张彦-核电厂直流蓄电池试验、故障浅析及应用.doc

1、国家职业资格全国统一鉴定电工论文（国家职业资格 一 级）论文题目： 核电厂直流蓄电池试验、故障浅析及应用姓名：张彦身份证号：320322198911142540准考证号：所在省市：江苏省连云港市所在单位： 成都海光核电技术服务有限公司-2-核电厂直流蓄电池试验、故障浅析及应用核电厂直流蓄电池试验、故障浅析及应用张彦成都海光核电技术服务有限公司摘要：摘要：田湾核电站双围墙内的蓄电池共计 55 组，其中 51 组为 HOPPECKE 公司的富液式铅酸蓄电池,蓄电池组是核电不间断供电系统的核心部件，担负着在核电厂失去外电源工况下的对核电站重要仪表、重要阀门和控制负荷的供电。本文就其结构、化学反应原理

2、、影响蓄电池性能的外部因素、维护以及常见故障等方面作以阐述。关键字：关键字：蓄电池、性能试验、试验方法、故障分析及处理。-3-目目录录引言引言.41.1.蓄电池的基本原理蓄电池的基本原理.51.1 蓄电池的基本结构.51.2 蓄电池的化学反应基本原理.51.2.1 大电流放电过程.61.2.2 小电流放电过程.61.2.3 蓄电池放电后的再充电过程.62.1 温度的影响. 72.1.1 温度对电解液密度的影响.72.1.2 温度对蓄电池容量的影响.72.2 浮充电压的影响. 82.3 电解液中杂质的影响.83.3.蓄电池的维护蓄电池的维护.93.1 蓄电池定期维护的必要性.93.2 蓄电池的更

3、换. 94.4.蓄电池充放电可能出现异常处理及措施蓄电池充放电可能出现异常处理及措施.114.1 长期浮充电压偏高或补充电时电压控制太高：.114.2 浮充电压偏低或补充电时，充电不足：.114.3 电解液密度异常. 114.4 蓄电池活性物质脱落. 114.5 电压异常现象.135.5.结束语结束语. 14参考文献参考文献. 14-4-引言引言蓄电池组是核电不间断供电的核心部件，在正常运行时，蓄电池组应付瞬态高峰负荷，在发电厂内发生任何事故，甚至在全厂交流电源都停电的情况下、仍能保证直流系统中的用电设备可靠而连续的工作，同时也是全厂事故照明的可靠电源。田湾核电站设计要求蓄电池的寿命为 20

4、年， 核岛选用了德国 HOPPECKE公司的 GroE 铅酸蓄电池。GroE 系列蓄电池，单体电压为 2V，在田湾核电站内该系列蓄电池额定容量分为 200Ah、2500Ah、400Ah、700Ah、800Ah、1900Ah、2600Ah，运行温度在 20，充电电压 2.232.40 V，正常使用寿命为 18 年。这种蓄电池相对管状极板来说具有优异的大电流放电性能，大电流放电适合几秒钟放电又适合于几小时放电。-5-1.1. 蓄电池的基本原理蓄电池的基本原理1.1 蓄电池的基本结构GroE 铅酸蓄电池主要由正极板、负极板、电解液和电池外壳等部分组成。在富液式铅酸蓄电池中负极板的活性物质是铅，由孔隙

5、均匀的活性物质铅压入铅板栅形成。正极板的活性物质是二氧化铅，但活性物质二氧化铅与负极板上的活性物质铅处理方法不同，不是简单的压入板栅，而是通过数次氧化反应形成。正极板本身是由高纯铅（纯度99.99%）组成，极板的氧化形成活性物质二氧化铅，因为是在铅板的表面进行的氧化反应，故在正极板表面上的活性物质非常薄，厂家数据显示活性物质的厚度只有0.110.15mm，设计者充分利用了活性物质的大面积薄片结构进行设计，使载流子在短时间内可提供大电流，例如：一组 2400Ah 的蓄电池在 10 秒中能够提供 2600A 的电流。另外，在铅板栅中，合金元素-锑也扮演着重要角色，因为板栅中的锑增强了铅板栅的强度和

