核電廠鉛酸蓄電池充放電方式分析

劉　宇，李　波，孔凡華

（福建福清核電有限公司，福建　福清　350318）

核電廠鉛酸蓄電池充放電方式分析

劉宇，李波，孔凡華

（福建福清核電有限公司，福建福清350318）

蓄電池作為直流系統(tǒng)的最后一道保護(hù)屏障，其運(yùn)行狀況、性能是直流系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的決定性因素，而充放電試驗(yàn)是驗(yàn)證蓄電池運(yùn)行狀況的基本方法。文章以某核電鉛酸蓄電池為例，著重介紹了鉛酸蓄電池在不同工況下的充放電方式。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)、調(diào)查研究并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，對不同工況下蓄電池的充放電方式進(jìn)行了確認(rèn)；同時(shí)對不同充放電方式的適用范圍及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，為鉛酸蓄電池組設(shè)計(jì)了合理的充放電方式選用方法，為鉛酸蓄電池的安全穩(wěn)定運(yùn)行打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

鉛酸蓄電池；充放電方式；優(yōu)缺點(diǎn)

鉛酸蓄電池作為直流系統(tǒng)的最后一道安全屏障，需定期對其進(jìn)行充放電試驗(yàn)以驗(yàn)證蓄電池容量是否滿足設(shè)計(jì)要求，從而保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。然而，在現(xiàn)實(shí)機(jī)組運(yùn)行中由于很難得到停電窗口、加上試驗(yàn)所需停電時(shí)間較長導(dǎo)致蓄電池充放電試驗(yàn)一直是制約核電廠大修工期的一個(gè)難題?，F(xiàn)以某核電鉛酸蓄電池為例，對其充、放電方式進(jìn)行分析并為其設(shè)計(jì)合理的充、放電方式以保證蓄電池容量試驗(yàn)的同時(shí)又可以滿足機(jī)組的正常供電的需求。

1　鉛酸蓄電池放電方式介紹及選用方法探討

1.1鉛酸蓄電池放電方式介紹

目前該核電廠鉛酸蓄電池放電方式根據(jù)機(jī)組狀態(tài)的不同主要分為帶負(fù)荷、斷負(fù)荷兩種放電方式?，F(xiàn)將兩種放電方式主要方法、使用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行介紹，并為蓄電池選擇合理的放電方式。

蓄電池作為直流及UPS系統(tǒng)的核心部件，需要定期對其進(jìn)行放電試驗(yàn)以核對蓄電池的容量是否滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

鉛酸蓄電池?cái)嘭?fù)荷放電的主要方法如下：

1）放電開始之前確保該系統(tǒng)下游負(fù)荷已經(jīng)處于隔離狀態(tài)；

2）斷開充電器直流側(cè)斷路器；

3）合上蓄電池放電試驗(yàn)斷路器開關(guān)；

4）投用放電小車，在小車上進(jìn)行設(shè)置電流值以達(dá)到期望值；

5）啟動(dòng)放電小車，蓄電池開始放電。

此方法的優(yōu)點(diǎn)：蓄電池放電過程中，下游負(fù)荷已經(jīng)處于隔離狀態(tài)，不存在負(fù)荷突然失電影響機(jī)組狀態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)。與此同時(shí)，這種方法也存在很多不足：

1）負(fù)荷斷開困難。在機(jī)組運(yùn)行或者停堆檢修期間，難以將所有直流或UPS系統(tǒng)下游所有負(fù)荷停運(yùn)來進(jìn)行蓄電池放電試驗(yàn)。

2）消耗大量人力。為充分驗(yàn)證設(shè)備的可靠性而在安裝、調(diào)試階段施行的蓄電池放電方案較為保守，一個(gè)系統(tǒng)的蓄電池組充放電工作，總用工時(shí)長達(dá)連續(xù)工作70多個(gè)小時(shí)。

3）占用大量工作窗口。采用斷負(fù)荷放電方案，將占用大量工作窗口，根據(jù)運(yùn)行電廠經(jīng)驗(yàn)，此方法也將嚴(yán)重影響大修工期。

