核電常規(guī)島蓄電池充電電流實(shí)驗(yàn)研究

屈艷萍，周 金，蔡 宏，田 申

(1.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063；2.荷貝克電源系統(tǒng)(武漢)有限公司，湖北 武漢 430040)

0 引言

我國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5044—2014《電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》[1]規(guī)定：發(fā)電廠、變電站、串補(bǔ)站和換流站內(nèi)應(yīng)設(shè)置向控制負(fù)荷和動(dòng)力負(fù)荷等供電的直流電源。220 V和110 V直流電源應(yīng)采用蓄電池組。蓄電池作為儲(chǔ)能設(shè)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(jīng)常負(fù)荷。蓄電池的浮充電流就是蓄電池的自放電電流，數(shù)值很小；對(duì)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(tài)相同而延續(xù)的充電，即為補(bǔ)償蓄電池在使用過(guò)程中產(chǎn)生的電壓不均衡現(xiàn)象，使其恢復(fù)到規(guī)定的范圍內(nèi)，以及大容量放電后用的補(bǔ)充充電。均充電流比浮充電流偏大很多；對(duì)于鉛酸蓄電池，按(1.0～1.25) I10計(jì)算。

按核電慣例，常規(guī)島充電裝置接于應(yīng)急電源母線，在電廠交流全部失電后，由應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組(簡(jiǎn)稱“柴油機(jī)”)起動(dòng)加載。充電裝置給蓄電池充電時(shí)，浮充和均充充電電流的數(shù)值相差近百倍。柴油機(jī)啟動(dòng)后給充電器充電，蓄電池放電時(shí)間很短，充電電流(功率)到底是與浮充的電流(功率)相當(dāng)，還是均充電流(功率)，需要更加科學(xué)地進(jìn)行確定。本文以我國(guó)某核電機(jī)組常規(guī)島220 V直流系統(tǒng)作為實(shí)例，模擬實(shí)際工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究應(yīng)急柴油機(jī)加載蓄電池充電器時(shí)的充電電流特性曲線。

1 常規(guī)島220 V直流系統(tǒng)

我國(guó)某核電機(jī)組常規(guī)島220 V直流負(fù)荷見(jiàn)表1所列。可以看出，相比于其他機(jī)組，該機(jī)組汽輪機(jī)直流油泵數(shù)量多，功率大；發(fā)電機(jī)空側(cè)直流油泵的數(shù)量和功率與常規(guī)工程的差異較小，但啟動(dòng)電流已經(jīng)達(dá)到額定電流的4倍，數(shù)值上遠(yuǎn)高于常規(guī)2.5倍的啟動(dòng)電流。

表1 常規(guī)島220?V直流負(fù)荷

按照DL/T 5044—2014《電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，對(duì)表1進(jìn)行負(fù)荷統(tǒng)計(jì)。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(jìn)行蓄電池容量計(jì)算，確定常規(guī)島220 V直流系統(tǒng)主要參數(shù)，見(jiàn)表2所列。該機(jī)組220 V直流油泵數(shù)量多、功率大，電機(jī)啟動(dòng)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(shí)際蓄電池組容量按制造廠家產(chǎn)品規(guī)格選擇為3 220 Ah。

表2 常規(guī)島220?V直流系統(tǒng)主要參數(shù)

2 蓄電池在給定條件下的充放電實(shí)驗(yàn)

交流失電又恢復(fù)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(fù)荷電流之差。根據(jù)表1和表2的數(shù)據(jù)計(jì)算，確定各直流系統(tǒng)充電器電流分配情況見(jiàn)表3所列。

表3 各直流系統(tǒng)充電器電流分配

從表3可以看出，交流失電又恢復(fù)后，ETC系統(tǒng)和ETW系統(tǒng)的蓄電池能獲得的最大充電電流為280 A；ETV系統(tǒng)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(jī)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(jìn)行蓄電池充電實(shí)驗(yàn)并記錄充電電流隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)。

