秦山核电厂直流系统铅酸蓄电池维护与保养
摘要：铅酸蓄电池是一种将化学能转变成电能的装置，其电能来源于其中进行的化学反应，因此电池一直处于动态的化学反应过程中。本文从电化学的热力学和动力学观点出发，并结合秦山核电厂一回路220V蓄电池组的日常维护与定期试验工作，阐述了铅酸蓄电池在日常维护中对温度、密度、电压、容量进行控制和检查的重要性，用于指导最科学、有效地维护好蓄电池组，确保电厂机组安全稳定运行。
关键词：温度、密度、电压、容量。
秦山核电厂一回路直流系统铅酸蓄电池采用沈阳东北有限公司的GFD-2000型产品和GFD-200型产品，是保证一回路直流电力系统稳定的重要电源。为使铅酸蓄电池处于良好的运行状态，必须定期对蓄电池的温度、密度、电压、容量进行检查和控制，使之保持在一定的数值上，从而最有效、最科学地维护好蓄电池，确保核电厂的安全、稳定。由于运行方式的要求，该组蓄电池处于长期浮充运行状态，为期14个月左右，因此每次电厂换料大修期间必须对蓄电池组进行一次核对性充放电试验，通过核对性充放电试验，检查长期处于浮充状态运行的蓄电池组容量是否满足设计要求和运行标准要求。秦山核电厂一回路直流系统铅酸蓄电池共4组蓄电池，其中2组各为104只，额定电压220V；另两组各为12只，额定电压24V。
1 铅酸蓄电池的温度控制 1.1温度的产生 1.1.1可逆热效应
蓄电池温度由蓄电池反应时的可逆热效应和焦耳效应产生。可逆热效应为蓄电池参加电化学反应时出现的吸热或放热现象，充电时，一定量的PbSO4氧化还原成PbO2和Pb，释放热量。放电时，一定量的PbO2和Pb氧化还原成PbSO4，表现为吸收热量。因此可逆热效应产生热量的多少只与参与反应的物的量有关，与充、放电电流大小无关。 1.1.2焦耳效应
焦耳效应是电流的热效应，当蓄电池内部有电流通过时，就会产生不可逆的放热现象，它的大小与电流流动时引起的电位降成比例。因此蓄电池的总热量由焦耳热和反应热组成。 1.2 温度与浮充电压关系
正常情况下，负电极的极化随温度的升高而加大，正电极的极化随温度的升高而减小，当温度升高时，浮充电压高，蓄电池浮充电流大，对板栅的腐蚀速率大，从而使蓄电池的板栅腐蚀速率、氢和氧气析出等不良反应的速率随温度的升高而加快，引起浮充状态下蓄电池的寿命降低。通常规定在10～30℃的温度范围之外需对浮充电压进行温度修正，按照基准温度设定，温度每上升1℃，浮充电压应下降3mV/个。
一回路220V直流系统铅酸蓄电池室装有冷却通风系统，能够使蓄电池温度维持在10～30℃范围内，因此蓄电池日常浮充运行状态下，不需要对浮充电压进行修正，可以一直以2.25V/只浮充电压充电。
1.3 温度与电解液密度关系
电解液密度随温度变化而变化，温度升高，密度降低。温度降低，密度升高。因此电解液密度应注明温度才算准确，若被测电解液的温度不是25℃时可按下式换算： d25=dt+0.0007（t-25）
式中dt——t℃时硫酸密度（g/cm3）； d25——25℃时硫酸密度（g/cm3）； 0.0007——硫酸密度温度系数。
根据以上公式，计算一回路220V直流系统铅酸蓄电池不同温度t℃时换算成标准温度的蓄电池密度，这样就可以判断浮充状态t℃时蓄电池密度是否在合格范围内，如：一回路220V直流系统铅酸蓄电池浮充状态25℃时合格密度范围为1.24±0.01g/cm3。 1.4 温度与容量关系
