張彥-核電廠直流蓄電池試驗(yàn)、故障淺析及應(yīng)用

1、國(guó)家職業(yè)資格全國(guó)統(tǒng)一鑒定電工論文（國(guó)家職業(yè)資格 一 級(jí)）論文題目： 核電廠直流蓄電池試驗(yàn)、故障淺析及應(yīng)用姓 名： 張彥 身份證號(hào)：準(zhǔn)考證號(hào)： 所在省市： 江蘇省連云港市 所在單位： 成都海光核電技術(shù)服務(wù)有限公司 核電廠直流蓄電池試驗(yàn)、故障淺析及應(yīng)用張彥成都海光核電技術(shù)服務(wù)有限公司摘要：田灣核電站雙圍墻內(nèi)的蓄電池共計(jì)55組，其中51組為HOPPECKE公司的富液式鉛酸蓄電池,蓄電池組是核電不間斷供電系統(tǒng)的核心部件，擔(dān)負(fù)著在核電廠失去外電源工況下的對(duì)核電站重要儀表、重要閥門(mén)和控制負(fù)荷的供電。本文就其結(jié)構(gòu)、化學(xué)反應(yīng)原理、影響蓄電池性能的外部因素、維護(hù)以及常見(jiàn)故

2、障等方面作以闡述。關(guān)鍵字：蓄電池、性能試驗(yàn)、試驗(yàn)方法、故障分析及處理。目 錄引言41.蓄電池的基本原理51.1蓄電池的基本結(jié)構(gòu)51.2蓄電池的化學(xué)反應(yīng)基本原理61.2.1 大電流放電過(guò)程61.2.2小電流放電過(guò)程61.2.3 蓄電池放電后的再充電過(guò)程62.1溫度的影響72.1.1溫度對(duì)電解液密度的影響72.1.2溫度對(duì)蓄電池容量的影響72.2浮充電壓的影響82.3電解液中雜質(zhì)的影響83.蓄電池的維護(hù)93.1蓄電池定期維護(hù)的必要性93.2蓄電池的更換104.蓄電池充放電可能出現(xiàn)異常處理及措施114.1長(zhǎng)期浮充電壓偏高或補(bǔ)充電時(shí)電壓控制太高：114.2浮充電壓偏低或補(bǔ)充電時(shí)，充電不足：114.3電

3、解液密度異常114.4蓄電池活性物質(zhì)脫落124.5 電壓異?，F(xiàn)象135.結(jié)束語(yǔ)14參考文獻(xiàn)14引言蓄電池組是核電不間斷供電的核心部件，在正常運(yùn)行時(shí)，蓄電池組應(yīng)付瞬態(tài)高峰負(fù)荷，在發(fā)電廠內(nèi)發(fā)生任何事故，甚至在全廠交流電源都停電的情況下、仍能保證直流系統(tǒng)中的用電設(shè)備可靠而連續(xù)的工作，同時(shí)也是全廠事故照明的可靠電源。 田灣核電站設(shè)計(jì)要求蓄電池的壽命為20年，核島選用了德國(guó)HOPPECKE公司的GroE鉛酸蓄電池。GroE系列蓄電池，單體電壓為2V，在田灣核電站內(nèi)該系列蓄電池額定容量分為200Ah、2500Ah、400Ah、700Ah、800Ah、1900Ah、2600Ah，運(yùn)行溫度在20，充電電壓2.

4、232.40 V，正常使用壽命為18年。這種蓄電池相對(duì)管狀極板來(lái)說(shuō)具有優(yōu)異的大電流放電性能，大電流放電適合幾秒鐘放電又適合于幾小時(shí)放電。1. 蓄電池的基本原理1.1蓄電池的基本結(jié)構(gòu)GroE鉛酸蓄電池主要由正極板、負(fù)極板、電解液和電池外殼等部分組成。在富液式鉛酸蓄電池中負(fù)極板的活性物質(zhì)是鉛，由孔隙均勻的活性物質(zhì)鉛壓入鉛板柵形成。正極板的活性物質(zhì)是二氧化鉛，但活性物質(zhì)二氧化鉛與負(fù)極板上的活性物質(zhì)鉛處理方法不同，不是簡(jiǎn)單的壓入板柵，而是通過(guò)數(shù)次氧化反應(yīng)形成。正極板本身是由高純鉛（純度99.99%）組成，極板的氧化形成活性物質(zhì)二氧化鉛，因?yàn)槭窃阢U板的表面進(jìn)行的氧化反應(yīng)，故在正極板表面上的活性物質(zhì)非常薄

