核安全(1E)級蓄電池選型的幾個問題探索

□張 巍 李尚武 宋曉蘭

蓄電池是核工程中的重要設(shè)備之一，屬于安全級的電源設(shè)備，執(zhí)行極其重要的安全功能。因此，在選擇蓄電池時，應(yīng)注意以下要求:一是電氣性能可靠;二是對環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng);三是使用壽命長，經(jīng)濟(jì)性好;四是抗震性能好。目前，火電廠等工業(yè)項目主要使用防酸隔爆式鉛酸蓄電池、免維護(hù)型閥控密封式鉛酸蓄電池和鎘鎳堿性蓄電池。本文根據(jù)核工程對安全級蓄電池的功能要求，比較3 種蓄電池對于核工程的適用性，從而選擇適用于核工程的蓄電池。

一、核工程中蓄電池的功能

核工程中，安全級蓄電池主要應(yīng)用在3 個方面:一是為安全級配電柜、保護(hù)裝置、輻射監(jiān)測設(shè)備提供直流控制電源;二是為安全級UPS 提供直流電源;三是作為安全級柴油發(fā)電機(jī)組的啟動電源。因蓄電池布置在安全殼外，且執(zhí)行安全功能，因此，根據(jù)GB/T12727 的規(guī)定，其安全等級為1E，鑒定等級為K3，抗震等級為I 類。此3 個方面對于蓄電池的要求不同，見表1。

表1 核工程蓄電池負(fù)荷分類

不同場所的蓄電池，要求不同的充電、放電和老化特性，為此，在選擇蓄電池時，需考慮物理特性、壽命、放電的頻次和深度、環(huán)境溫度、充電特性、維護(hù)要求、通風(fēng)要求、抗震性能等因素。

二、蓄電池的適用性比較

目前，火電廠等工業(yè)項目廣泛應(yīng)用的蓄電池主要有鉛酸蓄電池和鎘鎳堿性蓄電池。

(一)鉛酸蓄電池與堿性蓄電池的比較。與鉛酸蓄電池相比，密閉式鎘鎳堿性蓄電池的充放電速度快，放電倍率高，能勝任大電流放電;由于電解液不腐蝕纖維極板，高溫時老化影響明顯比其他電池小，降低了循環(huán)壽命的成本，設(shè)計壽命和使用壽命長，一般可達(dá)到15～20年，有的產(chǎn)品可達(dá)到25年;工作溫度低，低溫時的性能比鉛酸電池好，最低溫度可達(dá)到-50℃;機(jī)械強(qiáng)度好，堅韌性好。這些優(yōu)點使其在高鐵、地鐵等工程中具有很大的優(yōu)勢，但鎘鎳堿性蓄電池也有其自身的缺陷，例如:單體電池電壓為1．2V，正常浮充電電壓較高，而放電時電壓下降幅度較大，終止電壓又低，內(nèi)阻大，電動勢小;單體電池電壓低，使電池數(shù)量增加;對于高倍率鎘鎳蓄電池，最大容量為200Ah。受負(fù)荷容量、運行時間能因素的影響，核工程中安全級蓄電池的容量較大，例如:M310 機(jī)組的安全級蓄電池為250～3，000Ah，供電時間1～2 小時;AP1，000 的蓄電池為2，400Ah，供電時間分別為72 小時和24 小時;中國先進(jìn)快中子研究堆的安全級蓄電池為300Ah、1，000Ah;中國先進(jìn)研究堆(CARR)的安全級蓄電池為400Ah、1，400Ah。因此，鎘鎳堿性蓄電池受到容量范圍的限制，應(yīng)用范圍受限;雖然能瞬時放出大電流，對于用途2和3 的小容量沖擊負(fù)荷較為適用，但其價格較貴，是防酸隔爆式鉛酸蓄電池的2～3 倍。目前，國內(nèi)尚無蓄電池廠進(jìn)行鎘鎳堿性蓄電池的民用核安全電氣設(shè)備的資質(zhì)申請，在核工程中尚無應(yīng)用先例。

