浅谈力能区核动站蓄电池日常维护.doc

1、浅谈力能区核动站蓄电池日常维护摘要：本文简单叙述了海阳核电厂力能区核动站阀控铅酸蓄电池的特点及工作原理，重点讨论了影响阀控铅酸蓄电池使用寿命的主要因素及电池各种维护措施，旨在提高蓄电池的使用寿命。 关键词：核动站、阀控铅酸蓄电池、维护 中图分类号：U664.15 文献标识码： A 核动站蓄电池情况介绍 在力能区核动站中，直流系统是核心，为断路器分、合闸及二次回路中的继电保护、仪表和事故照明等提供电源。而在直流系统中提供电源的主要是蓄电池，因此蓄电池相当于核动站整个二次系统的心脏，为二次系统的正常运行提供动力，因此，蓄电池的稳定性和在放电过程中能提供给负载的实际容量对确保电力设备的安全运行具有十

2、分重要的意义。 海阳核电厂力能区核动站直流系统采用单母线接线方式，配置 18 块单体电压为 12V 的阀控式密封式铅酸免维护蓄电池，额定电压为 220V，蓄电池单体容量为 100Ah。 力能区核动站直流电源取自一套 220V 充电装置和蓄电池组，无备用直流电源，存在充电装置和蓄电池组出现故障核动站所有断路器分、合闸及二次回路的继电保护、仪表和事故照明等无法正常工作的风险。蓄电池自 2007 年投入使用以来，一直处于浮充状态，虽然监测状态良好，但没有条件做核对性放电试验，无法判断阀控蓄电池的现有容量，内部是否存在异常。如不做核对性放电试验，不能保证蓄电池在应急状态下能够提供可靠的电源。 维修部电

3、气维修处于 2012 年 8 月为核动站直流系统加装了一套充电装置和蓄电池，解决了核动站无备用直流电源的问题以及为原有的蓄电池组做核对性放电试验提供了检修维护机会。 改造后直流系统图如下图 1： 图 1：力能区核动站直流系统电源接线图 近年来变电站广泛使用的是阀控式密封铅酸蓄电池。阀控式密封铅酸蓄电池由于全密封，无需加水维护，因此也被称为“免维护”蓄电池。但正是由于“免维护”使得用户放松了对阀控铅酸蓄电池的日常维护和管理，使阀控铅酸蓄电池在实际使用中经常出现容量不足或者过早失效的现象。因此正常使用和维护阀控铅酸蓄电池对提高其使用寿命具有十分重要的意义。 阀控式密封蓄电池的结构与工作原理 蓄电池

4、结构 阀控式密封铅酸蓄电池有正负极板栅、绝缘隔板、硫酸电解液、极柱、塑料外壳以及安全阀组成，其正极为填满 PbO2 的铅板，负极为填满海绵状铅的铅板。如下图 2 所示： 图 2：阀控式密封铅酸蓄电池结构 蓄电池充放电原理 放电时，在蓄电池的电位差作用下，负极板上的电子经负载进入正极板形成电流，同时在电池内部进行化学反应。负极板上每个铅原子放出两个电子后，生成的铅离子（Pb2+）与电解液中的硫酸根离子（SO42-）反应，在极板上生成难溶的硫酸铅（PbSO4） 。正极板的铅离子（Pb4+）得到来自负极的两个电子（2e-）后，变成二价铅离子（Pb2+）与电解液中的硫酸根离子（SO42-）反应，在极板

5、上生成难溶的硫酸铅（PbSO4） 。正极板水解出的氧离子（O2）与电解液中的氢离子（H+）反应，生成稳定物质水。电解液中存在的硫酸根离子（SO42-）和氢离子（H+）在电力场的作用下分别移向电池的正负极，在电池内部形成电流，整个回路形成，蓄电池向外持续放电。放电时 H2SO4 浓度不断下降，正负极上的硫酸铅（PbSO2）增加，电池内阻增大（硫酸铅不导电） ，电解液浓度下降，蓄电池电动势降低。 放电时蓄电池化学反应方程式： 负极：Pb-2e-+SO42-= PbSO4 正极：PbO2+2e-+SO42-+4 H+=PbSO4+2H2O 总反应：Pb+PbO2+ 2H2SO4= 2PbSO4+ 2

6、H2O 充电时，外接的直流电源，使正、负极板在放电后生成的物质恢复成原来的活性物质，并把外界的电能转变为化学能储存起来。在正极板上，在外界电流的作用下，硫酸铅被离解为二价铅离子（Pb2+）和硫酸根负离子(SO42-)。由于外电源不断从正极吸取电子，则正极板附近游离的二价铅离子（Pb2+）不断放出两个电子来补充，变成四价铅离子（Pb4+） ，并与水继续反应，最终在正极板上生成二氧化铅（PbO2） 。在负极板上，在外界电流的作用下，硫酸铅被离解为二价铅离子（Pb2+）和硫酸根负离子（SO42-） ，由于负极不断从外电源获得电子，则负极板附近游离的二价铅离子（Pb2+）被中和为铅（Pb） ，并以绒状

