變電站蓄電池室的防爆問題研究

何仲

（上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200025）

0 引言

幾乎所有涉及變電站的設(shè)計(jì)規(guī)范都會對蓄電池室提各種各樣的防爆要求，但是條文說明中大都缺乏細(xì)致分析，只是簡單地相互引用，一脈相承。電池技術(shù)發(fā)展至今，仍有眾多規(guī)范的理論依據(jù)停留在對傳統(tǒng)富液式鉛酸蓄電池的認(rèn)知層面，似乎析氫必爆，無論電池品種、容量大小、房間體積等等關(guān)鍵參數(shù)如何，如《電氣裝置安裝工程 蓄電池施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50172—2012）[1]、《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50058—2014）[2]、《火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50229—2019）[3]、《電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5044—2014）[4]等。當(dāng)然，也有少量規(guī)范注意到了相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，如《電力設(shè)備典型消防規(guī)程》（DL 5027—2015）[5]，但是由于缺乏細(xì)致的分析，只是籠統(tǒng)地下了定義，而且本身標(biāo)準(zhǔn)的地位又比較低（僅為行標(biāo)），發(fā)布年代又非最新，使得各領(lǐng)域工程人員難以形成共識，在實(shí)際操作中只能以最新的國標(biāo)為準(zhǔn)。本文中，筆者立足變電站內(nèi)有關(guān)蓄電池及其所處房間的實(shí)際各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，進(jìn)行細(xì)致的計(jì)算分析，提出了推薦的設(shè)計(jì)方案，以供變電站相關(guān)設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收和審圖等人員參考。

1 變電站內(nèi)蓄電池的分類

變電站內(nèi)使用過的電池以化學(xué)成分上分類，主要有鉛酸蓄電池、鎘鎳堿性蓄電池、磷酸鐵鋰電池、鎳氫電池和鋰原電池。其中后兩種電池只在應(yīng)急燈中采用，而且容量很小，所以不需要考慮防爆問題。鎘鎳電池由于環(huán)保要求，現(xiàn)在僅在軍用領(lǐng)域使用，變電站已不再采用，因此也沒有探討的必要。眾所周知磷酸鐵鋰電池會爆炸，但其發(fā)展過程幾乎為故障瞬時(shí)行為，難以防范。只有鉛酸電池的化學(xué)反應(yīng)既不可避免地會釋放氫氣，存在引起爆炸的可能，也具備防范的條件，故筆者主要討論的還是鉛酸蓄電池。當(dāng)然，鉛酸蓄電池本身也分為閥控式鉛酸蓄電池和開口富液式鉛酸蓄電池。后者由于在使用過程中存在水的易揮發(fā)、易泄漏、比容量低等缺點(diǎn)，已在變電站內(nèi)絕跡，新站采用的全部是前者或者應(yīng)用更新技術(shù)的產(chǎn)品。

2 鉛酸蓄電池析氫的原理

2.1 馬斯定律

1967 年美國人馬斯從鉛酸蓄電池充電過程的研究中發(fā)現(xiàn)，恒電流充電過程中，蓄電池容量只能充到某個(gè)確定的數(shù)值。例如：鉛酸蓄電池用 0.2C恒電流充電，只能充到 80 % 的容量。超出這一數(shù)值，就會發(fā)生電解水反應(yīng)，析出氫氣和氧氣，并引起電池溫度升高。在保證電池不析氣的條件下，充電電流就要以指數(shù)的形式下降，如圖1 所示。

圖1 馬斯曲線

2.2 鉛酸電池的析氫副反應(yīng)

第 1 種為水分解反應(yīng)。鉛酸電池在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定系，因?yàn)樗拈_路電壓是 2 V，遠(yuǎn)高于水的分解電壓 1.23 V。由于負(fù)極鉛上析氧過電位很高這一動力學(xué)的原因，才得以做成鉛酸蓄電池。但是，水分解反應(yīng)總是不可避免的，只不過當(dāng)電池開路時(shí)水分解速度很小，而不能干擾到電池的主反應(yīng)。

第 2 種是自放電反應(yīng)。在電池的正極和負(fù)極上都存在自放電反應(yīng)，而且彼此是相互獨(dú)立的。各個(gè)電極上的自放電反應(yīng)速度，只取決于各個(gè)自放電反應(yīng)本身的一對反應(yīng)。開路狀態(tài)下，負(fù)極上的析氫反應(yīng)和放電反應(yīng)組成了反應(yīng)對，形成混合電位，使負(fù)極進(jìn)行如下自放電反應(yīng)：

