磷酸鐵鋰電池在核電廠直流電源系統中應用的可行性分析

陸宗達 李美增 謝賢林

摘? 要：文章分析了現有核電廠直流電源系統電池的優缺點，從常規性能，溫度特性、壽命特性、安全性、成本、使用維護和工作方式等方面，比較磷酸鐵鋰電池和現有蓄電池的優劣性，探討用磷酸鐵鋰電池替代現有蓄電池的可行性，提出磷酸鐵鋰電池應用于核電廠直流電源系統的具體要求和實踐方法。

關鍵詞：核電廠;直流系統;磷酸鐵鋰電池;GFD蓄電池

Abstract： This paper analyzes the advantages and disadvantages of the existing DC power system batteries in nuclear power plants， and compares the advantages and disadvantages of lithium iron phosphate batteries and existing batteries from the aspects of conventional performance， temperature characteristics， life characteristics， safety， cost， maintenance and working mode. The feasibility of replacing existing batteries with lithium iron phosphate batteries is discussed， and the specific requirements and practical methods for the application of lithium iron phosphate batteries in DC power systems of nuclear power plants are put forward.

1 概述

核電廠直流電源系統為控制、信號、保護和自動裝置（統稱為控制負荷），以及斷路器電磁合閘、直流電動機、逆變器、事故照明（統稱為動力負荷）等供電，涉及應急柴油機控制盤、核反應堆保護組、棒電源斷路器屏、停堆斷路器、核儀表等重要負荷，對核電廠的安全穩定運行起到至關重要的作用。蓄電池是核電廠直流電源系統的重要設備。本文將鉛酸蓄電池同磷酸鐵鋰電池作全方位的對比，分析磷酸鐵鋰電池用作核電廠直流電源系統蓄電池的可能性。

1.1 核電廠直流電源系統（方家山M310為例）

方家山核電廠直流電源系統采用了220V、110V、48V和24V電壓等級，與國內標準統一。每個直流系統設備有蓄電池組，整流充電器和一組帶進出線斷路器和開關的直流配電裝置。220V直流電源LAA、LAB一般為電動機、照明以及大容量逆變器等動力負荷供電;110V直流電源一般為小容量逆變器、配電裝置控制回路以及其他控制、保護和自動裝置等控制負荷供電;48V直流電源一般為電動閥控制裝置、報警裝置、繼電器機柜、專用儀表控制系統及通信系統供電。24V直流配電系統只向機組的調節設備供電。此外LNA、LNB、LNC、LND四組反應堆保護電源系統也自帶有蓄電池組。

1.2 核電廠用蓄電池現狀分析

目前方家山核電廠主要使用的是沈陽東北蓄電池廠生產的固定防酸式鉛酸蓄電池，該蓄電池同普通民用蓄電池有很大的差別，相比普通蓄電池，它設計合理，比能量高，首次放電即可達到95%以上，浮充壽命可以達到15年以上。雖然性能上相比普通鉛酸蓄電池有了很大提高，不過還是存在以下問題：

（1）對環境要求較高，蓄電池室必須安裝有通風系統，以避免溫度過高影響蓄電池容量壽命。

（2）安裝過程復雜，不清潔的環境可能導致短路，調試期間我廠曾經發生過類似問題。

（3）高溫下長期浮充對蓄電池性能影響很大，長期處于浮充狀態，會使蓄電池內阻增加，容量大幅下降，使用壽命變短。

（4）檢修維護要求非常復雜，比如補充電解液，三個月需要均充一次等等。

（5）生產運行及報廢過程中，會造成重金屬污染。

2 性能對比

磷酸鐵鋰蓄電池是用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰電池，其特點是原料價格低廉豐富，工作電壓適中，電容量大， 高放電功率，可快速充電且循環壽命長，穩定性高。