6、硬度。但选用合金元素-锑也存在负面影响，即一旦锑溶解出来并在负极上沉积，就会造成负极的严重自放电，增加水的损耗和减少蓄电池的寿命。为此，采用了折中的方法，把锑的含量降到合理的数值，既保证了极板栅的强度、硬度，又使蓄电池的使用寿命得以延长。1.2 蓄电池的化学反应基本原理蓄电池在充、放电过程发生的电化学反应为：PbO2+ 2H2SO4+Pb=2PbSO4+H2O（1）充电时，蓄电池将电能以化学能的形式存贮起来。放电时，蓄电池将存贮的化学能转化成电能提供给负载使用。蓄电池在事故工况下作为独立电源，不受外部电源的影响，这是蓄电池在重要场合得到广泛应用的根本原因。蓄电池放电是蓄电池应用能力的展现过程，

7、也是用户关注的焦点。从公式（1）可以看出，在放电过程中，负极的铅以及正极的二氧化铅与硫酸发生反应生成硫酸铅和水，因为在反应过程中消耗了硫酸并生成水，所以在这个反应过程中硫酸被稀释了，这就是硫酸的密度在放电的后期中降低的主要原因。-6-1.2.1 大电流放电过程在大电流放电过程中，极板上的活性物质与周围的硫酸迅速反应，使活性物质细孔中的硫酸被很快的消耗掉，生成较大的硫酸铅晶体，导致极板的细孔堵塞，外部的酸液不能很快的进入活性物质孔隙中。另外，与在孔隙中生成的水相比，外部硫酸也具有一定的粘度，减缓了酸的流动和扩散的速度，因此细孔深处的硫酸浓度比外部的硫酸浓度更低一些，活性物质参加化学反应的机会减少

8、，导致部分活性物质反应不充分。同时放电过程中电解液电阻增大，电压下降很快，蓄电池释放出的能量减少，因此，在大电流放电过程中蓄电池的容量相对额定容量有所减小。1.2.2 小电流放电过程在小电流长时间的放电过程中，硫酸铅形成较慢，生成的晶体也小，硫酸容易扩散到细孔深处，细孔深处的更多的活性物质能顺利的参加化学反应，所以，电池的释放容量相对更大一些。1.2.3 蓄电池放电后的再充电过程蓄电池放电后再充电的过程中，硫酸铅被还原成铅和二氧化铅同时生成硫酸。浓硫酸在活性物质的细孔中生成，要通过扩散与外部的稀硫酸混合，但浓硫酸相对来说密度更大一些，在脱离活性物质后，会沉落到蓄电池底部，使蓄电池底部的硫酸的浓

9、度增高，蓄电池内部的硫酸出现分层现象，底部的浓硫酸会对极板造成腐蚀，上部的稀硫酸密度很低（放电后期接近于水） ，铅在这样的稀硫酸中容易发生溶解，因此蓄电池电解液上下层的混合很重要。在充电后期过充的电能使水分解产生了氢气和氧气，产生的气体在电解液中起到搅拌混合作用。蓄电池的外部表现是蓄电池在充电过程中，蓄电池内部产生气泡之前，电解液的密度上升缓慢，蓄电池内部产生气泡之后电解液的密度上升相对较快。-7-2.2. 影响蓄电池性能的外部因素影响蓄电池性能的外部因素2.1 温度的影响2.1.1 温度对电解液密度的影响电解液在温度变化时，会表现出热胀冷缩的物理特性，温度较低时电解液密度上升，温度较高时电解

10、液密度降低。在国内一般所说的蓄电池参数是基准温度为 25时蓄电池的参数， 但 HOPPECKE 公司的铅酸蓄电池采用的是德国相关标准，蓄电池的设计基准温度是 20，这是与国内标准不同的。据厂家资料：HOPPECKE 公司的铅酸蓄电池的电解液的温度系数为0.0007kg/l.k 。d20=dT +(T20)*0.007kg/l式中：d20为 20酸的密度dT 在实际温度时酸的密度T 为实际的温度2.1.2 温度对蓄电池容量的影响电解液温度升高，电解液的密度降低，电解液的扩散能力就会增强，活性物质外部的硫酸扩散到细孔中就会变得容易，化学反应能力增强。因此随着温度的增加，容量增加。电解液温度下降，扩

11、散能力减弱，活性物质外部的硫酸扩散到活性物质细孔中变得困难，化学反应能力减缓，蓄电池的容量减小。式中：C 为基准温度 20时的容量Cn 为实测的容量T 为放电时实际的平均温度Z 为温度系数2.1.3 温度对蓄电池寿命的影响蓄电池的设计基准温度为20， 若年平均运行温度超过基准温度10，电化学过程反应速度增加一倍，进而导致使用寿命减少一半。在低温下使用寿命相应地增加（值得注意的问题是低温会导致容量降低） 。-8-2.2 浮充电压的影响浮充电压过高，将导致浮充电流过大，增加了水的分解，同时增加了正极上氧气的逸出，蓄电池内部腐蚀加剧。同时由于浮充电压的增加，水分解后产生的气泡可能破坏活性物质，使正极