5、，廠家數(shù)據(jù)顯示活性物質(zhì)的厚度只有0.110.15mm，設(shè)計(jì)者充分利用了活性物質(zhì)的大面積薄片結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使載流子在短時(shí)間內(nèi)可提供大電流，例如：一組2400Ah的蓄電池在10秒中能夠提供2600A的電流。另外，在鉛板柵中，合金元素-銻也扮演著重要角色，因?yàn)榘鍠胖械匿R增強(qiáng)了鉛板柵的強(qiáng)度和硬度。但選用合金元素-銻也存在負(fù)面影響，即一旦銻溶解出來(lái)并在負(fù)極上沉積，就會(huì)造成負(fù)極的嚴(yán)重自放電，增加水的損耗和減少蓄電池的壽命。為此，采用了折中的方法，把銻的含量降到合理的數(shù)值，既保證了極板柵的強(qiáng)度、硬度，又使蓄電池的使用壽命得以延長(zhǎng)。1.2蓄電池的化學(xué)反應(yīng)基本原理蓄電池在充、放電過(guò)程發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)為：PbO2

6、+ 2H2SO4+Pb=2PbSO4+H2O （1）充電時(shí)，蓄電池將電能以化學(xué)能的形式存貯起來(lái)。放電時(shí)，蓄電池將存貯的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能提供給負(fù)載使用。蓄電池在事故工況下作為獨(dú)立電源，不受外部電源的影響，這是蓄電池在重要場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用的根本原因。蓄電池放電是蓄電池應(yīng)用能力的展現(xiàn)過(guò)程，也是用戶(hù)關(guān)注的焦點(diǎn)。從公式（1）可以看出，在放電過(guò)程中，負(fù)極的鉛以及正極的二氧化鉛與硫酸發(fā)生反應(yīng)生成硫酸鉛和水，因?yàn)樵诜磻?yīng)過(guò)程中消耗了硫酸并生成水，所以在這個(gè)反應(yīng)過(guò)程中硫酸被稀釋了，這就是硫酸的密度在放電的后期中降低的主要原因。1.2.1 大電流放電過(guò)程在大電流放電過(guò)程中，極板上的活性物質(zhì)與周?chē)牧蛩嵫杆俜磻?yīng)，使活

7、性物質(zhì)細(xì)孔中的硫酸被很快的消耗掉，生成較大的硫酸鉛晶體，導(dǎo)致極板的細(xì)孔堵塞，外部的酸液不能很快的進(jìn)入活性物質(zhì)孔隙中。另外，與在孔隙中生成的水相比，外部硫酸也具有一定的粘度，減緩了酸的流動(dòng)和擴(kuò)散的速度，因此細(xì)孔深處的硫酸濃度比外部的硫酸濃度更低一些，活性物質(zhì)參加化學(xué)反應(yīng)的機(jī)會(huì)減少，導(dǎo)致部分活性物質(zhì)反應(yīng)不充分。同時(shí)放電過(guò)程中電解液電阻增大，電壓下降很快，蓄電池釋放出的能量減少，因此，在大電流放電過(guò)程中蓄電池的容量相對(duì)額定容量有所減小。1.2.2小電流放電過(guò)程在小電流長(zhǎng)時(shí)間的放電過(guò)程中，硫酸鉛形成較慢，生成的晶體也小，硫酸容易擴(kuò)散到細(xì)孔深處，細(xì)孔深處的更多的活性物質(zhì)能順利的參加化學(xué)反應(yīng)，所以，電池的

8、釋放容量相對(duì)更大一些。1.2.3 蓄電池放電后的再充電過(guò)程蓄電池放電后再充電的過(guò)程中，硫酸鉛被還原成鉛和二氧化鉛同時(shí)生成硫酸。濃硫酸在活性物質(zhì)的細(xì)孔中生成，要通過(guò)擴(kuò)散與外部的稀硫酸混合，但濃硫酸相對(duì)來(lái)說(shuō)密度更大一些，在脫離活性物質(zhì)后，會(huì)沉落到蓄電池底部，使蓄電池底部的硫酸的濃度增高，蓄電池內(nèi)部的硫酸出現(xiàn)分層現(xiàn)象，底部的濃硫酸會(huì)對(duì)極板造成腐蝕，上部的稀硫酸密度很低（放電后期接近于水），鉛在這樣的稀硫酸中容易發(fā)生溶解，因此蓄電池電解液上下層的混合很重要。在充電后期過(guò)充的電能使水分解產(chǎn)生了氫氣和氧氣，產(chǎn)生的氣體在電解液中起到攪拌混合作用。蓄電池的外部表現(xiàn)是蓄電池在充電過(guò)程中，蓄電池內(nèi)部產(chǎn)生氣泡之前，