铅酸蓄电池的放电容量随温度的升高而升高，当在较高温度下放电时，电解液黏度下降，浓差极化影响减小，导电性能提高，放电容量增加。当温度不为25℃而在10～40℃范围内时，其容量可按下式进行换算：
其中 t——开始放电时电解液的平均温度（℃）； Ct——t℃时的放电容量（Ah）；
C25——标准温度（25℃）时的容量（Ah）； 0.008——10h率放电的容量温度系数。
为了解蓄电池在t℃浮充运行状态下的真实容量，一回路220V蓄电池在核对性充放电试验时，需根据放电时蓄电池电解液平均温度来控制放电时间，如放电时蓄电池电解液平均温度为t℃，则放电80%容量时需放电的时间T，T = 8×[1+ 0.008（t-25）]，这样才能掌握在蓄电池放电到终止电压时，蓄电池容量是否满足设计及运行要求。 1.5 温度与蓄电池寿命关系
温度是蓄电池寿命决定性的参数，当温度每增加10℃时，大部分电化学反应的速率几乎增加一倍，板栅腐蚀和隔板降解等副反应也加倍，蓄电池的期望寿命减半。如果蓄电池不是在25℃下使用，而是在40℃下使用，预计其寿命只有正常使用寿命的四分之一左右。持续高温会缩短蓄电池的寿命；低温又会减少蓄电池容量，因此在充电过程中，电解液温度都不宜超过40℃，在接近40℃时应减小充电电流或采取降温措施。因为温度太高易使正极板活性物质软化而弯曲和负极活性物质松散而减少容量，同时增大了蓄电池的局部放电。若温度升到45℃时应立即停止充电，待温度降到35℃以下再继续充电。所以，在日常维护中一回路蓄电池温度控制在25℃左右，因这一温度是蓄电池的最佳使用寿命温度，对蓄电池的性能和运行都非常有利。 2 铅酸蓄电池的密度控制
2.1铅酸蓄电池中H2SO4反应物控制
铅酸蓄电池电池反应式为：PbO2+2H2SO4+Pb2PbSO4+2H2O，在反应式中H2SO4也是反应物，当电解液体积一定时，增加电解液的浓度，就是增加反应物质，所以在实际使用的电解液浓度范围内，电解液浓度的增加，电池容量也增加，但浓度的提高对负极却不利，放电时的生成物PbSO4在硫酸中的溶解度随硫酸浓度的增加而减小，这样细小的PbSO4晶粒覆盖在铅电极上，形成致密的PbSO4层，促进负极的钝化。且超过一定的限度时，电解液的固有电阻增加，粘度加大，自放电增强，特别在低温放电时，由于受负极的影响，电池容量反而下降。
2.2 铅酸蓄电池电解液液面控制
当由于水份的蒸发、分解或电解液倾倒，使液面降低，露出极板时，很容易引起极板硫酸盐化。因此日常维护中电解液液面应保持正常高度，通常根据蓄电池电解液的实际密度，加高密度电解液或补充蓄电池标准用水至规定的上下液位线之间，使电解液液面高出极板15～20mm。
2.3电解液的最佳密度控制
放电率不同，放电时电解液温度和电解液量的不同，电解液的最适宜密度也就不同。 通常，一回路220V铅酸蓄电池GFD-2000充足电状态下电解液密度为1.24±0.01g/cm3
（25℃）。当浮充状态下，比重不在规定范围内且偏高时，需加入一定量的蓄电池标准用水，加完水后，再用单充机单独对调整的蓄电池以100A电流充1~2小时左右，直至蓄电池密度达到要求。
3 铅酸蓄电池的电压控制 3.1 铅酸蓄电池的浮充电压控制
蓄电池浮充电压的设定是为了满足补偿电池自放电流及析气反应的需要。当铅蓄电池处于浮充状态时，正极处在阳极极化状态，引起正极钝化，使电极电势降低，同时浮充电压若过低使铅蓄电池处于类似静止状态，此时负极就有可能逐渐形成一种粗大坚硬的硫酸铅，使负极形成不可逆硫酸盐化，引起蓄电池容量下降，使电池长期处于充电不足状态。浮充电压过高，又使电池长期处于过充电状态。根据国内外蓄电池厂家的研究发现，蓄电池能保持在最充足电状态下的浮充电压由以下决定：
