wzglądu na masę i wymiary, mogą być kontrolowane jedynie w obiekcie telekomunikacyjnym.
Uszkodzenia akumulatorów można wykrywać monitorując napięcia ich monobloków podczas pracy w systemie zasilania obiektu telekomunikacyjnego lub/i poprzez okresowy pomiar ich konduktancji, natomiast wiedzę o faktycznej pojemności akumulatorów typu VRLA można uzyskać wyłącznie poprzez kontrolne wyładowanie-ładowanie znamionowym prądem.
Klasyczną metodą pomiaru pojemności jest wyładowanie kontrolne z wykorzystaniem opornicy o manualnej zmianie rezystancji. Konserwator odłącza wyznaczoną baterię od siłowni i odbiorów (pozostawiając dołączoną drugą baterię), dołącza do niej opornicę i zmieniając jej nastawy utrzymuje stały prąd wyładowania, a w ustalonych odstępach czasu notuje temperaturę oraz napięcie baterii i jej poszczególnych monobloków. Po osiągnięciu minimalnego napięcia baterii lub któregoś z jej bloków/ogniw lub po upływie wymaganego czasu (np. 8 godzin przy 10-godzinnym prądzie wyładowania) odłącza się opornicę i oblicza pojemność baterii. Jeżeli bateria jest sprawna, to dołącza się ją do wydzielonego zespołu prostownikowego w celu powrotnego naładowania, po czym łączy baterię z siłownią.
W miarę rozwoju technologii opornice wyposażano w funkcję utrzymywania stałego prądu rozładowania wyłączania tego prądu po osiągnięciu zadanego, końcowego napięcia wyładowania, ale manualna rejestracja napięć monobloków i przełączanie z wyładowania na ładowanie powrotne pozostały.
W latach 90-tych podejmowano próby wprowadzenia na rynek europejski autonomicznego urządzenia do kontrolnego wyładowywania i ładowania baterii akumulatorów, lecz ze względu na założoną uniwersalność (baterie o napięciu od 2V do 50V i pojemności od 50 Ah do 1 000 Ah, oddawanie energii do sieci elektroenergetycznej poprzez układy tyrystorowe) okazało się ono ciężkie i zbyt kosztowne.
Automatyzacją procesu wyładowywania i ładowania baterii w obiektach telekomunikacyjnych zajmuje się, od roku 2000, Instytut Łączności w Warszawie, z powodzeniem wdrażając do eksploatacji urządzenia TBA2-IŁ oraz TBA150-IŁ.
Urządzenie TBA160-IŁ
W roku 2009 Instytut Łączności rozpoczął realizację Projektu pt. „Nowa generacja urządzenia do kontroli baterii VRLA telekomunikacyjnych systemów zasilających”, współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, Priorytet 1 „Badania i rozwój nowoczesnych technologii”, Działanie 1.3. „Wsparcie projektów B+R na rzecz przedsiębiorców realizowanych przez jednostki naukowe”, Poddziałanie 1.3.1 „Projekty rozwojowe”. Głównym produktem Projektu jest prototyp urządzenia TBA160-IŁ.
Urządzenie przeznaczone jest do kontrolnego wyładowywania i ładowania baterii kwasowo-ołowiowych, zwłaszcza VRLA, w obiektach telekomunikacyjnych. Podczas pracy w takich obiektach urządzenia są zasilane napięciem siłowni, a energię pobieraną z rozładowywanej baterii przekazują do odbiorów siłowni, odciążając czasowo jej zespoły prostownikowe.
Urządzenie TBA160-IŁ (Rys. 1) umożliwia zaprogramowanie cyklu badaniowego obejmującego: ładowanie wyrównawcze, kontrolne wyładowanie oraz ładowanie powrotne – baterii akumulatorów w obiekcie telekomunikacyjnym. Zadaniem konserwatora jest podłączenie urządzenia do kontrolowanej baterii (odłączonej od siłowni), zaprogramowanie badań, a po ich zakończeniu przesłanie wyników (LAN, pamięć SD) do komputera PC i przywrócenie uprzedniego układu pracy siłowni.