9、電解液的密度上升緩慢，蓄電池內(nèi)部產(chǎn)生氣泡之后電解液的密度上升相對(duì)較快。2. 影響蓄電池性能的外部因素2.1溫度的影響2.1.1溫度對(duì)電解液密度的影響電解液在溫度變化時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出熱脹冷縮的物理特性，溫度較低時(shí)電解液密度上升，溫度較高時(shí)電解液密度降低。在國(guó)內(nèi)一般所說(shuō)的蓄電池參數(shù)是基準(zhǔn)溫度為25時(shí)蓄電池的參數(shù)，但HOPPECKE公司的鉛酸蓄電池采用的是德國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，蓄電池的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度是20，這是與國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)不同的。據(jù)廠家資料：HOPPECKE公司的鉛酸蓄電池的電解液的溫度系數(shù)為±0.0007kg/l.k 。d20=dT +(T20)*0.007kg/l式中：d20為20酸的密度dT在實(shí)際溫

10、度時(shí)酸的密度T為實(shí)際的溫度2.1.2溫度對(duì)蓄電池容量的影響電解液溫度升高，電解液的密度降低，電解液的擴(kuò)散能力就會(huì)增強(qiáng)，活性物質(zhì)外部的硫酸擴(kuò)散到細(xì)孔中就會(huì)變得容易，化學(xué)反應(yīng)能力增強(qiáng)。因此隨著溫度的增加，容量增加。電解液溫度下降，擴(kuò)散能力減弱，活性物質(zhì)外部的硫酸擴(kuò)散到活性物質(zhì)細(xì)孔中變得困難，化學(xué)反應(yīng)能力減緩，蓄電池的容量減小。式中：C為基準(zhǔn)溫度20時(shí)的容量Cn為實(shí)測(cè)的容量T為放電時(shí)實(shí)際的平均溫度Z為溫度系數(shù)2.1.3溫度對(duì)蓄電池壽命的影響蓄電池的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度為20，若年平均運(yùn)行溫度超過(guò)基準(zhǔn)溫度10，電化學(xué)過(guò)程反應(yīng)速度增加一倍，進(jìn)而導(dǎo)致使用壽命減少一半。在低溫下使用壽命相應(yīng)地增加（值得注意的問(wèn)題是低

11、溫會(huì)導(dǎo)致容量降低）。2.2浮充電壓的影響浮充電壓過(guò)高，將導(dǎo)致浮充電流過(guò)大，增加了水的分解，同時(shí)增加了正極上氧氣的逸出，蓄電池內(nèi)部腐蝕加劇。同時(shí)由于浮充電壓的增加，水分解后產(chǎn)生的氣泡可能破壞活性物質(zhì)，使正極的活性物質(zhì)的脫落，蓄電池的使用壽命減少。浮充電壓過(guò)低，將導(dǎo)致充電電流過(guò)小，使蓄電池欠充電，造成負(fù)極板的活性物質(zhì)脫落，以及負(fù)極板硫化，同時(shí)還會(huì)降低蓄電池的容量。2.3電解液中雜質(zhì)的影響蓄電池液面降低后補(bǔ)充的水如果沒(méi)有達(dá)到廠家的要求，或者雜質(zhì)通過(guò)其它途徑進(jìn)入電解液，均會(huì)導(dǎo)致浮充電流的增加，增加水的分解，加速腐蝕，減少蓄電池的使用壽命。3. 蓄電池的維護(hù)3.1蓄電池定期維護(hù)的必要性自放電是蓄電池時(shí)刻