2.1 基本性能對比

磷酸鐵鋰電池的標稱電壓是鉛酸電池的1.5倍之多，同樣容量的單節電池，前者重量比后者輕一半以上，所占體積只有后者的1/3，這意味著如果用磷酸鐵鋰電池替代鉛酸電池用于直流系統中，不但電池部分所占空間大大縮小， 對于維護人員其工作強度也會減少很多。

2.2 放電特性對比

磷酸鐵鋰電池-20℃放電是其常溫放電容量的80%以上，GFD電池-20℃只能放出常溫容量的60%不到;但是高溫性能方面，GFD蓄電池有別于普通蓄電池高溫放電容量低的特性，依然保持了相當高的放電容量。磷酸鐵鋰電池具有良好的倍率放電特性，大電流放電電壓平穩，4C放電容量是額定容量的92%以上，根據廠家資料，GFD蓄電池的倍率放電曲線和普通蓄電池沒有大的區別，因此從圖上可以看到GFD蓄電池在不同放電電流下電壓平臺變化較大，并且在2C電流條件下時放電容量就只能達到額定容量的80%。在倍率放電特性方面，磷酸鐵鋰電池具有更好的特性。

2.3 壽命特性對比

磷酸鐵鋰蓄電池對于充放電流的大小與壽命基本沒有關系，具有良好的適應能力。核電廠蓄電池正常情況下，基本都是在浮充狀態，據相關資料，在浮充狀態下，磷酸鐵鋰電池相比普通鉛酸蓄電池也具有很好的壽命特性。根據北京201所的實驗，磷酸鐵鋰電池在60℃情況下浮充一年，仍能達到81%的容量保持率。在常溫下浮充三個月，容量保持率達到了96.8%。對比GFD蓄電池，磷酸鐵鋰電池電池在高溫下會具有更優秀的壽命特性。在壽命特性方面磷酸鐵鋰電池表現更勝一籌。

2.4 性能對比結論

GFD蓄電池相比普通鉛酸蓄電池在性能上有了很大的改進，特別是在浮充壽命特性上，不過磷酸鐵鋰電池電池在大部分性能方面還是要勝過GFD蓄電池。

3 磷酸鐵鋰電池的運行方式

對于核電廠直流系統來說，蓄電池的運行方式只能選擇在線式運行方式，而不能選擇后備式。方家山核電的直流系統還要兼做UPS的后備電源，無論是UPS的要求還是本身核安全相關負載的要求，都需要在線式的備用電源，切換時間為納秒級，幾乎可以忽略不計。雖然后備式10ms左右的切換時間對于一般的負載設備來說可能可以接受，不過對于與核安全相關的設備如DCS系統等等是不能接受的，因此我廠的直流系統一般都是采用浮充式，根據核電廠的實際情況，作者認為磷酸鐵鋰蓄電池可以有以下三種方式工作方式：

（1）磷酸鐵鋰電池替代原有鉛酸電池，蓄電池直接掛接在系統直流母線上，處于在線浮充狀態。

（2）為磷酸鐵鋰電池配置BMS系統，控制電池的充放電過程，蓄電池掛接在系統直流母線上，處于在線浮充狀態。

（3）磷酸鐵鋰電池配置BMS系統，控制電池的充放電過程及系統工作狀態，蓄電池通過一大功率逆止二極管掛接在直流母線上，處于智能間歇式充放電狀態。

4 結束語

針對本文的對比，我們將采用工作方式二和三的磷酸鐵鋰電池與GFD蓄電池的綜合對比總結列于表1。

在核電技術不斷發展的今天，我們依然在使用幾十年前的蓄電池技術，雖然傳統鉛酸蓄電池的技術也在不斷改進，很多參數相比以前有了很大提高，但鉛酸蓄電池依然存在很多固有的缺點，尤其是安全性方面的問題。隨著核電技術的發展，我們有理由對蓄電池提出更好更高的要求，磷酸鐵鋰電池本身具有的環保，壽命長，耐高溫的特性完全符合核電廠直流系統用蓄電池的要求。我們有理由相信磷酸鐵鋰電池蓄電池在核電廠直流系統的應用是完全可行的。

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