張彥-核電廠直流蓄電池試驗、故障淺析及應(yīng)用

1、國家職業(yè)資格全國統(tǒng)一鑒定電工論文（國家職業(yè)資格 一 級）論文題目： 核電廠直流蓄電池試驗、故障淺析及應(yīng)用姓 名： 張彥 身份證號：準(zhǔn)考證號： 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、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核電站重要儀表、重要閥門和控制負(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)以及常見故

2、障等方面作以闡述。關(guān)鍵字：蓄電池、性能試驗、試驗方法、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 大電流放電過程61.2.2小電流放電過程61.2.3 蓄電池放電后的再充電過程62.1溫度的影響72.1.1溫度對電解液密度的影響72.1.2溫度對蓄電池容量的影響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長期浮充電壓偏高或補(bǔ)充電時電壓控制太高：114.2浮充電壓偏低或補(bǔ)充電時，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，在正常運行時，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，同時也是全廠事故照明的可靠電源。 田灣核電站設(shè)計要求蓄電池的壽命為20年，核島選用了德國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。這種蓄電池相對管狀極板來說具有優(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，不是簡單的壓入板柵，而是通過數(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，因為是在鉛板的表面進(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，使載流子在短時間內(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，因為板柵中的銻增強(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，即一旦銻溶解出來并在負(fù)極上沉積，就會造成負(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。1.2蓄電池的化學(xué)反應(yīng)基本原理蓄電池在充、放電過程發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)為：PbO2

6、+ 2H2SO4+Pb=2PbSO4+H2O （1）充電時，蓄電池將電能以化學(xué)能的形式存貯起來。放電時，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立電源，不受外部電源的影響，這是蓄電池在重要場合得到廣泛應(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)過程，也是用戶關(guān)注的焦點。從公式（1）可以看出，在放電過程中，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，因為在反應(yīng)過程中消耗了硫酸并生成水，所以在這個反應(yīng)過程中硫酸被稀釋了，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 大電流放電過程在大電流放電過程中，極板上的活性物質(zhì)與周圍的硫酸迅速反應(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)會減少，導(dǎo)致部分活性物質(zhì)反應(yīng)不充分。同時放電過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，在大電流放電過程中蓄電池的容量相對額定容量有所減小。1.2.2小電流放電過程在小電流長時間的放電過程中，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、釋放容量相對更大一些。1.2.3 蓄電池放電后的再充電過程蓄電池放電后再充電的過程中，硫酸鉛被還原成鉛和二氧化鉛同時生成硫酸。濃硫酸在活性物質(zhì)的細(xì)孔中生成，要通過擴(kuò)散與外部的稀硫酸混合，但濃硫酸相對來說密度更大一些，在脫離活性物質(zhì)后，會沉落到蓄電池底部，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，底部的濃硫酸會對極板造成腐蝕，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溫度對電解液密度的影響電解液在溫度變化時，會表現(xiàn)出熱脹冷縮的物理特性，溫度較低時電解液密度上升，溫度較高時電解液密度降低。在國內(nèi)一般所說的蓄電池參數(shù)是基準(zhǔn)溫度為25時蓄電池的參數(shù)，但HOPPECKE公司的鉛酸蓄電池采用的是德國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，蓄電池的設(shè)計基準(zhǔn)溫度是20，這是與國內(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在實際溫

10、度時酸的密度T為實際的溫度2.1.2溫度對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)散能力就會增強(qiáng)，活性物質(zhì)外部的硫酸擴(kuò)散到細(xì)孔中就會變得容易，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時的容量Cn為實測的容量T為放電時實際的平均溫度Z為溫度系數(shù)2.1.3溫度對蓄電池壽命的影響蓄電池的設(shè)計基準(zhǔn)溫度為20，若年平均運行溫度超過基準(zhǔn)溫度10，電化學(xué)過程反應(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（值得注意的問題是低

11、溫會導(dǎo)致容量降低）。2.2浮充電壓的影響浮充電壓過高，將導(dǎo)致浮充電流過大，增加了水的分解，同時增加了正極上氧氣的逸出，蓄電池內(nèi)部腐蝕加劇。同時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。浮充電壓過低，將導(dǎo)致充電電流過小，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，同時還會降低蓄電池的容量。2.3電解液中雜質(zhì)的影響蓄電池液面降低后補(bǔ)充的水如果沒有達(dá)到廠家的要求，或者雜質(zhì)通過其它途徑進(jìn)入電解液，均會導(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刻