7、铅附在负极板上。电解液中，正极不断产生游离的氢离子（H+）和硫酸根离子（SO42-） ，负极不断产生硫酸根离子（SO42-） ，在电场的作用下，氢离子向负极移动，硫酸根离子向正极移动，形成电流。充电后期，在外电流的作用下，溶液中还会发生水的电解反应。 充电时蓄电池的化学反应方程式： 阴极：PbSO4 + 2e- = Pb+ SO42- 阳极：PbSO4 - 2e- + 2H2O = PbO2 + 4H+ + SO42- 总反应：2PbSO4 + 2H2O = Pb+ PbO2 + 2H2SO4 从理论上说，阀控式铅酸蓄电池应该是不失水的，但在实际应用中，阀控铅酸蓄电池的失水在所难免。其原因有两

8、方面：一是阀控式铅酸蓄电池的化学反应效率不可能达到 100%；二是阀控式铅酸蓄电池并不是完全密封，在电化反应中档气压达到一定值后，安全阀会自动开启，排除部分气体，这本身就是一个失水过程。 影响阀控铅酸蓄电池使用寿命的主要因素 阀控式铅酸蓄电池的正常使用寿命在 10 年以上，理论上可达 20 年，但在实际使用中经常出现容量不足或者过早失效的现象。影响阀控铅酸蓄电池使用寿命的因素很多，主要有环境温度、充电电压、过度放电等。环境温度 蓄电池在 25的环境下可具有较长的使用寿命。温度升高时，蓄电池的极板腐蚀将加剧，同时将消耗更多的水，从而使蓄电池的寿命缩短。阀控式铅酸蓄电池的容量是随着温度的变化而变化

9、的，25时蓄电池的容量为 100%；高于 25时，每升高 10蓄电池的容量会减少一半；而低于 25时，温度与容量的关系如表 1 所示： 表 1：低于 25时温度与蓄电池容量的关系 充电电压过高 蓄电池在长期过充电的状态下，正极因析氧反应，水被消耗，H+增加，从而导致正极附近酸度增加，板栅腐蚀加速，板栅变薄，使电池容量降低；同时因水损耗加剧，将是蓄电池有干涸的危险，从而影响蓄电池寿命。 过度放电 蓄电池过度放电主要发生在交流电源失去后，蓄电池长时间为负载供电。当蓄电池被过度放电到其电压过低时，电池内部将会出现大量硫酸铅被吸附到电池阴极表面，造成“硫酸盐化”现象。硫酸铅是一种绝缘体，它的形成必将对

10、蓄电池的充放电性能产生很大的负面影响，因此在阴极上形成的硫酸铅越多，蓄电池的内阻就越大，电池的充放电性能就越差，使用寿命就越短。 小电流放电 众所周知，不同倍率的放电电流会使蓄电池具有不同的容量，如表2 所示： 表 2 放电与容量的关系 在小电流放电下形成的硫酸铅颗粒的尺寸远比大电流放电条件下的尺寸大，也就是说在大电流放电条件下晶体形成的速度要比小电流条件下慢，近体来不及变大就很快被氧化还原了，因而颗粒比较小。而在小电流条件下，较大的硫酸铅晶体不易被还原，如硫酸铅晶体长时间得不到清理，必然会影响蓄电池的容量和使用寿命。 热失控现象 由于阀控铅酸蓄电池采用贫液设计，电池中灌注的电解液都吸附在玻璃

11、纤维板上，当充电电流增大时，就需要通过安全阀来释放气体，因此造成蓄电池失水、内阻增大、容量衰减，并在充放电过程中产生大量的热量，这些热量如来不及扩散将会使电池温度剧增，造成热失控。热失控还与浮充电压过大、安全阀不严或者开阀压过低等因素有关。在热失控严重的情况下如果放电，有可能使蓄电池瞬间电压骤降和蓄电池壳体温度上升至 70-80，因此对热失控的问题必须引起高度的重视。 长期浮充电 蓄电池在长期浮充状态下，只充电不放电势必会造成蓄电池阳极极板钝化，使电池内阻增大，容量大幅下降，从而造成蓄电池使用寿命缩短。 提高阀控式铅酸蓄电池使用寿命的措施 通过对上述影响阀控铅酸蓄电池使用寿命因素的分析，为了提