12、的活性物质的脱落，蓄电池的使用寿命减少。浮充电压过低，将导致充电电流过小，使蓄电池欠充电，造成负极板的活性物质脱落，以及负极板硫化，同时还会降低蓄电池的容量。2.3 电解液中杂质的影响蓄电池液面降低后补充的水如果没有达到厂家的要求，或者杂质通过其它途径进入电解液，均会导致浮充电流的增加，增加水的分解，加速腐蚀，减少蓄电池的使用寿命。-9-3.3. 蓄电池的维护蓄电池的维护3.1 蓄电池定期维护的必要性自放电是蓄电池时刻都在进行的化学反应过程，即使在没有任何负载的情况下，自放电也同样在进行。浮充电的作用主要就是为了补偿自放电，维持蓄电池在满充状态。田湾核电站内无论是整流器配套的蓄电池，还是 UP

13、S 配套的蓄电池，蓄电池自投入运行后一直处于浮充电运行方式，也可以说蓄电池是处于一种充、 放电运行状态， 即整流装置对蓄电池进行浮充电， 浮充电压为 2.23V/节，通过并列连接的负载（直流母线上的负荷或逆变器）间或进行瞬时放电。这种运行方式从表面上来说，补偿了蓄电池的自放电，但实际上蓄电池的长期运行在充、放电状态，容易引起电池内部单体电池电压、电解液密度的不平衡。即使没有间或瞬时放电的情况发生，蓄电池长期运行在浮充状态也会导致蓄电池内部电解液的分层，上部的电解液密度低，下部的电解液密度高，易引起蓄电池内部的极板腐蚀。所以定期检查成为蓄电池维护的必要手段：定期测量蓄电池单体电压、电解液密度、电

14、解液温度。当检查发现蓄电池单体电压、电解液密度偏离正常范围，维修人员应及时进行均衡充电以使蓄电池保持良好的运行状态。电解液温度的测量有助于了解蓄电池的内部极板是否有短路现象，如某个蓄电池单体内部存在短路，蓄电池内的短路点位置会发生过热，电解液温度会升高,维修人员检查发现异常后可及时对其处理或更换。3.2 蓄电池的更换蓄电池组中一个或多个蓄电池发生故障后,需要更换其中的一个或多个蓄电池，新的单体电池的浮充电压通常比较高，随着时间的推移新、旧电池浮充电压会趋于平衡。虽然这个过程不会影响蓄电池组的电气性能，但是在一定程度上会加速新电池的老化过程，新电池的电压会逐渐调整到老电池的水平。更换新电池对整个

15、蓄电池组的影响主要表现在两方面：1)当更换新电池后，由于整流器总的输出电压是一定的，因此一个或多个单体电池电压的升高必然限制一个或更多的蓄电池的电压。-10-2)新电池限制了浮充电流。对于新单体电池限制浮充电流的问题，应当明确的是浮充电流并不是与蓄电池的总内阻成线性关系。在富液式铅酸蓄电池中，浮充电流主要是用于补偿自放电维持蓄电池的满充状态，还有一小部分用于分解水。用于分解水的电流对于新老电池都是相同的，但老电池极板因长期运行存在着硫化，自放电率高，需要较高的电流用于补偿自放电。当用新电池替代旧电池时，新电池需要的用于补偿自放电的电流较低，即新电池需要的浮充电流较低。由于新旧电池是串联的，这样

16、新电池就限制了浮充电流。当通过老电池的电流低于所需要补偿自放电的电流时，将加速老电池的硫酸盐化。老化电池的更换限制一般为蓄电池组中单体电池数量的 1020，如果有更多的电池老化，应对整组蓄电池进行更换。-11-4.4. 蓄电池充放电可能出现异常处理及措施蓄电池充放电可能出现异常处理及措施4.1 长期浮充电压偏高或补充电时电压控制太高：耗水量大，电解液温度升高，电解液密度增高，正极板腐蚀速度加快；正极板将出现逐渐弯曲，破肚现象；容量反而会下降，会导致电池寿命提前终止。消除方法：调整电压控制值，调整至浮充电压 2.23V/只， （温度 20）补充电时，调整充电电流或电压，或更换有问题的电压控制件。

