核电厂安全级蓄电池寿命监测及提升

金少军

（阳江核电有限公司，广东 阳江 529500）

1 蓄电池寿命监测的意义

核电厂安全级直流系统是由蓄电池和整流充电器组成的电源系统，向逆变器、核反应堆保护组、断路器、继电器、电磁阀、计算机、各种检测分析记录仪等重要负荷供电，对核电厂的安全稳定运行起到至关重要的作用。而蓄电池作为后备电源，在失去交流电源时能够继续为下游负荷提供稳定的输出，直至交流电源恢复（通过厂外电源或厂内柴油机）或机组已被控制在安全的状态，确保核电厂的运行安全。然而，在蓄电池的实际运行维护过程中，外界的各种不利因素会使蓄电池的性能降低，寿命缩短。在提升蓄电池供电可靠性的同时，如何准确迅速地发现过早出现问题的电池，并提前预判蓄电池的未来性能变化情况，已经成为电池运行维护的新目标，也成为提高备用电源可靠性的关键。

2 蓄电池寿命监测的方法

影响蓄电池寿命的因素很多，一方面与蓄电池本身生产制造工艺相关的极板材料、活性物质、极柱密封等内部因素有关，另一方面还与蓄电池的工作条件、维护方法等外在因素密切相关[3]，因此在日常运维当中应通过核容试验、腐蚀、内阻测量等方面来监测和评价蓄电池性能，同时结合蓄电池实际运行温度对寿命进行预测，具体如下：

2.1 通过核容试验进行监测

核容试验是监测蓄电池性能的最有效手段，综合蓄电池的电压、电流、放电时间等参数，建立容量趋势并预测蓄电池未来性能的变化，有计划地终止蓄电池寿命，确保后备电源安全可控。

①蓄电池核容试验的方法

核电厂安全级蓄电池核容试验多采用小时率容量检测试验（主要有10小时率、5小时率、1小时率等）、最大电流放电（Id）容量检测试验等。

小时率容量检测试验是对充好电的蓄电池组以I10/I5/I1电流放电，当实际放电时间超过理论放电时间（理论放电时间应考虑老化系数），视为蓄电池容量满足事故工况下对下游负载的供电能力要求。

最大电流放电（Id）容量检测试验是增加负载电流达到工作周期内最大放电电流进行的试验，在终止电压前，实际放电时间大于设计要求的带载时间即视为试验合格。

小时率容量检测试验、最大电流放电（Id）容量检测试验均能证明蓄电池的储备时间满足设计要求，实际选用哪种放电方法，要根据放电试验回路包括开关容量、试验回路电缆截面以及放电小车的容量进行选择，但一旦选定了某种试验方式，在蓄电池寿命周期内应采用同一种方法进行试验，以便进行蓄电池劣化趋势分析。

②蓄电池剩余容量的寿命终止准则

核容试验用于揭示蓄电池组老化的趋势，按照容量计算书中所用的老化系数确定蓄电池寿命的终止点。一般核电厂设计选用的老化系数为1.2，当容量降至额定容量的1/1.2=83.3%时更换蓄电池。例如：如果一组蓄电池采用5小时率核容放电，额定情况下以I5放电电流可持续5小时供电，老化后蓄电池的寿命终止持续时间为5*0.833=4小时10分钟。

铅酸蓄电池的性能在其寿期内的大部分时间是相对稳定的，但在后期其性能开始迅速劣化，蓄电池寿命与性能关系曲线的“拐点”大约在其额定性能指标的80%出现[1]，因此有必要对蓄电池历次的放电数据进行记录并建立趋势，在到达拐点之前完成蓄电池组的更换。

考虑到核电站的换料周期多为18个月，当本次放电试验结果表明蓄电池容量达到或接近83.3%时，由于新蓄电池制造、采购周期的制约，已劣化的蓄电池组需要延后至下一个换料窗口进行更换，因此建议在容量下降到额定容量的90%时制定在下一个换料窗口更换蓄电池的计划，并在下一个换料窗口完成更换。

2.2 通过腐蚀进行监测

铅酸蓄电池的设计寿命一般可以达到20年，但在实际使用中多半发生了提前失效，其中正极柱腐蚀是造成蓄电池早期失效的重要原因。

正极柱腐蚀的主要影响因素有极柱的密封方式、补液的水质、充电设备的纹波、蓄电池的运行温度等，其中环境温度对腐蚀的影响需要重点关注。笔者所在核电厂1号机在同一时间投入运行的11组蓄电池，其中共有4组运行时间在7年左右的蓄电池出现了不同程度的正极柱腐蚀鼓包现象。通过比对发现，出现腐蚀鼓包的4组蓄电池所在房间，受楼下房间蒸汽管道的热传导影响，造成楼板发热，要比其他房间高5℃左右。

