核電常規島蓄電池充電電流實驗研究

屈艷萍，周 金，蔡 宏，田 申

(1.中國電力工程顧問集團華東電力設計院有限公司，上海 200063；2.荷貝克電源系統(武漢)有限公司，湖北 武漢 430040)

0 引言

我國電力行業標準DL/T 5044—2014《電力工程直流電源系統設計技術規程》[1]規定：發電廠、變電站、串補站和換流站內應設置向控制負荷和動力負荷等供電的直流電源。220 V和110 V直流電源應采用蓄電池組。蓄電池作為儲能設備，需要有專門的充電裝置為其充電。充電裝置輸出電流需要滿足蓄電池浮充和均充的要求，且能帶經常負荷。蓄電池的浮充電流就是蓄電池的自放電電流，數值很小；對于鉛酸蓄電池，大概只有0.01 I10，其中I10為蓄電池10 h放電率電流。均衡充電是為保證蓄電池組中各單只電池荷電狀態相同而延續的充電，即為補償蓄電池在使用過程中產生的電壓不均衡現象，使其恢復到規定的范圍內，以及大容量放電后用的補充充電。均充電流比浮充電流偏大很多；對于鉛酸蓄電池，按(1.0～1.25) I10計算。

按核電慣例，常規島充電裝置接于應急電源母線，在電廠交流全部失電后，由應急柴油發電機組(簡稱“柴油機”)起動加載。充電裝置給蓄電池充電時，浮充和均充充電電流的數值相差近百倍。柴油機啟動后給充電器充電，蓄電池放電時間很短，充電電流(功率)到底是與浮充的電流(功率)相當，還是均充電流(功率)，需要更加科學地進行確定。本文以我國某核電機組常規島220 V直流系統作為實例，模擬實際工況進行實驗，研究應急柴油機加載蓄電池充電器時的充電電流特性曲線。

1 常規島220 V直流系統

我國某核電機組常規島220 V直流負荷見表1所列。可以看出，相比于其他機組，該機組汽輪機直流油泵數量多，功率大；發電機空側直流油泵的數量和功率與常規工程的差異較小，但啟動電流已經達到額定電流的4倍，數值上遠高于常規2.5倍的啟動電流。

表1 常規島220?V直流負荷

按照DL/T 5044—2014《電力工程直流電源系統設計技術規程》的規定，對表1進行負荷統計。蓄電池型式按核電慣例選用固定型排氣式鉛酸蓄電池，采用電壓控制法進行蓄電池容量計算，確定常規島220 V直流系統主要參數，見表2所列。該機組220 V直流油泵數量多、功率大，電機啟動電流大，該工程需要配置3組3 000 Ah蓄電池組才能滿足要求。實際蓄電池組容量按制造廠家產品規格選擇為3 220 Ah。

表2 常規島220?V直流系統主要參數

2 蓄電池在給定條件下的充放電實驗

交流失電又恢復后，充電器能提供的最大充電電流為充電器最大輸出電流與充電器所接非充電負荷電流之差。根據表1和表2的數據計算，確定各直流系統充電器電流分配情況見表3所列。

表3 各直流系統充電器電流分配

從表3可以看出，交流失電又恢復后，ETC系統和ETW系統的蓄電池能獲得的最大充電電流為280 A；ETV系統的蓄電池能獲得的最大充電電流為322 A。

按工程條件，交流失去后，柴油機最晚在失電23 s后可以給充電器充電。因此，基于以下兩種工況進行蓄電池充電實驗并記錄充電電流隨時間變化的數據。

2.1 最大充電電流280 A時蓄電池的充電特性

對于ETC系統和ETW系統，直流負荷只有汽輪機直流油泵，系統外接交流電源全部失去后，滿充狀態的蓄電池給油泵供電。直流油泵啟動大約需要2.5 s左右，保守起見，按3 s考慮，啟動電流為950 A。啟動結束后，蓄電池提供正常工作電流380 A。待到柴油機啟動成功并加載ETC和ETW充電器后，直流油泵由充電器供電，蓄電池由放電狀態改為充電狀態。