12、都在進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，即使在沒(méi)有任何負(fù)載的情況下，自放電也同樣在進(jìn)行。浮充電的作用主要就是為了補(bǔ)償自放電，維持蓄電池在滿(mǎn)充狀態(tài)。田灣核電站內(nèi)無(wú)論是整流器配套的蓄電池，還是UPS配套的蓄電池，蓄電池自投入運(yùn)行后一直處于浮充電運(yùn)行方式，也可以說(shuō)蓄電池是處于一種充、放電運(yùn)行狀態(tài)，即整流裝置對(duì)蓄電池進(jìn)行浮充電，浮充電壓為2.23V/節(jié)，通過(guò)并列連接的負(fù)載（直流母線上的負(fù)荷或逆變器）間或進(jìn)行瞬時(shí)放電。這種運(yùn)行方式從表面上來(lái)說(shuō)，補(bǔ)償了蓄電池的自放電，但實(shí)際上蓄電池的長(zhǎng)期運(yùn)行在充、放電狀態(tài)，容易引起電池內(nèi)部單體電池電壓、電解液密度的不平衡。即使沒(méi)有間或瞬時(shí)放電的情況發(fā)生，蓄電池長(zhǎng)期運(yùn)行在浮充狀態(tài)也會(huì)導(dǎo)致蓄

13、電池內(nèi)部電解液的分層，上部的電解液密度低，下部的電解液密度高，易引起蓄電池內(nèi)部的極板腐蝕。所以定期檢查成為蓄電池維護(hù)的必要手段：定期測(cè)量蓄電池單體電壓、電解液密度、電解液溫度。當(dāng)檢查發(fā)現(xiàn)蓄電池單體電壓、電解液密度偏離正常范圍，維修人員應(yīng)及時(shí)進(jìn)行均衡充電以使蓄電池保持良好的運(yùn)行狀態(tài)。電解液溫度的測(cè)量有助于了解蓄電池的內(nèi)部極板是否有短路現(xiàn)象，如某個(gè)蓄電池單體內(nèi)部存在短路，蓄電池內(nèi)的短路點(diǎn)位置會(huì)發(fā)生過(guò)熱，電解液溫度會(huì)升高,維修人員檢查發(fā)現(xiàn)異常后可及時(shí)對(duì)其處理或更換。3.2蓄電池的更換蓄電池組中一個(gè)或多個(gè)蓄電池發(fā)生故障后,需要更換其中的一個(gè)或多個(gè)蓄電池，新的單體電池的浮充電壓通常比較高，隨著時(shí)間的推移

14、新、舊電池浮充電壓會(huì)趨于平衡。雖然這個(gè)過(guò)程不會(huì)影響蓄電池組的電氣性能，但是在一定程度上會(huì)加速新電池的老化過(guò)程，新電池的電壓會(huì)逐漸調(diào)整到老電池的水平。更換新電池對(duì)整個(gè)蓄電池組的影響主要表現(xiàn)在兩方面：1) 當(dāng)更換新電池后，由于整流器總的輸出電壓是一定的，因此一個(gè)或多個(gè)單體電池電壓的升高必然限制一個(gè)或更多的蓄電池的電壓。2) 新電池限制了浮充電流。對(duì)于新單體電池限制浮充電流的問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)明確的是浮充電流并不是與蓄電池的總內(nèi)阻成線性關(guān)系。在富液式鉛酸蓄電池中，浮充電流主要是用于補(bǔ)償自放電維持蓄電池的滿(mǎn)充狀態(tài)，還有一小部分用于分解水。用于分解水的電流對(duì)于新老電池都是相同的，但老電池極板因長(zhǎng)期運(yùn)行存在著硫化

15、，自放電率高，需要較高的電流用于補(bǔ)償自放電。當(dāng)用新電池替代舊電池時(shí)，新電池需要的用于補(bǔ)償自放電的電流較低，即新電池需要的浮充電流較低。由于新舊電池是串聯(lián)的，這樣新電池就限制了浮充電流。當(dāng)通過(guò)老電池的電流低于所需要補(bǔ)償自放電的電流時(shí)，將加速老電池的硫酸鹽化。老化電池的更換限制一般為蓄電池組中單體電池?cái)?shù)量的1020，如果有更多的電池老化，應(yīng)對(duì)整組蓄電池進(jìn)行更換。4. 蓄電池充放電可能出現(xiàn)異常處理及措施4.1長(zhǎng)期浮充電壓偏高或補(bǔ)充電時(shí)電壓控制太高：Ø 耗水量大，電解液溫度升高，電解液密度增高，正極板腐蝕速度加快；Ø 正極板將出現(xiàn)逐漸彎曲，破肚現(xiàn)象；Ø 容量反而會(huì)下降，會(huì)