17、4.2 浮充电压偏低或补充电时，充电不足：电解液密度低；容量不足；负极将会产生硫酸盐化现象，可见明显的白色小颗粒；负极板会出现早期膨胀，容量早期衰退；导致寿命提前终止。消除方法：调整充电电流、电压。4.3 电解液密度异常充电时电解液密度升高，放电时电解液密度降低。电解液密度太高，容易造成极板硫酸盐化和加速板栅腐蚀，密度太低，放电容量受到影响。如果试验前发现电池的电解液在最高液位线以下，需先加稀硫酸至最高液位线后再进行调试。试验结束后，如果电解液密度太高，将一部分的电解液用纯水代替。电解液的标称密度是基于 20的温度以及在完全充满电状态下的标称电解液的密度来定义的，最大允许偏差0.01 g/ c

18、m。高温会降低电解液的密度，低温会增加电解液的密度，辅助校正系数为 0.0007 g/cm/每 K，例如一般情况下 35时密度为 1.23 g/ cm的电解液相当于 20时密度为 1.24 g/ cm的电解液而 5时密度为 1.25 g/ cm的电解液相当于 20时密度为 1.24 g/ cm的电解液。运行温度在 10C 到 30C 以内时，充电电压的温度调整是不必要的。如果温度低于 10C 和/或高于 30C， 应对充电电压进行温度相关的调整。 温度校正系数为-0.004V/cell 每 K。如果温度持续上升至 40C 以上时，该系数为-0.003V/cell 每 K。4.4 蓄电池活性物质

19、脱落-12-一方面造成电池容量下降，另一方面容易在电池底部造成正负极板短路，使电池使用寿命及早终止。如果少量活性物质脱落，在蓄电池的正常工作范围内，如果大大超过正常的情况时，就要及时分析原因，并进行处理。田湾核电蓄电池的活性物质主要由正极板脱落，说明充电电流过大或者经常过充电。蓄电池内部极板发生氧化层脱落物搭接性短路后，蓄电池单体电压偏低，短路回路内产生短路电流，会消耗硫酸产生硫酸铅，长时间运行后产生的硫酸铅会变硬，当用手电筒对照极板，极板变得亮晶晶，表明蓄电池严重硫化，此时的蓄电池容量已经很难恢复。图 1活性物质过量脱落蓄电池正极连接桥上氧化层脱落的原因：由于硫酸密度低于 1.18 g/cm

20、3 特别是在小于 1.15g/cm3 时，硫酸是不稳定的，会引起腐蚀加剧，而低密度硫酸又恰恰在以下两种情况中必然发生： 蓄电池放电后，内部电解液的密度很低，特别是蓄电池上部的电解液密度一般在 1.00 g/cm31.12 g/cm3 区间，而充电过程中密度上升缓慢，特别是在不连续均充的情况下，电解液密度恢复到正常值（1.22 g/cm3）可能需要近 1 个月的时间。蓄电池液面低于最低液面后需要添加蒸馏水，蒸馏水的密度1.0g/cm3，而蓄电池内部电解液的密度为 1.22 g/cm3 以上，由于蒸馏水密度低，会浮在电解液的上部，如果依靠蓄电池浮充电时产生的气泡自然搅-13-拌，一般需要 13 个

21、月时间电解液密度才能恢复到正常值。在以上两种情况下，正极板连接桥会长时间浸泡在低密度的硫酸中，连接桥表面的氧化层发生腐蚀，腐蚀以后开始逐渐起皮、脱落。4.5 电压异常现象电池充好电以后，单体电池浮充电压应在 2.182.33 V，在蓄电池过放电后或者长期运行过程中易于出现蓄电池单体电压低的现象，此时一般选择对整组电池均充，若均充后单体电池电压依然偏低，则选择对单体电池进行均充，均充后电压依然不合格，则选择更换单节蓄电池。-14-5.5. 结束语结束语虽然 GroE 铅酸蓄电池自 2006 年运行以来，表现了良好的电气性能，但因其在核安全方面承担着举足轻重的作用，因此认认真真对蓄电池进行容量测试和日后维护工作，依然非常重要。随着蓄电池运行时间的增加，如何维持蓄电池持续运行在良好的工作性能，将成为后续维护关注的重点。参考文献参考文献1中华人民共和国能源行业标准，核电厂用蓄电池，NB/T 20028.220102Wolfgang Fischer，固定型铅酸蓄电池介绍手册3魏晓斌，张磊，张光，等。温度对阀控式铅酸蓄电池的影响分析J 。电源技术，2008,32（2）122-1234孟为群，陈豪，等。电力系统阀控式铅酸蓄电池试验方法的分析与探讨。蓄电池，2012,49（1）