蓄电池的浮充电压=（电解液比重值+0.85）V+（0.10～0.18）V
根据此公式及沈阳东北蓄电池维护说明书要求，一回路220V铅酸蓄电池，日常维护中蓄电池浮充电压控制在2.23V左右，这样可以将蓄电池的副反应限制在不可避免的最小范围之内，使蓄电池的密度基本保持不变，浮充电流基本保持不变，蓄电池处于一种动态平衡中。但当蓄电池长期处于浮充电状态时，由于电池的差异会产生端电压、电解液密度、容量等不均蘅现象，当某单体电池的端电压最大偏差超过平均端电压50mV时，应及时对该单体电池进行补充电；当某单体电池的端电压为2.18V或更低，而又不是蓄电池高温引起的，则说明蓄电池内部有问题，此时应及时更换。 3.2铅酸蓄电池的终止电压控制
当蓄电池放电至某一电压值后，电压急剧下降时的截止电压称为终止电压，根据放电率的不同，终止电压不同。当用大电流放电时，由于生成的硫酸铅量较少，即使放电到电压相当低时，极板也不会有损害；当用小电流长时间放电时，硫酸铅量明显增加，由铅转化为硫酸铅每安时体积增加0.57×10-3L，二氧化铅转化为硫酸铅每安时体积增加0.43×10-3L，即使放电到电压相当高时，极板也会有损害，并且由于活性物质膨胀产生应力，造成极板弯曲或活性物质脱落，从而影响电池寿命。
放电终止电压除和放电电流有关外，还与极板种类和电池类型有关。固定型蓄电池电解液量较多，放电中电解液密度变化较少，当有很多活性物质转化为硫酸铅时，蓄电池电压变化也不大，这时如果继续放电，就会生成过多的硫酸铅而损坏极板，因此终止电压也相对较高。
日常维护中一回路220V铅酸蓄电池在做核对性充放电试验时，通常用10h率电流放电，此时终止电压为1.80V。 4 铅酸蓄电池的容量判定
通常情况下用蓄电池的额定容量表征电池容量，蓄电池刚出厂时，蓄电池容量一般达不到额定值，但经过几次充放电后，蓄电池容量逐渐达到额定值。日常维护中每隔一到两年需对蓄电池进行一次核对性充放电试验，用于检验维护的实际水平以及蓄电池性能变化的趋势，同时也使蓄电池内的极板有机会进行较全面的电化学反应，防止极板的硫酸盐化。核对性充放电时必须根据蓄电池状况注意以下几点。 4.1放电前的蓄电池组检查控制
蓄电池组在放电前需作一次全部蓄电池的外观检查和力矩紧固（17牛顿·米），检查蓄电池外壳应无破损，渗液；用手电筒照射检查蓄电池内部极板有无弯曲变形或轻微短路；特别需对蓄电池组的连接部分检查有无松动、腐蚀及连接件完好情况。若有腐蚀或松动，则用环氧树脂片、竹片等绝缘体清除腐蚀物，当腐蚀严重时，需解下连接部分，清理干净，涂抹凡士林重新连接或更换新连接铜排。 4.2放电中蓄电池放电电流控制
通常蓄电池额定容量的参数是以10h放电率计算的，故核对性放电电流一般取10h率放电电流。当以高倍率放电时，放电电流大，电流优先分布在离主体电解液最近的表面上，极板表层与周围的硫酸迅速作用，从而在电极的最外表面优先生成PbSO4。PbSO4的体积比Pb和PbO2 大，于是放电产物硫酸铅堵塞多孔电极的孔口，阻挡硫酸进入极板内层与活性物质起电化学作用，电池放电终止电压提前到来，使电池放电提前结束。当以小电流放电时，有利于生成多孔的PbSO4，延缓正极活性物质脱落，提高放电容量。