蓄電池?cái)嘭?fù)荷放電方法在使用過程中對現(xiàn)場機(jī)組狀態(tài)要求較高，很難滿足條件，此方法僅適用于機(jī)組在安裝、調(diào)試階段執(zhí)行。鉛酸蓄電池另外一種放電方式為帶負(fù)荷放電方法，此時(shí)蓄電池放出的電量供給下游負(fù)荷和放電小車，主要方法如下：

1）確定蓄電池在指定放電率下的放電電流IA；

2）斷開充電器出線斷路器或停運(yùn)充電器，此時(shí)母線僅由蓄電池供電。用鉗型電流表測量蓄電池電流即下游負(fù)荷所需電流IB；

3）通過IA和IB計(jì)算出放電小車所帶電流IC（IC=IA-IB）；

4）閉合蓄電池放電試驗(yàn)斷路器；

5）閉合蓄電池放電試驗(yàn)回路相應(yīng)的開關(guān)；

6）設(shè)置放電小車放電電流值為IC并啟動(dòng)放電小車，蓄電池放電開始；

注：1）當(dāng)下游負(fù)荷改變時(shí)，需同時(shí)改變放電小車的電流值以保證蓄電池放電電流的穩(wěn)定；2）試驗(yàn)中若發(fā)現(xiàn)蓄電池電壓（整組、單節(jié)）低于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，須立即終止試驗(yàn)，投運(yùn)充電器給母線供電，停運(yùn)放電小車。

1.2鉛酸蓄電池放電方式選用方法探討

大修期間很多組蓄電池需進(jìn)行定期充放電試驗(yàn)，但是其直流系統(tǒng)下游負(fù)荷又不能夠停止供電，因此選擇帶負(fù)荷進(jìn)行蓄電池放電試驗(yàn)才能更好地滿足現(xiàn)場需求。帶負(fù)荷進(jìn)行蓄電池放電試驗(yàn)?zāi)軌蚪鉀Q蓄電池定期充放電試驗(yàn)及下游負(fù)荷供電同時(shí)進(jìn)行的問題，還能夠有效地提高工作效率，但是相比停運(yùn)負(fù)荷放電也存在一定的風(fēng)險(xiǎn)：

1）當(dāng)蓄電池熔斷器開關(guān)由于某種原因出現(xiàn)熔絲熔斷等故障時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)母線突然失電的情況；

2）當(dāng)蓄電池容量存在一定的問題時(shí)，蓄電池電壓的突然變化也會(huì)導(dǎo)致母線受影響；

3）若電纜的絕緣等存在問題時(shí)也可能導(dǎo)致母線受到影響；

4）下游負(fù)荷突然失去電源可能對設(shè)備的性能造成一定的影響。例如，某核電核島直流系統(tǒng)為兩臺(tái)充電器帶一組蓄電池，當(dāng)進(jìn)行蓄電池充放電試驗(yàn)時(shí)，需停運(yùn)兩臺(tái)充電器（或斷開輸出開關(guān)），此時(shí)直流母線僅由蓄電池一路電源供電，若帶負(fù)荷進(jìn)行試驗(yàn)，下游負(fù)荷的供電可靠性會(huì)降低，如圖1所示。當(dāng)蓄電池容量或相應(yīng)的開關(guān)等出現(xiàn)問題時(shí)，母線可能會(huì)受到影響，導(dǎo)致下游負(fù)荷失去電源。對于相對重要負(fù)荷的失電，會(huì)造成相對較嚴(yán)重的后果。當(dāng)LBA系統(tǒng)母線失電時(shí)，其下游的發(fā)變組保護(hù)裝置將失去控制電源，此時(shí)將會(huì)影響500 kV電源。

故在執(zhí)行直流系統(tǒng)蓄電池帶負(fù)荷放電試驗(yàn)時(shí)需對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行仔細(xì)檢查、核實(shí)，以降低試驗(yàn)時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)也可以將直流母線所帶的逆變器等負(fù)荷切至旁路運(yùn)行或?qū)⒉槐匾呢?fù)荷停運(yùn)，減少母線所帶負(fù)荷，從而降低負(fù)荷失電的風(fēng)險(xiǎn)。若蓄電池采用帶負(fù)荷放電試驗(yàn)的方法，相關(guān)處室人員需制定好應(yīng)急預(yù)案，以備故障時(shí)采取緊急措施，同時(shí)也減少故障所帶來的損失。