(二)鉛酸蓄電池的比較。鉛酸蓄電池的分類如下:一是防酸隔爆式鉛酸蓄電池。蓄電池槽與蓄電池蓋之間密封，使蓄電池內(nèi)產(chǎn)生的氣體只能從防酸栓排出，電極主要由鉛制成，電解液是硫酸溶液的一種蓄電池。二是閥控密封式鉛酸蓄電池(VRLA)。蓄電池正常使用時保持氣密和液密狀態(tài)，當(dāng)內(nèi)部氣壓超過預(yù)定值時，安全閥自動開啟，釋放氣體，當(dāng)內(nèi)部氣壓降低后安全閥自動閉合，同時防止外部空氣進(jìn)入蓄電池內(nèi)部，使其密封。蓄電池在使用壽命期限內(nèi)，正常使用情況下無需補(bǔ)加電解液?？煞譃槟z體式(GEL)和貧液吸附式(AGM)。AGM 采用吸收式玻璃纖維棉隔板吸附硫酸電解液的技術(shù);GEL 采用二氧化硅膠體吸收硫酸電解液的技術(shù)。

圖1 鉛酸蓄電池分類

1．GEL 電池和AGM 電池的比較。AGM 電池是常見的“免維護(hù)型閥控密封式鉛酸蓄電池”，與膠體式電池比較，其存在著明顯的劣勢:一是循環(huán)使用壽命低、容量衰減快、尤其不適用深度循環(huán)，80% 深度放電循環(huán)壽命僅為150～200 次;二是小電流充放電使用易發(fā)生電池硫酸鹽化，造成充電效率降低，深度放電后恢復(fù)充電較困難;三是屬于“貧液式”電池，溫度穩(wěn)定性能差，使用環(huán)境溫度較高時易造成電池“干涸”失效;四是大容量電池易出現(xiàn)內(nèi)部電解液分層，縮短電池壽命并造成自放電加速。AGM 電池的可靠性、壽命、高低溫環(huán)境適用能力均不如膠體蓄電池(GEL)，因其價格便宜，在電動自行車行業(yè)應(yīng)用比較廣泛，在注重可靠性、安全性的核工程領(lǐng)域不適用。

2．膠體式與防酸隔爆式蓄電池的比較。國內(nèi)核工程常用的安全級蓄電池主要是防酸隔爆式和膠體式鉛酸蓄電池。二者的化學(xué)反應(yīng)原理相同，正、負(fù)極板的活性物質(zhì)為二氧化鉛、純鉛;充電時，正極析出氧氣，負(fù)極析出氫氣。在結(jié)構(gòu)、放電的頻次和深度、恢復(fù)性能、氣體釋放、壽命、維護(hù)、價格等方面各有優(yōu)劣(見表2)。

表2 鉛酸蓄電池性能比較

二者的區(qū)別主要體現(xiàn)在壽命、維護(hù)和價格方面。而鉛酸蓄電池出現(xiàn)失效、損壞和壽命終止的原因主要有:極板硫酸鹽化;水分失去:當(dāng)電解液失水量達(dá)到10%時，容量下降，當(dāng)達(dá)到20%時，電解液干涸;板柵腐蝕。而導(dǎo)致以上現(xiàn)象主要是由于運行維護(hù)不當(dāng)引起的，采取適當(dāng)?shù)拇胧?見表3)可以彌補(bǔ)或延長使用壽命。

