非能动核电厂用蓄电池国产化情况分析

倪丹（上海核工程研究设计院，上海 200233）



非能动核电厂用蓄电池国产化情况分析

倪丹
（上海核工程研究设计院，上海 200233）

摘要：非能动核电厂对 1E 级蓄电池的性能要求与能动核电厂有很大差异，目前非能动核电厂采用的 1E 级蓄电池为铅钙蓄电池，而国内具有核级生产资质的蓄电池厂家生产的为铅锑蓄电池。本文基于这两种铅酸蓄电池的性能差异，结合非能动核电厂对 1E 级蓄电池的放电特性的要求，简要分析国产铅锑蓄电池使用的可行性及替换可能产生的问题。

关键词：核电；非能动；铅锑蓄电池；铅钙蓄电池；1E 级；直流系统

0 前言

直流系统是核电厂不可缺少的配电系统，在交流失电的情况下，直流系统可持续为安全停堆所需的负荷继续提供电源。而蓄电池正是确保持续供电的重要设备。目前核电厂的安全级蓄电池普遍采用富液式铅酸蓄电池。

1 蓄电池的放电性能要求

蓄电池的放电电流大小以及放电时间根据每个电厂具体的直流负荷运行要求确定。大部分二代及二代加压水堆核电厂中，安全级蓄电池的运行时间一般为 2 h。

福岛事件后，严重事故工况下核电厂的供电能力，成为了令人关注的问题[1]。国家核安全局对运行和在建核电厂开展了核安全检查，在检查意见中提出要研究改进提高蓄电池供电能力。在《“十二五”期间新建核电厂安全要求（征求意见稿）》中要求核电厂应在丧失厂外和厂内应急交流电源 8 h 内能够保持堆芯的持续冷却而不会导致堆芯严重损坏，因此，蓄电池的长时供电也成为了确保安全的重要环节。

在三代非能动核电厂 (AP1000系列) 中，要求安全级蓄电池的供电时间长达 24 h 以及 72 h。美标的蓄电池标准额定容量为 8 小时率，欧标的蓄电池标准容量为 10 小时率。24 h 及 72 h 对蓄电池长时供电能力提出了更高的要求。

此外，短时冲击负荷的大小也对蓄电池选型起到决定性作用。大部分核电厂第 1 分钟的直流冲击负荷主要为控制回路的接触器或继电器的动作电流，一般冲击电流不会比长时负荷大出很多；但对于 AP 系列的非能动电厂，蓄电池需为 1E 级电动阀供电，在全厂失电和 LOCA 两种工况下，均有很多电动阀在第 1 分钟动作，且电动阀的启动电流较大。这就要求蓄电池能在第 1 分钟提供出很大的放电电流以满足第 1 分钟冲击负荷的要求，因此对于蓄电池第 1 分钟的高放电率也提出了很高的要求。

2 AP 系列蓄电池国产化情况分析

目前满足 AP 系列核电厂安全级蓄电池要求的为铅钙蓄电池，正极板栅普遍采用的是铅钙合金，正负极板均为涂膏式的。而对于国内具有核级生产资质的蓄电池厂家，电池正极板栅采用铅锑合金，正极板为管式极板，负极板为涂膏式极板。采用的极板类型和合金材料的不同，会导致蓄电池的放电性能和适用场合有所差异。以下将结合上文中提到的蓄电池放电性能要求以及不同类型的蓄电池特点，分析 1E 蓄电池国产化的要点及难点。

2.1 极板的性能差异分析

从正极板栅合金材料上看，一个采用的是铅钙合金，一个采用的是铅锑合金。

铅钙合金的蓄电池在完全充电状态下的浮充电电流非常小，因而产生的气体量非常小，水的消耗量也非常小。铅钙合金的主要优点：析氢过电位比铅锑合金提高约 0.2 V，接近于纯铅，从而有效地抑制了蓄电池的自放电和负极的析氢。但是铅钙合金板栅易膨胀，电池深充放电时，会出现电池容量早期下降，不同程度地存在早期容量损失（PCL）现象，因此铅钙蓄电池不适用于频繁的深度放电，电池过放电时再充电接受能力也较差[2]。