對于UPS系統(tǒng)的蓄電池放電試驗(yàn)，由于UPS系統(tǒng)有自己獨(dú)立的蓄電池放電回路，蓄電池放電時(shí)只需斷開蓄電池熔斷器開關(guān)即可，下游負(fù)荷依然有主路和旁路兩路電源進(jìn)行供電，供電相對可靠。圖2為某核電UPS的原理圖，放電時(shí)只需要將蓄電池Q004開關(guān)斷開，并合上相應(yīng)的試驗(yàn)回路開關(guān)004JA即可。

鉛酸蓄電池放電方式選用方法探討：

1）斷負(fù)荷放電方法主要適用于調(diào)試安裝階段，由于該階段大部分下游負(fù)荷沒有運(yùn)行，系統(tǒng)可以根據(jù)需要進(jìn)行停運(yùn)。

2）帶負(fù)荷放電方法適用于機(jī)組運(yùn)行、大修等階段，由于該階段全廠主要設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)，沒有停運(yùn)窗口，無法對其進(jìn)行停運(yùn)，帶負(fù)荷放電方式能夠有效地解決系統(tǒng)由于機(jī)組無停電窗口而無法進(jìn)行放電試驗(yàn)的難題。但是在采用此方法進(jìn)行蓄電池容量試驗(yàn)時(shí)，需提前做好試驗(yàn)前檢查、風(fēng)險(xiǎn)分析，制定風(fēng)險(xiǎn)預(yù)案及緊急補(bǔ)救措施，將風(fēng)險(xiǎn)降至最低。

圖1　LBA系統(tǒng)原理圖Fig.1　Schematicof LBA system

圖2　UPS系統(tǒng)原理圖Fig.2　Schematic of UPS system

2　鉛酸蓄電池充電方式介紹及選用方法探討

2.1鉛酸蓄電池充電方式介紹

鉛酸蓄電池充電方式一般分為：恒流充電、恒壓充電、恒壓限流充電，下面對這3種充電方式逐一進(jìn)行闡述。

（1）恒流充電

恒流充電，一般在蓄電池初充電或深度放電后采用的充電方式。蓄電池以恒定的電流進(jìn)行連續(xù)充電。

恒流充電方式的不足是，開始充電階段電流過小，在充電后期充電電流又過大。整個(gè)充電時(shí)間長，蓄電池析出氣體多，對極板沖擊大，能耗高。

（2）恒壓充電

恒壓充電是蓄電池組浮充運(yùn)行時(shí)常用的充電方法，也是蓄電池在均衡充電使用的充電方法。在充電初期電流很大，隨著充電進(jìn)行，電流逐漸減小，在充電末期只有很小的電流通過，這樣的充電方式在充電過程中不必調(diào)整電流，方法比較簡單。因?yàn)槌潆婋娏髯詣?dòng)減小，所以充電過程中析氣量小，充電時(shí)間短，能耗低。

恒壓充電的缺點(diǎn)是：

1）在充電初期，如果蓄電池放電深度過深，充電電流會(huì)很大，電池可能會(huì)因充電電流過大而受到損傷；

2）如果充電電壓選擇過低，后期充電電流又過小，充電時(shí)間過長。

（3）恒壓限流充電

恒壓限流充電也常叫做限壓限流，是廣泛采用的一種充電方法。在充電初期限制了充電電流，隨著充電時(shí)間的推移，充電電壓逐漸升高。

2.2鉛酸蓄電池充電方式選擇方法探討

某核電廠蓄電池采用的是沈陽東北蓄電池有限公司制造的鉛酸蓄電池，其充電方法根據(jù)機(jī)組狀態(tài)的不同選用的充電方式也不同。

（1）安裝、調(diào)試階段的蓄電池放電試驗(yàn)后充電方式選用

在安裝、調(diào)試階段，由于母線下游負(fù)荷較少，可以進(jìn)行隔離，母線的電壓變化不會(huì)影響下游負(fù)荷供電可靠性，可以根據(jù)實(shí)際情況改變母線電壓以保證蓄電池充電電流基本保持不變，此種狀況下采用恒流法對蓄電池進(jìn)行充電。此時(shí)蓄電池充電電壓一般為2.7 V/節(jié)左右，蓄電池充電電流不宜過大以防大電流影響蓄電池的使用壽命。一般選用0.05 C10A的電流對蓄電池進(jìn)行充電，恒流法充電可以提高蓄電池的充電效率。