12、高阀控铅酸蓄电池的使用寿命，应从以下几方面对蓄电池进行维护。 设备选型及配置 （1）蓄电池容量配置要合适。既要考虑核动站的经常性直流负荷，又要考虑交流电源失去后核动站事故照明的负荷，较适宜的蓄电池配置容量是 8-10h 的放电率。绝不能将不同厂家和不同容量的电池安装在一起使用。 （2）两组蓄电池的充电装置的工作电源要分别来自两台站用变压器，且变电站一般要配置一台发电机，防止站用交流电源失电时间过长造成蓄电池过放电。 （3）选择高质量的有实时监控和智能化管理功能的主充电设备模块。运行维护人员能通过监控器的实时数据随时了解到直流系统的工作状况，同时要有足够的备用充电模块，当主充电设备出现故障时，备

13、用充电模块能够自动投入使用，以保证蓄电池不因模块故障而照成过放电。 投入使用前注意事项 （1）如果蓄电池搁置时间超过三个月，在投入使用前一定要进行补充电，一般规定为按单体电池（2V 系列）2.23-2.27V/只充电，最大充电电流不超过 0.25C10A，充电至电流稳定 3-6h 不变。 （2）运行参数设置。浮充电压、均充电压、温度补偿系数、转均充数据、转浮充数据、交流过压值、交流欠压值以及充电限流值等这些参数对于蓄电池正常运行都非常重要，这些参数的设置必须严格按照产品说明书的规定，并且因根据所在变电站经常性直流负荷的实际情况与厂家沟通。其中阀控式蓄电池（2V 系列）一般规定：浮充电压 2.2

14、3-2.27V/单体，最大充电电流0.25C10A，温度补偿系数为-3mV/单体/。但鉴于不均衡性对阀控式铅酸蓄电池的影响，一般建议浮充电压应采用厂家产品说明书规定的下限值，不论在任何情况下，蓄电池的浮充电压都不能超过厂家给定的最大值。 日常维护工作项目 （1）环境温度对蓄电池的放电容量、寿命、自放电、内阻等方面都有较大影响。运行维护人员每天须检查蓄电池室环境温度并记录，同时蓄电池室的温度应控制在 22-25之间，这不仅可延长蓄电池寿命，还能使蓄电池具有最佳的容量。 （2）每天检查蓄电池的浮充电流是否在合格范围内并做记录。当蓄电池的浮充电流突变时应查明原因并及时处理。曾经出现的案例：某变电站蓄

15、电池的浮充电流突增，检查人员发现这一情况但并未及时处理，使得浮充电流越增越大进而造成整组蓄电池全部失效。其原因是某节电池（12V 系列）出现了内部短路故障，检查人员为及时调整蓄电池组浮充电压，造成其他正常电池单节浮充电压升高，蓄电池的浮充电流大大增大，导致蓄电池长时间过充电最后失效。 （3）每月应测一次电池单体电压及终端电压。如果发现个别电池（2V 系列）浮充电压低于 2.18V/单体时，应对电池组进行人工转换均衡充电，充电方法为：25时 2.30V/单体，需 24h；25时 2.35V/单体，需 12h，均充后若仍不能恢复正常的电池应尽量快联系厂家处理。端电压是反映蓄电池工作状况的重要参数，

16、所以测量电池端电压不能只在浮充状态，还应在放电状态下。 （4）为保证蓄电池有足够的容量，每年要进行一次容量恢复试验（大充大放） ，让蓄电池内的活化物质活化，恢复电池的容量。其主要方法是将电池组脱离充电装置，在电池组的两端加上可调负载，设置电池组放电电流为 0.1C10A, 每 1h 记录一次电池端电压、放电电流、电池本体温度，直到电池单体电压下降到 1.8V/只（2V 系列）或 10.8V/只（12V系列）后停止放电，并记录时间。 （5）在蓄电池不均衡性较大、较深度的放电后或运行三个月时，都应采用均衡充电的方式对电池组进行补充充电。 （6）电池运行期间，每星期须检查一次蓄电池的接线螺栓有无发热

17、现象，每月须检查一次蓄电池的外观有无异常变形，每半年须检查一次连接导线、螺栓是否松动或腐蚀，松动的螺栓必须按照厂家产品说明书规定的力矩要求进行紧固，腐蚀的接头应及时进行清洁处理。 （7）对蓄电池的检查测试记录数据应妥善保存，每运行半年，需将运行的数据与原始的数据进行对比，如发现异常情况应及时处理。 结束语 虽然阀控式密封铅酸蓄电池较富液式铅酸蓄电池日常维护简单，但只有针对影响阀控式铅酸蓄电池使用寿命的主要因素而进行各种维护，才能提高蓄电池的寿命及稳定性，保证核动站的安全运行。 参考文献 DL/T724-2000 电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程 徐海明，周艾兵，变电站直流设备使用与维护培训教材阀控密封铅酸蓄电池，中国电力出版社，2010