Urządzenie TBA160-IŁ umożliwia (dla baterii 24 V, 36 V, 46 V, 48 V lub 50V, odłączonej na czas badań od siłowni):
- wyładowywanie zadanym prądem z zakresu do 160 A jednej baterii na odbiory siłowni, przy równoczesnej pracy buforowej siłowni DC z drugą (lub pozostałymi) baterią;
- wyładowywanie baterii na wewnętrzne rezystory – podczas takiego wyładowania urządzenie oddaje energię (maks. 420 W) w postaci ciepła;
- ładowanie powrotne, uprzednio wyładowanej baterii, zadanym prądem z zakresu do 160 A;
- okresowe ładowanie wyrównawcze baterii, zadanym podwyższonym napięciem (do napięcia zaprogramowanego ok. 2,4 V/ogniwo);
- realizację sekwencji złożonej z procesu wyładowania-ładowania ew. poprzedzonego ładowaniem wyrównawczym, bez udziału obsługi oraz zdalne powiadomienie (Internet, sieć GSM) obsługi o zakończeniu lub przerwaniu procesu.
Zasady pracy urządzenia TBA160-IŁ
Urządzenia TBA160-IŁ operacje ładowania i wyładowywania baterii realizują w sposób opisany poniżej.
Ładowanie wyrównawcze ma na celu doprowadzenie wszystkich ogniw baterii do stanu pełnego naładowania, co pozwala na ocenę faktycznej pojemności baterii nawet w sytuacji, gdy badanie prowadzono po zaniku napięcia w sieci elektroenergetycznej i bateria nie była w pełni naładowana.
Ładowanie wyrównawcze powinno być dokonywane prądem 10- lub 20-godzinnym. Prowadzi się je do napięcia wyższego niż napięcie pracy buforowej, co zmniejsza wpływ niedoładowania płyt ujemnych baterii i wydłuża w ten sposób czas jej eksploatacji. Ładowanie wyrównawcze wspomagają układy wyrównujące napięcia poszczególnych ogniw, tzw. „wyrównywacze napięcia”.
Wyładowanie kontrolne jest z reguły prowadzone prądem 10-godzinnym. Dla uzyskania jednoznacznych i powtarzalnych wyników, jest prowadzone prądem o stałej wartości – do osiągnięcia zadanej wartości końcowej wartości napięcia wyładowania baterii, osiągnięcia przez ogniwo/blok dolnego dopuszczalnego napięcia lub do pobrania zadanego (np. stanowiącego 80% pojemności znamionowej) ładunku. Urządzenie TBA160-IŁ mierzy ładunek pobrany z baterii i przelicza na wartość równoważną dla temperatury +20°C.
Ładowanie powrotne zapewnia przywrócenie stanu pełnego naładowania baterii po jej wyładowaniu i powinno być dokonywane prądem 10- lub 20-godzinnym. Po osiągnięciu zadanego napięcia końcowego ładowania baterii (wyższego niż napięcie pracy buforowej), prąd ładowania jest stopniowo zmniejszany. Urządzenie TBA160-IŁ monitoruje napięcia ogniw/bloków baterii i tak ogranicza prąd, aby nie przekraczać ich dopuszczalnego napięcia. Ładowanie jest kończone, gdy prąd spadnie do zaprogramowanej wartości.
Urządzenie TBA160-IŁ pozwala na realizację opisanych powyżej operacji przy minimalnym zaangażowaniu konserwatora. Kontrola wszystkich istotnych parametrów baterii eliminuje możliwość uszkodzenia baterii. Dostarczane wraz z urządzeniem oprogramowanie na komputer PC umożliwia: archiwizację wyników pomiaru, ich przeglądanie i sporządzanie raportów z badań.
Więcej informacji o Projekcie i urządzeniu TBA160-IŁ: http://www.itl.waw.pl/tba160.
Zakład Zastosowań Technik Łączności Elektronicznej Z–10,
Instytut Łączności – Państwowy Instytut Badawczy (IŁ–PIB)
http://www.itl.waw.pl
Bibliografia
[1] Chojnacki B., Godlewski P., Kobus R.,: Ocena sprawności baterii akumulatorów. Krajowym Sympozjum Telekomunikacji i Teleinformatyki KSTiT 2010, Wrocław 8-10 września 2010 r.
[2] Godlewski P.: Urządzenie TBA150-IŁ do kontroli baterii w siłowniach obiektów telekomunikacyjnych. Telekomunikacja i Techniki Informacyjne, 2008, nr 3-4, s.67-76.