正极柱腐蚀鼓包虽不影响蓄电池的容量，但可能造成极柱载流量降低、极柱断裂、外壳受挤压开裂漏液等严重后果，影响蓄电池在事故情况下的供电可靠性，因此必须重视并在日常维护中做好检查，应检查每个蓄电池外壳与盖之间、极柱与盖之间的密封，检查是否有酸泄漏、壳体裂纹、极柱变形等情况。对已产生腐蚀鼓包的蓄电池，应建立监测机制，增加巡视检查的频度，若评估腐蚀鼓包可能影响蓄电池的安全，应考虑对蓄电池进行单节甚至整组更换。

2.3 通过内阻测量进行监测

在评价蓄电池组的电化学性能可使用内阻测量，蓄电池的内阻值随着蓄电池的容量降低而升高，也就是说，随着蓄电池的老化，容量降低时蓄电池的内阻增加。核电厂采用核容放电试验进行蓄电池容量检测存在试验周期长、不能测试每一节单体蓄电池容量等缺点，而蓄电池内阻测试可以在线进行，通过比对整组的蓄电池内阻差异或与基准值进行比较的方式，找出或者预测已劣化的蓄电池。一旦蓄电池内阻超标，应查明原因，确定为蓄电池劣化的原因后应考虑在下一个窗口更换蓄电池。

2.4 结合蓄电池运行温度的寿命预测

蓄电池在较高的温度下运行会大大缩短蓄电池的预期寿命，主要原因为蓄电池在充电时会产生热量，需及时释放到环境中，当环境温度过高时，导热效率降低，会导致蓄电池内部温度升高，电化学反应加剧使得电解液温度进一步升高，产生恶性循环，最终会导致蓄电池寿命降低甚至直接失效[4]。

根据热劣化曲线，蓄电池运行温度与标准运行温度（25℃）相比，每超过8℃，蓄电池寿命缩短一半。下式通过计算在升高的温度下老化时间与标准温度下（25℃）蓄电池寿命的比值之和得到蓄电池组的寿命[2]。

式中：Ltc——经温度修正的蓄电池寿命，年；%life——从热劣化曲线中得到的寿命百分比，曲线参见NB/T 20028.4-2010附录K；Mos@T1——在温度T1下的时间，月；M—蓄电池组预期的正常寿命，月

注：T1+T2+T3+……+Tn等于12个月。

表1 本厂1LBA系统蓄电池电解液温度记录（2017年）

表1是本厂1LBA系统蓄电池在2017年的电解液温度记录，经过公式计算，设计寿命为20年的蓄电池，其预期寿命将缩减至12.4年。

因此，电厂有必要采取对通风系统增加冷却器等措施降低蓄电池的运行温度，同时，电厂设备管理部门应根据蓄电池的运行温度进行寿命预测，建立定期更换的大纲，在蓄电池寿命终止前完成蓄电池的更换。

3 蓄电池寿命提升的措施

3.1 维护方面

①确保蓄电池表面、电气连接件以及端部的清洁，比重测量等工作中要防止酸液滴落，防止酸液对极柱和连接件的腐蚀。

②应定期观察蓄电池液位，防止液位过低甚至极板裸露，加水不及时可能造成硫酸盐化，容量减少直至失效。

③补液操作时，必须使用合格的除盐水，相关的水桶、量具、器皿要用除盐水做好清洁，防止不合格的水导致板栅腐蚀、硫酸盐化或其他损害。

④应每月对蓄电池的比重进行抽检，比重偏低表明蓄电池未达到满充电状态，应通过均衡充电使比重恢复到预期范围，否则，长期充电不足会导致硫酸盐化。

3.2 环境方面

①蓄电池运行温度过高将造成蓄电池腐蚀加快、寿命缩短，应保持蓄电池房间良好的通风，可对进风风管增加冷却器，使蓄电池在25℃左右的适宜温度下运行。

②针对本核电厂蓄电池房间由于受楼下房间蒸汽管道的热传导影响，造成楼板发热，可对蓄电池房间底部楼板增加隔热保温的方式降低蓄电池房间温度。

3.3 充电方面

①电压控制：对国内南方的核电厂，夏季因气温偏高导致蓄电池电解液温度过高，内阻减小，电化学反应速度加快使充电电流增大，为防止蓄电池长期处于过充状态，浮充充电要考虑温度补偿。对不具备自动根据蓄电池温度进行浮充电压补偿调节的功能的充电器，建议在蓄电池温度超过一定限值时（如规定30℃）手动调节充电器浮充电压。

②均衡充电：应定期（季度或半年）对蓄电池进行均衡充电，防止蓄电池组中的部分电池由于充电不足造成硫酸盐化，蓄电池寿命下降。