12、都在進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)過程，即使在沒有任何負(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，維持蓄電池在滿充狀態(tài)。田灣核電站內(nèi)無論是整流器配套的蓄電池，還是UPS配套的蓄電池，蓄電池自投入運行后一直處于浮充電運行方式，也可以說蓄電池是處于一種充、放電運行狀態(tài)，即整流裝置對蓄電池進(jìn)行浮充電，浮充電壓為2.23V/節(jié)，通過并列連接的負(fù)載（直流母線上的負(fù)荷或逆變器）間或進(jìn)行瞬時放電。這種運行方式從表面上來說，補(bǔ)償了蓄電池的自放電，但實際上蓄電池的長期運行在充、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。即使沒有間或瞬時放電的情況發(fā)生，蓄電池長期運行在浮充狀態(tài)也會導(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)及時進(jìn)行均衡充電以使蓄電池保持良好的運行狀態(tài)。電解液溫度的測量有助于了解蓄電池的內(nèi)部極板是否有短路現(xiàn)象，如某個蓄電池單體內(nèi)部存在短路，蓄電池內(nèi)的短路點位置會發(fā)生過熱，電解液溫度會升高,維修人員檢查發(fā)現(xiàn)異常后可及時對其處理或更換。3.2蓄電池的更換蓄電池組中一個或多個蓄電池發(fā)生故障后,需要更換其中的一個或多個蓄電池，新的單體電池的浮充電壓通常比較高，隨著時間的推移

14、新、舊電池浮充電壓會趨于平衡。雖然這個過程不會影響蓄電池組的電氣性能，但是在一定程度上會加速新電池的老化過程，新電池的電壓會逐漸調(diào)整到老電池的水平。更換新電池對整個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，因此一個或多個單體電池電壓的升高必然限制一個或更多的蓄電池的電壓。2) 新電池限制了浮充電流。對于新單體電池限制浮充電流的問題，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充狀態(tài)，還有一小部分用于分解水。用于分解水的電流對于新老電池都是相同的，但老電池極板因長期運行存在著硫化

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，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)通過老電池的電流低于所需要補(bǔ)償自放電的電流時，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數(shù)量的1020，如果有更多的電池老化，應(yīng)對整組蓄電池進(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長期浮充電壓偏高或補(bǔ)充電時電壓控制太高：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 容量反而會下降，會

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，調(diào)整充電電流或電壓，或更換有問題的電壓控制件。4.2浮充電壓偏低或補(bǔ)充電時，充電不足：Ø 電解液密度低；Ø 容量不足；Ø 負(fù)極將會產(chǎn)生硫酸鹽化現(xiàn)象，可見明顯的白色小顆粒；Ø 負(fù)極板會出現(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電解液密度升高，放電時電解液密度降低。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)稱密度是基于20的溫度以及在完全充滿電狀態(tài)下的標(biāo)稱電解液的密度來定義的，最大允許偏差±0.01 g/ cm³。高溫會降低電解液的密度，低溫會增加電解液的密度，輔助校正系數(shù)為0.0007 g/ cm³/每K，例如一般情況下35時密度為1.23 g/ cm³的電解液相當(dāng)于20時密度為1.24 g/ cm³的電解液而5時密度為1.25 g/ cm³的電解液相當(dāng)于20時密度為1.24 g/ cm³的電解液。運行溫度在10

18、76;C到30°C以內(nèi)時，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，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)，如果大大超過正常的情況時，就要及時分析原因，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，說明充電電流過大或者經(jīng)常過充電。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，會消耗硫酸產(chǎn)生硫酸鉛，長時間運行后產(chǎn)生的硫酸鉛會變硬，當(dāng)用手電筒對照極板，極板變得亮晶晶，表明蓄電池嚴(yán)重硫化，此時的蓄電池容量已經(jīng)很難恢復(fù)。圖1 活性物質(zhì)過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，硫酸是不穩(wěn)定的，會引起腐蝕加劇，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個月的時間。Ø