實驗取用4只某型號2 V、3 220 Ah電池串聯，在電池滿充狀態下，對蓄電池先以950 A電流放電3 s，然后再以380 A電流放電至23 s，接通充電器，且限制充電器最大輸出電流為280 A，實驗記錄充電電流隨時間變化曲線見圖1。取前1 min的數據繪制出蓄電池起始充電電流隨時間變化曲線如圖2所示。

圖2 最大充電電流280?A時蓄電池起始充電電流?隨時間變化曲線

2.2 最大充電電流322 A時蓄電池的充電特性

對于ETV系統，直流負荷除發電機直流油泵，還有UPS、直流照明等。系統外接交流電源全部失去后，滿充狀態的蓄電池給負荷供電。直流油泵啟動保守按3 s考慮，啟動電流822 A，蓄電池總負荷電流為950 A。啟動結束后，蓄電池提供正常工作電流338 A。待到柴油機啟動成功并加載ETV充電器后，直流負荷由充電器供電，蓄電池由放電狀態改為充電狀態。

實驗取用4只同型號2 V、3 220 Ah電池串聯，在電池滿充狀態下，對蓄電池先以950 A電流放電3 s，然后再以338 A電流放電至23 s，接通充電器，且限制充電器最大輸出電流為322 A，實驗記錄充電電流隨時間變化曲線如圖3。取前1 min數據繪制出蓄電池起始充電電流隨時間變化曲線如圖4所示。

圖3 最大充電電流322?A時蓄電池充電電流?隨時間變化曲線

3 實驗數據分析

從圖1～圖4可以看到，蓄電池經過短暫的大電流放電后開始充電，充電電流在2 s內就達到充電器的最大輸出電流，以最大充電電流充電幾秒或十幾秒后，充電電流開始逐漸下降，直至降至浮充電流。充電器能提供的最大充電電流越大，降至浮充電流的時間越短。

圖1 最大充電電流280?A時蓄電池充電電流?隨時間變化曲線

圖4 最大充電電流322?A時蓄電池起始充電電流?隨時間變化曲線

容量為3 220 Ah蓄電池的均充電流為322 A，這也是蓄電池在實際投運時對充電器輸出電流的限定值，因此，ETV系統充電器最大輸出電流能滿足所在母線所有直流負荷電流與蓄電池均充電流之和。由此也可以確定：3 220 Ah蓄電池被柴油機加載后最快的充電時間為11 min左右，此時充電電流降到0.01 I10。

分析實驗數據，能夠得到以下結論：

1)充電器最大輸出電流能滿足所在母線所有直流負荷電流與蓄電池均充電流之和322 A時，柴油機加載充電器只需2 min13 s充電電流就降到5% I10以下；

2)充電器最大輸出電流為280 A時，柴油機加載充電器就需7 min47 s充電電流才降到5% I10以下；

3)可以預見，如果充電器最大輸出電流更小，柴油機加載充電器就需要更長的時間才能使充電電流降到5% I10以下；

4)如果選擇充電器額定電流僅滿足蓄電池外的直流負荷要求，柴油機加載充電器時蓄電池能獲得的充電電流很少，但柴油機需供給充電器的電流可以降到最小值。待到主機安全停機后，充電器再給蓄電池單獨充電。

4 結語

蓄電池經過短暫的大電流放電后開始充電，蓄電池的充電電流不是恒定的均充電流或浮充電流，剛開始充電瞬間電流以充電器能提供的最大充電電流進行充電，隨后充電電流快速衰減。初期的充電電流越大，衰減得越快。本文所研究的蓄電池組，在柴油機啟動后如果能提供均充電流，只需2 min13 s充電電流就降到5% I10以下，11 min就可以轉入浮充狀態。

本文通過模擬事故工況下蓄電池充電器充電實驗，提供了充電電流隨時間變化的特性曲線，為設計人員了解直流系統具體運行方式提供了參考依據。