16、導(dǎo)致電池壽命提前終止。消除方法：調(diào)整電壓控制值，調(diào)整至浮充電壓2.23V/只，（溫度20）補(bǔ)充電時(shí)，調(diào)整充電電流或電壓，或更換有問(wèn)題的電壓控制件。4.2浮充電壓偏低或補(bǔ)充電時(shí)，充電不足：Ø 電解液密度低；Ø 容量不足；Ø 負(fù)極將會(huì)產(chǎn)生硫酸鹽化現(xiàn)象，可見(jiàn)明顯的白色小顆粒；Ø 負(fù)極板會(huì)出現(xiàn)早期膨脹，容量早期衰退；Ø 導(dǎo)致壽命提前終止。消除方法：調(diào)整充電電流、電壓。4.3電解液密度異常充電時(shí)電解液密度升高，放電時(shí)電解液密度降低。電解液密度太高，容易造成極板硫酸鹽化和加速板柵腐蝕，密度太低，放電容量受到影響。如果試驗(yàn)前發(fā)現(xiàn)電池的電解液在最高液位線以下，

17、需先加稀硫酸至最高液位線后再進(jìn)行調(diào)試。試驗(yàn)結(jié)束后，如果電解液密度太高，將一部分的電解液用純水代替。電解液的標(biāo)稱(chēng)密度是基于20的溫度以及在完全充滿(mǎn)電狀態(tài)下的標(biāo)稱(chēng)電解液的密度來(lái)定義的，最大允許偏差±0.01 g/ cm³。高溫會(huì)降低電解液的密度，低溫會(huì)增加電解液的密度，輔助校正系數(shù)為0.0007 g/ cm³/每K，例如一般情況下35時(shí)密度為1.23 g/ cm³的電解液相當(dāng)于20時(shí)密度為1.24 g/ cm³的電解液而5時(shí)密度為1.25 g/ cm³的電解液相當(dāng)于20時(shí)密度為1.24 g/ cm³的電解液。運(yùn)行溫度在10

18、76;C到30°C以?xún)?nèi)時(shí)，充電電壓的溫度調(diào)整是不必要的。如果溫度低于10°C和/或高于30°C，應(yīng)對(duì)充電電壓進(jìn)行溫度相關(guān)的調(diào)整。溫度校正系數(shù)為-0.004V/cell每K。如果溫度持續(xù)上升至40°C以上時(shí)，該系數(shù)為-0.003V/cell 每K。4.4蓄電池活性物質(zhì)脫落一方面造成電池容量下降，另一方面容易在電池底部造成正負(fù)極板短路，使電池使用壽命及早終止。如果少量活性物質(zhì)脫落，在蓄電池的正常工作范圍內(nèi)，如果大大超過(guò)正常的情況時(shí)，就要及時(shí)分析原因，并進(jìn)行處理。田灣核電蓄電池的活性物質(zhì)主要由正極板脫落，說(shuō)明充電電流過(guò)大或者經(jīng)常過(guò)充電。蓄電池內(nèi)部極板發(fā)生氧化層

19、脫落物搭接性短路后，蓄電池單體電壓偏低，短路回路內(nèi)產(chǎn)生短路電流，會(huì)消耗硫酸產(chǎn)生硫酸鉛，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后產(chǎn)生的硫酸鉛會(huì)變硬，當(dāng)用手電筒對(duì)照極板，極板變得亮晶晶，表明蓄電池嚴(yán)重硫化，此時(shí)的蓄電池容量已經(jīng)很難恢復(fù)。圖1 活性物質(zhì)過(guò)量脫落蓄電池正極連接橋上氧化層脫落的原因：由于硫酸密度低于1.18 g/cm3特別是在小于1.15g/cm3時(shí)，硫酸是不穩(wěn)定的，會(huì)引起腐蝕加劇，而低密度硫酸又恰恰在以下兩種情況中必然發(fā)生：Ø 蓄電池放電后，內(nèi)部電解液的密度很低，特別是蓄電池上部的電解液密度一般在1.00 g/cm31.12 g/cm3區(qū)間，而充電過(guò)程中密度上升緩慢，特別是在不連續(xù)均充的情況下，電解液密度恢復(fù)到正常值（1.22 g/cm3）可能需要近1個(gè)月的時(shí)間。Ø