（1）Pb+H2SO4→PbSO4+2H++2e（負(fù)極放電反應(yīng)）；

（2）2H++2e→H2（氫析出反應(yīng)）；

（3）Pb+H2SO4→PbSO4+H2（總自放電反應(yīng)）。

總反應(yīng)速度取決于氫析出的反應(yīng)速度。

2.3 閥控電池的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

為了最大限度地降低氣體的釋放量，閥控式電池在結(jié)構(gòu)上主要采取了以下這些措施[6]：

（1）正極板采用鉛鈣合金或鉛鎘合金、低銻合金，負(fù)極板采用鉛鈣合金，用以提高氣體釋放的電位。采用普通蓄電池板柵合金時(shí)，在 2.30 V／單體（25 ℃）以上時(shí)釋放氣體，而采用優(yōu)質(zhì)多元合金后，在2.35 V／單體（25 ℃）以上時(shí)釋放氣體，從而相對減少了氣體釋放量。

（2）采用內(nèi)部氧循環(huán)方式，讓正極釋放的氧氣流通到負(fù)極，并被負(fù)極板上的金屬鉛還原成水。為此，閥控式電池發(fā)展出了兩種技術(shù)：一種是 AGM 貧液電池，采用了和普通鉛酸蓄電池所采用的微孔橡膠隔板不同的新型超細(xì)玻璃纖維隔板。隔板吸收了足夠的電解液后仍保持 10 % 左右的孔隙作為氧氣的復(fù)合通道，從而使正極析出的氧氣易于流通到負(fù)極。另一種是膠體電池，利用凝膠劑二氧化硅在初期充放電時(shí)水的損失，逐漸收縮產(chǎn)生裂縫，最終裂縫貫穿于正負(fù)極板之間，給正極析出的氧氣提供到達(dá)負(fù)極的通道。

（3）讓負(fù)極有多余的容量，即比正極多出 10 % 的容量，讓馬斯曲線始終處于接收區(qū)。充電后期正極釋放的氧氣與負(fù)極接觸，發(fā)生反應(yīng)，重新生成水，即 O2+2Pb→2PbO，2PbO+2H2SO4→H2O+2PbSO4，使負(fù)極由于氧氣的作用處于欠充電狀態(tài)，從而不產(chǎn)生氫氣。

（4）采用閥控式濾酸結(jié)構(gòu)，使氣體和酸霧不能逸出，達(dá)到充分內(nèi)循環(huán)的目的。

3 蓄電池室內(nèi)氫氣爆炸可能性分析

3.1 正常工況

國家標(biāo)準(zhǔn)《固定型閥控密封式鉛酸蓄電池第 1部分：技術(shù)條件》（GB/T 19638.1—2014）第 5.2.1條規(guī)定：“蓄電池按 6.7 試驗(yàn)，2 V 單體蓄電池在環(huán)境溫度 20 ℃ 的標(biāo)準(zhǔn)浮充電壓下，平均每安時(shí)·小時(shí)對外釋放出的氣體量Ge≤ 0.04 ml，過電壓 2.40 V充電電壓下Ge≤1.7 ml。以 2018 版的國網(wǎng) 500 kV變電站通用設(shè)計(jì)為例：如果單套蓄電池室的房間面積為 18 m2，層高為 3.7 m，扣除樓板以及電池本身的體積后，那么空氣體積不小于 54 m3。蓄電池的容量為 800 Ah，額定電壓 220 V（104 節(jié)電池）。若按上述國標(biāo)折算，浮充情況下，整組電池每小時(shí)釋放氫氣 3 328 ml，相當(dāng)于每天釋放氫氣 0.08 m3，占房間體積的 0.15 %。按照氫氣的爆炸下限 4 % 折算，不算門窗和風(fēng)機(jī)孔洞的泄漏，需要運(yùn)行 26 d。

經(jīng)咨詢各個(gè)電池廠家，實(shí)際產(chǎn)品的真實(shí)數(shù)據(jù)都要比國標(biāo)好得多。以某合資品牌電池為例：見圖2，新電池的氫氣釋放量是 0.000 235 51 m3/h，壽命期最大的氫氣釋放量是0.000 942 m3/h。即使按后者考慮計(jì)算，要達(dá)到 4 % 的起爆點(diǎn)，也需要運(yùn)行95 d。該計(jì)算依據(jù)是以蓄電池室的空調(diào)設(shè)備正常運(yùn)行，整個(gè)房間的空氣強(qiáng)迫循環(huán)，且毫無泄漏為前提的。實(shí)際上，由于風(fēng)機(jī)孔洞和門窗縫隙的存在，氣體外泄肯定會發(fā)生，所以需要的時(shí)間只會更長。另外，根據(jù)國網(wǎng)公司對無人變電站的例行巡視規(guī)定，特高壓等一類變電站每 2 d 不少于 1 次，750 kV/500 kV/330 kV 變電站每 3 d 不少于 1 次，220 kV 變電站每周不少于 1 次，110 kV/35 kV 變電站每 2 周不少于 1 次。如果是有人值班的用戶站，則更為頻繁。在上述氫氣釋放期間，運(yùn)行人員開門巡視、啟動風(fēng)機(jī)是規(guī)定動作。因此，要滿足起爆條件的概率幾乎為零。