铅锑合金蓄电池在充电接受能力以及循环性能上都明显优于铅钙合金，因此铅锑合金的蓄电池适用于频繁充放电循环和深度放电的运行工况。浮充电流、气体的生成量以及加液频率与板栅中的锑含量成正比。此外，随着锑合金电池的老化，电解液中锑的含量逐渐增大，浮充电流、水的消耗量以及生成的氢气量也由于溶解的锑与负极板反应而增加[3]。

对于核电厂中的蓄电池，除了定期试验外，只有在异常工况下才会放电。根据 IEEE 450[4]及RG1.129[5]要求，在寿命初期，蓄电池每两年进行一次容量试验，当寿命出现下降时，每一年进行一次容量试验。电厂发生异常工况引起蓄电池放电的概率较低，因此对于核电厂安全级蓄电池，不会频繁放电。

采用铅锑蓄电池较铅钙蓄电池，氢气释放量会有所增加。根据 IEEE 484 标准[6]，蓄电池氢气释放量与充电电流成正比，在 25 ℃，760 mm Hg 的大气压下，每个蓄电池单体对应每安培充电电流下释放的氢气量为 0.127 mL/s。IEEE 为美国标准，针对的美标铅酸蓄电池一般电解液相对密度为 1.215，额定容量为 8 小时率对应容量。表 1 为某美国铅酸蓄电池厂家提供的不同类型的铅酸蓄电池单体，在不同充电电压下，每 100 Ah 对应的充电电流值。从表中数据可以看出，同样容量的铅锑蓄电池氢气释放量会达到铅钙蓄电池的 5～20 倍。

表 1 铅酸蓄电池充电电流需求量

另一个差异体现在正极板的型式上[7]：对于涂膏式极板，活性物质以膏状混合物的形式涂覆在铅合金板栅上，板栅的网格结构提供了很多可以到达极板端子的电流通路。管式正极板的活性物质填充在不具有传导性的套管中，铅合金板栅筋条位于套管的中心并作为载流导体；基于管式极板的材料特性，设计能够保证多次的充放电循环，但与酸液的接触面积小于涂膏式极板，所以管式极板的高倍率放电性能较差。还有一种是普兰特极板，普兰特极板较厚，由纯铅浇铸而成，连接到铅锑合金的汇流排上，极板两侧的表面形成活性物质，铅体上很薄的活性物质，增加了接触面积，有利于载流子交换使之在短时间内可提供大电流，可保证非常长的浮充电寿命和循环寿命，适用于短时高倍率放电。

2.2 国产化难点分析

三代非能动核电厂 (AP1000系列) 中，对蓄电池第 1 分钟放电能力和 24 h、72 h 放电能力提高了要求。一般能动电厂蓄电池的放电时间一般不超过2 h，国内核电厂用蓄电池一般最长只做到 10 小时率的放电试验，未检验过 24 h、72 h 的长时间放电性能。另一方面铅锑蓄电池在放电性能上与铅钙蓄电池本身也有所差异。

表 2 所示为某厂家几种不同类型极板的蓄电池，20 ℃ 放电至 1.75 V 所对应的放电参数。明确可见，容量相近的铅锑合金管式极板的蓄电池 1 小时率以下的短时放电能力，特别是 1 min 大电流放电能力远小于其他两种类型的电池；对于 72 小时率长时间放电能力，铅锑合金的管式极板以及普兰特极板均低于铅钙合金的涂膏式极板电池。

表 2 蓄电池各小时率放电率

要达到相同的 1 min 及 72 小时率放电能力，铅锑合金蓄电池需有更大的容量，这样在经济性上会有所牺牲。目前国内铅锑电池最大容量在 3000 Ah左右，但对于 CAP1400，由于直流系统电压等级由AP1000 的 250 V 调整到了 220 V，相同功率设备电流也会有所增大，再加上部分设备国产化以后功率也有所增大，因此国内现有的蓄电池最大容量无法满足 72 h 负荷放电需求，需要向 4000 Ah 这种大容量的方向研发。