防酸隔爆式和膠體式鉛酸蓄電池均會出現(xiàn)上述3 種故障。但是由于二者結(jié)構(gòu)不同，在運行維護(hù)方面也存在差異，因此，對電池的壽命影響也不同:一是防酸隔爆式蓄電池，在充電過程中，有H2、水蒸氣、酸液通過防酸栓溢出，對于通風(fēng)設(shè)施、運行維護(hù)要求高;其外殼差異全透明材料，殼體上標(biāo)注有液位刻度線，方便進(jìn)行電解液和極板的檢查和監(jiān)測，以便及時采取補(bǔ)液、充電等維護(hù)手段。二是膠體式鉛酸蓄電池為密封結(jié)構(gòu)，裝有單向安全閥，無需補(bǔ)液、加酸，號稱是“免維護(hù)閥控鉛酸蓄電池”。當(dāng)嚴(yán)格按照充放電標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行時，極少有H2溢出;但當(dāng)充放電、通風(fēng)設(shè)施等維護(hù)不當(dāng)時，易發(fā)生上述3種故障，由于其殼體為不透明材料，只能通過測量表面溫度、電壓來判斷，無法觀察其內(nèi)部電解液和極板的現(xiàn)狀，在故障還未不可挽回時及時采取措施;這也就是膠體電池的使用壽命往往低于設(shè)計壽命的原因。例如:高溫氣冷堆的膠體式蓄電池的設(shè)計壽命為15年，鑒定試驗中熱老化的等效壽命為10年，使用壽命為12年。

核電廠的安全級蓄電池，除大修期間全年均在運行，運行時間長，維護(hù)人員素質(zhì)高，維護(hù)保養(yǎng)經(jīng)驗豐富，運行維護(hù)措施完善。雖然防酸隔爆式蓄電池的運行維護(hù)要求高，但其使用壽命長，更換周期長，價格低，經(jīng)濟(jì)性好，因此，國內(nèi)M310、AP1000 等核電機(jī)組均選用此種電池，使用壽命達(dá)到15～18年。對于試驗堆等核工程的安全級蓄電池，相對于核電廠來說，其運行周期不規(guī)律、運行維護(hù)措施不完善、維護(hù)保養(yǎng)經(jīng)驗欠缺，因此，在保證合理充放電的前提下，更適宜選擇免維護(hù)的膠體式鉛酸蓄電池，避免了補(bǔ)液、加酸等維護(hù)操作。例如:中國先進(jìn)快中子研究堆、中國先進(jìn)研究堆(CARR)、高溫氣冷堆均選用此種蓄電池。

表3 鉛酸蓄電池故障原因及維護(hù)措施

3．鉛酸蓄電池極板的比較。鉛酸蓄電池的壽命取決于正極板的壽命。極板越薄，相同體積電池內(nèi)的極板數(shù)量越多，極板與電解液的接觸面積越大，其瞬間放電電流越大深度放電性能越好。但同時由于極板越薄，深度放電時，極板易彎曲，電池壽命也會縮短。正極板有管式、柵式、純鉛3種，柵式、純鉛極板均比管式極板薄。核工程中，安全級柴油發(fā)電機(jī)組的起動蓄電池通常要求瞬間釋放大電流，因此，可選取柵式或純鉛正極板的防酸隔爆式鉛酸蓄電池，在相同放電電流的條件下，比管式正極板鉛酸蓄電池的容量小、體積小，無需設(shè)置單獨的電池間。

三、結(jié)語

安全級蓄電池的可靠運行對于核工程的安全運行具有重要的作用，因此，合理、優(yōu)化地選擇蓄電池是十分重要的。根據(jù)核工程的不同需求，膠體式鉛酸蓄電池、防酸隔爆式鉛酸蓄電池均有其適宜的用途。

［1］ NB/T 20028．1，核電廠用蓄電池第1 部分:容量確定

［2］ NB/T 20028．4，核電廠用蓄電池第4 部分:維護(hù)、試驗和更換方法

［3］ 湯夏平．VRLA 鉛蓄電池各種失效機(jī)理與內(nèi)阻異常關(guān)系分析與研究［J］．河南科學(xué)，2008，26(12):1467～1470

［4］ 包有富．深放電對閥控式鉛酸電池性能的影響［J］．電池，2002，32(2):83～84