圖2 800 Ah/220 V 電池氫氣釋放量計(jì)算

3.2 特殊工況

3.2.1 常規(guī)浮充

3.2.1.1 充放電設(shè)備故障

如果充放電設(shè)備未限流限壓，那么正極板上的析氧反應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于負(fù)極板上的氧還原速度，將造成電池內(nèi)部氣壓過大，從而頂開安全閥排出氣體，同時(shí)還會造成電池內(nèi)部產(chǎn)生熱量的速率大于其散熱能力，直接導(dǎo)致電池外殼鼓包、漏氣。以現(xiàn)有的雙重化智能高頻模塊充電技術(shù)，控制好整組電池充電電壓電流不是什么難事。所以出現(xiàn)該種情況的概率很低。即使出現(xiàn)，也會及時(shí)報(bào)警。在達(dá)到爆炸當(dāng)量之前，運(yùn)行人員有足夠的時(shí)間進(jìn)行處理。

3.2.1.2 電池質(zhì)量問題

當(dāng)雜質(zhì)（如 Fe、Mn、Cl 等）進(jìn)入電池后，通過電解液擴(kuò)散并吸附在負(fù)極板上，與活性物質(zhì)接觸形成短路微電池，將產(chǎn)生自放電反應(yīng)，消耗水分，析出氫氣。或者浮充電壓偏高、過充電、排氣壓力設(shè)計(jì)偏低等造成安全閥頻繁開啟，也會導(dǎo)致氣體泄漏。對閥控電池而言，浮充電壓 2.23 V，過充電壓 2.36 V，已經(jīng)允許個(gè)體有較大差異。即使發(fā)生上述問題，也絕對是極個(gè)別現(xiàn)象。而且，電池巡檢儀會迅速通過極柱溫度和電池內(nèi)阻發(fā)現(xiàn)該類故障。因此，不會出現(xiàn)單體電池長期過充的情況，更不會發(fā)生整組電池過充的情況。至于電池安全閥損壞同樣屬于極個(gè)別現(xiàn)象，對整組電池而言也不需要考慮。

3.2.1.3 溫度影響

隨著溫度升高，正極板板柵腐蝕加快，自放電反應(yīng)速率也隨之增加。目前，蓄電池室普遍配置有空調(diào)系統(tǒng)。假設(shè)設(shè)備出現(xiàn)損壞，致使氫氣聚集在天花板下方，按 0.5 m 計(jì)，相當(dāng)于體積為 9 m3的空間。根據(jù)上述案例中的電池參數(shù)分析，即使不考慮巡視人員開門、開風(fēng)機(jī)，釋放的氫氣量要達(dá)到起爆濃度（0.36 m3）也需要運(yùn)行 16 d。在這期間，如果把空調(diào)、風(fēng)機(jī)、燈具、插座等帶電設(shè)備的安裝高度都控制在 3 m 以下，同時(shí)要求運(yùn)行人員按期巡視，開啟風(fēng)機(jī)，就完全可以杜絕發(fā)生爆炸事故。

3.2.2 均衡充電

均衡充電電壓一般為 2.35 V，那么按照圖3 廠家提供的曲線可得，充電電流約為浮充電池的 15.8倍，故氫氣釋放量約為 0.014 883 6 m3/h，相當(dāng)于每天排放 0.357 2 m3。但是，由于該種充電模式一般每年只有一次，每次 20 h，再加上放電的 10 h（析氫量很少），總體可以認(rèn)為不會超過 1 d 的量，故也無需多做考慮。

圖3 充電電流電壓曲線

4 結(jié)論

上述分析舉的案例是 500 kV 變電站，其他低等級的變電站電池容量小，情況會更好，因此可以得出這樣的結(jié)論：只要是半個(gè)月有 1 次巡視的變電站，當(dāng)變電站采用閥控式蓄電池時(shí)，室內(nèi)可能產(chǎn)生的氫氣量幾乎不存在達(dá)到爆炸濃度極限的可能性。沒有必要要求房間內(nèi)的所有電氣設(shè)備都具有防爆性能?？紤]到運(yùn)行人員工作偶爾出現(xiàn)失誤的可能性，保守起見，可以把風(fēng)機(jī)、空調(diào)、燈具等所有電器設(shè)備的安裝高度安裝在 2.5 m 左右的低位，即保證距離天花板 0.5 m 以上，同時(shí)管線也沿低位暗敷。這樣即使空調(diào)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，氫氣聚集在房間頂部達(dá)到起爆濃度，也可以杜絕電器火源，從而避免發(fā)生爆炸事故。