从表 2 还可以看到，对于铅锑蓄电池，主要制约的是 72 小时放电率。表 3 为 Enersys 电池厂 GN系列的蓄电池的放电参数以及单体尺寸[8]。同大部分蓄电池厂家设计一样，同一外壳尺寸对应多个容量等级。根据外壳内放置的极板数量以及极板长度的不同，最终蓄电池的总容量会有所不同。一般来说，随着蓄电池的容量的增加，对应的各放电率的放电电流应相应地增加；但从表 3 中的参数可见，对于 72 小时放电率，放电电流并不是随容量的变化而变化：同一壳体尺寸的蓄电池随着容量的增加，72 小时率放电电流反而降低了。这是由于短时放电能力主要取决于活性物质与酸液的接触反应面积，随着放电时间加长，特别是 72 h 这么长的时间，活性物质与酸液的反应程度越来越受到酸液量的限制。从样本参数可见，相同壳体电池的 72 小时率放电电流大小变化不大。蓄电池壳体变大后，72 小时率放电电流随之阶梯式增大。对于相同壳体不同容量的蓄电池，如 GN-35 到 GN-45，GN-35电池虽然极板数量少，但是酸液量较多，所以 72小时率放电电流反而最大。因此可知，并不是只靠增加极板数量，或者扩大极板面积以增大容量就可以满足要求。厂家应综合考虑满足短时放电需求的极板数量、尺寸以及满足长时放电要求的酸液配比来确定蓄电池外壳尺寸。当然不能无限制地放大壳体尺寸，对于安全级蓄电池，还需满足抗震要求。壳体过高，极板过长都会对电池的抗震性能带来不利的影响，此外尺寸过大也会给布置带来困难。

表 3 GN 系列蓄电池放电参数及单体尺寸

在寿命方面，要求蓄电池的设计寿命不低于20 a。根据 IEEE 450 标准，放电容量低于额定容量的 80 % 时，需对蓄电池进行更换。目前很多研究都承诺，其富液式铅酸蓄电池的寿命可达 20 a，但所进行的放电试验最多是用 10 小时率来进行考核的。当放电时间延长到 72 h 后，是否还可以满足使用 20 a 的要求，厂家需进一步验证。

4 结束语

本文结合三代非能动核电厂中对 1E 级蓄电池的性能要求以及铅锑及铅钙蓄电池的性能差异，分析了国内现有的铅酸蓄电池的不足之处，阐明了要实现非能动系统 1E 级蓄电池的国产化，需要注意大容量、短时放电和长时放电以及设计寿命等几方面的要点。

参考文献：

[1] 福岛事故后，我国核电厂通用改进技术要求.

[2] 陈瑞宗, 郑宣佩, 吕永尧, 等. 铅酸电池用铅钙合金与低锑合金的比较[J]. 船电技术, 2005, 25(1): 62-63.

[3] 周玉婷. 铅酸蓄电池铅锑板栅电化学性能的研究[D]. 合肥工业大学, 2010.

[4] IEEE 450—2010 Recommended practice for maintenance, testing and replacement of vented lead-acid batteries for stationary applications.

[5] RG 1.29—1978 Seismic Design Classification.

[6] IEEE 484—2002 Recommended practice for installation design and installation of vented leadacid batteries for stationary applications.

[7] NBT 20062—2012 核电厂不间断电源系统蓄电池组.

[8] GN 蓄电池样本. US-GN-RS-002 - February 2012.

Analysis of the domestic situation of the lead-acid batteries for the passive nuclear power plants

NI Dan
(Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, Shanghai 200233,China)

Abstract:The dynamic performance requirements of class 1E batteries for the nuclear power plants are significantly different from those for active nuclear power plants. Now class 1E batteries for passive nuclear power plants are lead calcium batteries, but the domestic manufacturers with nuclear grade qualifi cation usually produce lead antimony batteries. In this paper, based on the performance differences of the two kinds of lead-acid batteries, combined with the discharge characteristics of class 1E batteries for passive nuclear power plants, the feasibility of using domestic lead antimony batteries and the possible problem replacing lead calcium batteries by lead antimony batteries are analyzed briefl y.

Key words:nuclear power; passive; lead antimony battery; lead calcium battery; class 1E; direct current system

收稿日期：2015–07–15

中图分类号：TM 912.1

文献标识码：A

文章编号：1006-0847(2016)01-31-04