核电常规岛蓄电池充电电流实验研究

屈艳萍，周 金，蔡 宏，田 申

(1.中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海 200063；2.荷贝克电源系统(武汉)有限公司，湖北 武汉 430040)

0 引言

我国电力行业标准DL/T 5044—2014《电力工程直流电源系统设计技术规程》[1]规定：发电厂、变电站、串补站和换流站内应设置向控制负荷和动力负荷等供电的直流电源。220 V和110 V直流电源应采用蓄电池组。蓄电池作为储能设备，需要有专门的充电装置为其充电。充电装置输出电流需要满足蓄电池浮充和均充的要求，且能带经常负荷。蓄电池的浮充电流就是蓄电池的自放电电流，数值很小；对于铅酸蓄电池，大概只有0.01 I10，其中I10为蓄电池10 h放电率电流。均衡充电是为保证蓄电池组中各单只电池荷电状态相同而延续的充电，即为补偿蓄电池在使用过程中产生的电压不均衡现象，使其恢复到规定的范围内，以及大容量放电后用的补充充电。均充电流比浮充电流偏大很多；对于铅酸蓄电池，按(1.0～1.25) I10计算。

按核电惯例，常规岛充电装置接于应急电源母线，在电厂交流全部失电后，由应急柴油发电机组(简称“柴油机”)起动加载。充电装置给蓄电池充电时，浮充和均充充电电流的数值相差近百倍。柴油机启动后给充电器充电，蓄电池放电时间很短，充电电流(功率)到底是与浮充的电流(功率)相当，还是均充电流(功率)，需要更加科学地进行确定。本文以我国某核电机组常规岛220 V直流系统作为实例，模拟实际工况进行实验，研究应急柴油机加载蓄电池充电器时的充电电流特性曲线。

1 常规岛220 V直流系统

我国某核电机组常规岛220 V直流负荷见表1所列。可以看出，相比于其他机组，该机组汽轮机直流油泵数量多，功率大；发电机空侧直流油泵的数量和功率与常规工程的差异较小，但启动电流已经达到额定电流的4倍，数值上远高于常规2.5倍的启动电流。

表1 常规岛220 V直流负荷

按照DL/T 5044—2014《电力工程直流电源系统设计技术规程》的规定，对表1进行负荷统计。蓄电池型式按核电惯例选用固定型排气式铅酸蓄电池，采用电压控制法进行蓄电池容量计算，确定常规岛220 V直流系统主要参数，见表2所列。该机组220 V直流油泵数量多、功率大，电机启动电流大，该工程需要配置3组3 000 Ah蓄电池组才能满足要求。实际蓄电池组容量按制造厂家产品规格选择为3 220 Ah。

表2 常规岛220 V直流系统主要参数

2 蓄电池在给定条件下的充放电实验

交流失电又恢复后，充电器能提供的最大充电电流为充电器最大输出电流与充电器所接非充电负荷电流之差。根据表1和表2的数据计算，确定各直流系统充电器电流分配情况见表3所列。

表3 各直流系统充电器电流分配

从表3可以看出，交流失电又恢复后，ETC系统和ETW系统的蓄电池能获得的最大充电电流为280 A；ETV系统的蓄电池能获得的最大充电电流为322 A。

按工程条件，交流失去后，柴油机最晚在失电23 s后可以给充电器充电。因此，基于以下两种工况进行蓄电池充电实验并记录充电电流随时间变化的数据。

2.1 最大充电电流280 A时蓄电池的充电特性

对于ETC系统和ETW系统，直流负荷只有汽轮机直流油泵，系统外接交流电源全部失去后，满充状态的蓄电池给油泵供电。直流油泵启动大约需要2.5 s左右，保守起见，按3 s考虑，启动电流为950 A。启动结束后，蓄电池提供正常工作电流380 A。待到柴油机启动成功并加载ETC和ETW充电器后，直流油泵由充电器供电，蓄电池由放电状态改为充电状态。

实验取用4只某型号2 V、3 220 Ah电池串联，在电池满充状态下，对蓄电池先以950 A电流放电3 s，然后再以380 A电流放电至23 s，接通充电器，且限制充电器最大输出电流为280 A，实验记录充电电流随时间变化曲线见图1。取前1 min的数据绘制出蓄电池起始充电电流随时间变化曲线如图2所示。

图2 最大充电电流280 A时蓄电池起始充电电流 随时间变化曲线

2.2 最大充电电流322 A时蓄电池的充电特性

对于ETV系统，直流负荷除发电机直流油泵，还有UPS、直流照明等。系统外接交流电源全部失去后，满充状态的蓄电池给负荷供电。直流油泵启动保守按3 s考虑，启动电流822 A，蓄电池总负荷电流为950 A。启动结束后，蓄电池提供正常工作电流338 A。待到柴油机启动成功并加载ETV充电器后，直流负荷由充电器供电，蓄电池由放电状态改为充电状态。

实验取用4只同型号2 V、3 220 Ah电池串联，在电池满充状态下，对蓄电池先以950 A电流放电3 s，然后再以338 A电流放电至23 s，接通充电器，且限制充电器最大输出电流为322 A，实验记录充电电流随时间变化曲线如图3。取前1 min数据绘制出蓄电池起始充电电流随时间变化曲线如图4所示。

图3 最大充电电流322 A时蓄电池充电电流 随时间变化曲线

3 实验数据分析

从图1～图4可以看到，蓄电池经过短暂的大电流放电后开始充电，充电电流在2 s内就达到充电器的最大输出电流，以最大充电电流充电几秒或十几秒后，充电电流开始逐渐下降，直至降至浮充电流。充电器能提供的最大充电电流越大，降至浮充电流的时间越短。

图1 最大充电电流280 A时蓄电池充电电流 随时间变化曲线

图4 最大充电电流322 A时蓄电池起始充电电流 随时间变化曲线

容量为3 220 Ah蓄电池的均充电流为322 A，这也是蓄电池在实际投运时对充电器输出电流的限定值，因此，ETV系统充电器最大输出电流能满足所在母线所有直流负荷电流与蓄电池均充电流之和。由此也可以确定：3 220 Ah蓄电池被柴油机加载后最快的充电时间为11 min左右，此时充电电流降到0.01 I10。

分析实验数据，能够得到以下结论：

1)充电器最大输出电流能满足所在母线所有直流负荷电流与蓄电池均充电流之和322 A时，柴油机加载充电器只需2 min13 s充电电流就降到5% I10以下；

2)充电器最大输出电流为280 A时，柴油机加载充电器就需7 min47 s充电电流才降到5% I10以下；

3)可以预见，如果充电器最大输出电流更小，柴油机加载充电器就需要更长的时间才能使充电电流降到5% I10以下；

4)如果选择充电器额定电流仅满足蓄电池外的直流负荷要求，柴油机加载充电器时蓄电池能获得的充电电流很少，但柴油机需供给充电器的电流可以降到最小值。待到主机安全停机后，充电器再给蓄电池单独充电。

4 结语

蓄电池经过短暂的大电流放电后开始充电，蓄电池的充电电流不是恒定的均充电流或浮充电流，刚开始充电瞬间电流以充电器能提供的最大充电电流进行充电，随后充电电流快速衰减。初期的充电电流越大，衰减得越快。本文所研究的蓄电池组，在柴油机启动后如果能提供均充电流，只需2 min13 s充电电流就降到5% I10以下，11 min就可以转入浮充状态。

本文通过模拟事故工况下蓄电池充电器充电实验，提供了充电电流随时间变化的特性曲线，为设计人员了解直流系统具体运行方式提供了参考依据。