（2）運(yùn)行、大修階段的蓄電池放電試驗(yàn)后充電方式選用

在機(jī)組處于運(yùn)行或者大修階段，由于部分重要負(fù)荷無法停運(yùn)，此時(shí)對蓄電池充電需要帶負(fù)荷充電。若此時(shí)采用恒流法，充電時(shí)母線電壓過高，超過下游負(fù)荷電壓波動(dòng)范圍，會(huì)對下游負(fù)荷的可靠供電造成威脅。這種情況下一般選用恒壓限流法進(jìn)行充電，先用0.1C10A～0.2C10A的電流充電至蓄電池的端電壓達(dá)2.35V，時(shí)間約為8～10 h，再以此電壓（2.35±0.02）V繼續(xù)進(jìn)行恒壓充電至充足為止，總共充電時(shí)間約36～48 h（指完全放電的電池，如為部分放電的蓄電池，充電時(shí)間相應(yīng)縮短）。其優(yōu)點(diǎn)是蓄電池的容量試驗(yàn)為深度放電，放電后采用限壓限流充電方式可限制充電初期的充電電流，防止過大的充電電流沖擊極板使極板造成彎曲變形；在充電中、末期限制充電電壓，可防止充電電壓過高、析氣過多使蓄電池內(nèi)部電解液沸騰。

（3）蓄電池在正常運(yùn)行階段浮充電方式選用

蓄電池在正常運(yùn)行階段浮充電方法選用恒壓法，以2.23 V/節(jié)的電壓進(jìn)行浮充，隨著充電進(jìn)行，電流逐漸減小，這樣充電方式在充電過程中不必調(diào)整電流，方法比較簡單。因?yàn)槌潆婋娏髯詣?dòng)減小，所以充電過程中析氣量小，充電時(shí)間短，能耗低。

3　結(jié)束語

蓄電池是直流系統(tǒng)中非常重要的組成部分，而合理的充、放電方式對于蓄電池來說又是非常重要的，同時(shí)也能解決母線無法停運(yùn)的難題，節(jié)約了大修工期。文章通過分析、研究明確了不同充、放電方式的適用性及可靠性，為蓄電池設(shè)計(jì)了合理的充、放電方式，同時(shí)也為蓄電池的良好運(yùn)行打下了基礎(chǔ)。

［1］ GB13337.1—1991，固定型防酸式鉛酸蓄電池技術(shù)條件［S］.GB 13337.1—1991.Fixed anti-acid type leadacid battery technology conditions［S］.

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The Analysis for Selection of the Lead-acid Battery Charging and Discharging Method

LIU Yu，LI Bo，KONG Fan-hua
（Fujian Fuqing Nuclear Power Co.，Ltd.， Fuqing of Fujian Prov. 350318， China）

The operation of battery，as the last barrier of DC system，determines the stable operation of the DC system. Capacity test is the basic way to verify the battery performance. This article takes the lead-acid battery of Fuqing Nuclear Power Plant as example，shows the different charging and discharging modes. The charging and discharging modes under different conditions are confirmed depending on relevant literature，investigation and the actual situation. The advantages and disadvantages of different charging and discharging modes，and also the scope of application are discussed in this paper. Areasonable charging and discharging method forlead-acid batteries is selected，which laid a solid foundation for the safe and stable operation of lead-acid battery.

lead-acid battery；charging and discharging；advantagesand disadvantages

TM623Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）03-0281-05

TM623

A

1674-1617（2015）03-0281-05

2015-03-19

劉宇（1986—），男，黑龍江齊齊哈爾人，助工，本科，從事核電廠電氣檢修工作。