磷酸铁锂电池在核电厂直流电源系统中应用的可行性分析

陆宗达 李美增 谢贤林

摘  要：文章分析了现有核电厂直流电源系统电池的优缺点，从常规性能，温度特性、寿命特性、安全性、成本、使用维护和工作方式等方面，比较磷酸铁锂电池和现有蓄电池的优劣性，探讨用磷酸铁锂电池替代现有蓄电池的可行性，提出磷酸铁锂电池应用于核电厂直流电源系统的具体要求和实践方法。

关键词：核电厂;直流系统;磷酸铁锂电池;GFD蓄电池

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

核电厂直流电源系统为控制、信号、保护和自动装置（统称为控制负荷），以及断路器电磁合闸、直流电动机、逆变器、事故照明（统称为动力负荷）等供电，涉及应急柴油机控制盘、核反應堆保护组、棒电源断路器屏、停堆断路器、核仪表等重要负荷，对核电厂的安全稳定运行起到至关重要的作用。蓄电池是核电厂直流电源系统的重要设备。本文将铅酸蓄电池同磷酸铁锂电池作全方位的对比，分析磷酸铁锂电池用作核电厂直流电源系统蓄电池的可能性。

1.1 核电厂直流电源系统（方家山M310为例）

方家山核电厂直流电源系统采用了220V、110V、48V和24V电压等级，与国内标准统一。每个直流系统设备有蓄电池组，整流充电器和一组带进出线断路器和开关的直流配电装置。220V直流电源LAA、LAB一般为电动机、照明以及大容量逆变器等动力负荷供电;110V直流电源一般为小容量逆变器、配电装置控制回路以及其他控制、保护和自动装置等控制负荷供电;48V直流电源一般为电动阀控制装置、报警装置、继电器机柜、专用仪表控制系统及通信系统供电。24V直流配电系统只向机组的调节设备供电。此外LNA、LNB、LNC、LND四组反应堆保护电源系统也自带有蓄电池组。

1.2 核电厂用蓄电池现状分析

目前方家山核电厂主要使用的是沈阳东北蓄电池厂生产的固定防酸式铅酸蓄电池，该蓄电池同普通民用蓄电池有很大的差别，相比普通蓄电池，它设计合理，比能量高，首次放电即可达到95%以上，浮充寿命可以达到15年以上。虽然性能上相比普通铅酸蓄电池有了很大提高，不过还是存在以下问题：

（1）对环境要求较高，蓄电池室必须安装有通风系统，以避免温度过高影响蓄电池容量寿命。

（2）安装过程复杂，不清洁的环境可能导致短路，调试期间我厂曾经发生过类似问题。

（3）高温下长期浮充对蓄电池性能影响很大，长期处于浮充状态，会使蓄电池内阻增加，容量大幅下降，使用寿命变短。

（4）检修维护要求非常复杂，比如补充电解液，三个月需要均充一次等等。

（5）生产运行及报废过程中，会造成重金属污染。

2 性能对比

磷酸铁锂蓄电池是用磷酸铁锂作为正极材料的锂电池，其特点是原料价格低廉丰富，工作电压适中，电容量大， 高放电功率，可快速充电且循环寿命长，稳定性高。

2.1 基本性能对比

磷酸铁锂电池的标称电压是铅酸电池的1.5倍之多，同样容量的单节电池，前者重量比后者轻一半以上，所占体积只有后者的1/3，这意味着如果用磷酸铁锂电池替代铅酸电池用于直流系统中，不但电池部分所占空间大大缩小， 对于维护人员其工作强度也会减少很多。

2.2 放电特性对比

磷酸铁锂电池-20℃放电是其常温放电容量的80%以上，GFD电池-20℃只能放出常温容量的60%不到;但是高温性能方面，GFD蓄电池有别于普通蓄电池高温放电容量低的特性，依然保持了相当高的放电容量。磷酸铁锂电池具有良好的倍率放电特性，大电流放电电压平稳，4C放电容量是额定容量的92%以上，根据厂家资料，GFD蓄电池的倍率放电曲线和普通蓄电池没有大的区别，因此从图上可以看到GFD蓄电池在不同放电电流下电压平台变化较大，并且在2C电流条件下时放电容量就只能达到额定容量的80%。在倍率放电特性方面，磷酸铁锂电池具有更好的特性。

2.3 寿命特性对比

磷酸铁锂蓄电池对于充放电流的大小与寿命基本没有关系，具有良好的适应能力。核电厂蓄电池正常情况下，基本都是在浮充状态，据相关资料，在浮充状态下，磷酸铁锂电池相比普通铅酸蓄电池也具有很好的寿命特性。根据北京201所的实验，磷酸铁锂电池在60℃情况下浮充一年，仍能达到81%的容量保持率。在常温下浮充三个月，容量保持率达到了96.8%。对比GFD蓄电池，磷酸铁锂电池电池在高温下会具有更优秀的寿命特性。在寿命特性方面磷酸铁锂电池表现更胜一筹。

2.4 性能对比结论

GFD蓄电池相比普通铅酸蓄电池在性能上有了很大的改进，特别是在浮充寿命特性上，不过磷酸铁锂电池电池在大部分性能方面还是要胜过GFD蓄电池。

3 磷酸铁锂电池的运行方式

对于核电厂直流系统来说，蓄电池的运行方式只能选择在线式运行方式，而不能选择后备式。方家山核电的直流系统还要兼做UPS的后备电源，无论是UPS的要求还是本身核安全相关负载的要求，都需要在线式的备用电源，切换时间为纳秒级，几乎可以忽略不计。虽然后备式10ms左右的切换时间对于一般的负载设备来说可能可以接受，不过对于与核安全相关的设备如DCS系统等等是不能接受的，因此我厂的直流系统一般都是采用浮充式，根据核电厂的实际情况，作者认为磷酸铁锂蓄电池可以有以下三种方式工作方式：

（1）磷酸铁锂电池替代原有铅酸电池，蓄电池直接挂接在系统直流母線上，处于在线浮充状态。

（2）为磷酸铁锂电池配置BMS系统，控制电池的充放电过程，蓄电池挂接在系统直流母线上，处于在线浮充状态。

（3）磷酸铁锂电池配置BMS系统，控制电池的充放电过程及系统工作状态，蓄电池通过一大功率逆止二极管挂接在直流母线上，处于智能间歇式充放电状态。

4 结束语

针对本文的对比，我们将采用工作方式二和三的磷酸铁锂电池与GFD蓄电池的综合对比总结列于表1。

在核电技术不断发展的今天，我们依然在使用几十年前的蓄电池技术，虽然传统铅酸蓄电池的技术也在不断改进，很多参数相比以前有了很大提高，但铅酸蓄电池依然存在很多固有的缺点，尤其是安全性方面的问题。随着核电技术的发展，我们有理由对蓄电池提出更好更高的要求，磷酸铁锂电池本身具有的环保，寿命长，耐高温的特性完全符合核电厂直流系统用蓄电池的要求。我们有理由相信磷酸铁锂电池蓄电池在核电厂直流系统的应用是完全可行的。

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