2.1 最大充電電流280 A時(shí)蓄電池的充電特性

對(duì)于ETC系統(tǒng)和ETW系統(tǒng)，直流負(fù)荷只有汽輪機(jī)直流油泵，系統(tǒng)外接交流電源全部失去后，滿充狀態(tài)的蓄電池給油泵供電。直流油泵啟動(dòng)大約需要2.5 s左右，保守起見(jiàn)，按3 s考慮，啟動(dòng)電流為950 A。啟動(dòng)結(jié)束后，蓄電池提供正常工作電流380 A。待到柴油機(jī)啟動(dòng)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(tài)改為充電狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)取用4只某型號(hào)2 V、3 220 Ah電池串聯(lián)，在電池滿充狀態(tài)下，對(duì)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(shí)驗(yàn)記錄充電電流隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖1。取前1 min的數(shù)據(jù)繪制出蓄電池起始充電電流隨時(shí)間變化曲線如圖2所示。

圖2 最大充電電流280?A時(shí)蓄電池起始充電電流?隨時(shí)間變化曲線

2.2 最大充電電流322 A時(shí)蓄電池的充電特性

對(duì)于ETV系統(tǒng)，直流負(fù)荷除發(fā)電機(jī)直流油泵，還有UPS、直流照明等。系統(tǒng)外接交流電源全部失去后，滿充狀態(tài)的蓄電池給負(fù)荷供電。直流油泵啟動(dòng)保守按3 s考慮，啟動(dòng)電流822 A，蓄電池總負(fù)荷電流為950 A。啟動(dòng)結(jié)束后，蓄電池提供正常工作電流338 A。待到柴油機(jī)啟動(dòng)成功并加載ETV充電器后，直流負(fù)荷由充電器供電，蓄電池由放電狀態(tài)改為充電狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)取用4只同型號(hào)2 V、3 220 Ah電池串聯(lián)，在電池滿充狀態(tài)下，對(duì)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(shí)驗(yàn)記錄充電電流隨時(shí)間變化曲線如圖3。取前1 min數(shù)據(jù)繪制出蓄電池起始充電電流隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。

圖3 最大充電電流322?A時(shí)蓄電池充電電流?隨時(shí)間變化曲線

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

從圖1～圖4可以看到，蓄電池經(jīng)過(guò)短暫的大電流放電后開(kāi)始充電，充電電流在2 s內(nèi)就達(dá)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(kāi)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(shí)間越短。

圖1 最大充電電流280?A時(shí)蓄電池充電電流?隨時(shí)間變化曲線

圖4 最大充電電流322?A時(shí)蓄電池起始充電電流?隨時(shí)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(shí)際投運(yùn)時(shí)對(duì)充電器輸出電流的限定值，因此，ETV系統(tǒng)充電器最大輸出電流能滿足所在母線所有直流負(fù)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(jī)加載后最快的充電時(shí)間為11 min左右，此時(shí)充電電流降到0.01 I10。

分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，能夠得到以下結(jié)論：

1)充電器最大輸出電流能滿足所在母線所有直流負(fù)荷電流與蓄電池均充電流之和322 A時(shí)，柴油機(jī)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(shí)，柴油機(jī)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(yù)見(jiàn)，如果充電器最大輸出電流更小，柴油機(jī)加載充電器就需要更長(zhǎng)的時(shí)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(fù)荷要求，柴油機(jī)加載充電器時(shí)蓄電池能獲得的充電電流很少，但柴油機(jī)需供給充電器的電流可以降到最小值。待到主機(jī)安全停機(jī)后，充電器再給蓄電池單獨(dú)充電。

4 結(jié)語(yǔ)

蓄電池經(jīng)過(guò)短暫的大電流放電后開(kāi)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(kāi)始充電瞬間電流以充電器能提供的最大充電電流進(jìn)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(jī)啟動(dòng)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(zhuǎn)入浮充狀態(tài)。

本文通過(guò)模擬事故工況下蓄電池充電器充電實(shí)驗(yàn)，提供了充電電流隨時(shí)間變化的特性曲線，為設(shè)計(jì)人員了解直流系統(tǒng)具體運(yùn)行方式提供了參考依據(jù)。