一回路220V直流系统蓄电池核对性放电电流为120A，放电深度80á0，当放电时间达到8h，或任一电池的电压达到放电终止电压时，停止放电。若核对性试验时，蓄电池组容量低于额定容量80%，则考虑蓄电池的整组更换。
需要特别注意的是放电试验期间，需测量蓄电池负极柱与相邻蓄电池正极柱之间的蓄电池连接件电压降，以防止连接件压降过大造成蓄电池欠充电。当蓄电池连接件测量电压降太大，则用规定力矩值的力矩扳手再紧固，再测量，若还达不到要求，则放完电后解开该蓄电池的连接铜排，对连接部分进行检查处理，重新连接紧固，等充电时再测量该连接铜排电压降是否满足要求。秦山核电厂在以往的蓄电池核对性试验中，一回路直流系统蓄电池连接铜排外观检查、力矩紧固都完好，但测试蓄电池连接件的电压降时，发现比相同连接方式的蓄电池连接件电压降大。于是蓄电池放完电后，解开相应蓄电池连接件铜排检查，发现该连接件铜排内部连接孔处腐蚀已非常严重，最后通过更换铜排消除了安全隐患。
蓄电池放电期间需保持放电电流恒定，传统放电装置实际上是一个大功率电阻，其阻值是固定的，因此随着放电时间增加，蓄电池端电压的下降，其放电电流也随着下降，不能保证放电电流的稳定。秦山核电厂经过市场调研，选购了群菱工业股份有限公司的智能放电装置，实际上相当于一台可变电阻，能够保证蓄电池放电电流的稳定。 4.3充电中蓄电池充电电流控制
蓄电池充电时正、负极板上的PbSO4转化为PbO2和Pb，此时正极PbO2的形成是在多孔的PbSO4上进行，较小的电流密度充电可以获得较致密的PbO2，不易脱落；反之，当用大电流充电时，铅蓄电池的端电压要比采用正常充电电流（指10小时率电流）的端电压高，并且充电终期电流过大，使电解液中水过量分解，产生过量的氢、氧气体，不仅造成电力的浪费，而且由于激烈反应温度升高，会使极板活性物质脱落和使正极弯曲。为防止负极形成一种粗大的难于接受充电的PbSO4结晶，放完电后应及时充电，防止充电不足形成不可逆硫酸盐化；通常蓄电池放电结束后，应尽快充电，放电、充电时间间隔不超过10小时。 一回路220V蓄电池在放电结束后，采用恒流分阶段电流均充方法（脱离直流母线），用100A电流恒流充电，这样可以防止大电流对正极板的冲刷。当蓄电池充电充到具有以下三方面特征时，认为此时蓄电池已充足电。 A、充电末期蓄电池充电电压稳定3h以上不变。 B、充电末期蓄电池的电解液密度稳定3h以上不变。 C、极板上下均发生气泡，电解液呈现乳白色。
蓄电池充满电应尽快停止充电，若不停止充电，仍继续充电，则使正极活性物质遭受气体冲击而脱落，正极板栅合金遭受严重的阳极氧化而腐蚀。 4.4充电后蓄电池组比重调整、检查控制
4.4.1蓄电池充足电后，先测试所有蓄电池的比重，然后根据比重数值进行调整，当比重偏低时，加入一定量的高密度酸液（比重为1.40g/ cm3（25℃））；当比重偏高时，先用吸酸计吸出部分电解液，再加入一定量的蓄电池标准用水。一回路蓄电池组每次调整比重时以100A电流继续充1~2小时左右，如此反复多次，直至所有蓄电池电解液比重在1.24±0.005 g/ cm3（25℃）范围内，并且蓄电池电解液液位与蓄电池槽上所印的最高液面线齐平视为调整合格。
4.4.2调整蓄电池电解液配制时，应先将浓硫酸缓缓注入水中并用耐酸棒不断地充分搅拌均匀，千万不可将水加入浓硫酸内，以免溶液沸腾溅出伤人，配制电解液的容器必须是耐酸的塑料槽、橡胶槽、衬铅皮的木槽或带釉不含铁质的陶瓷缸。
4.4.3蓄电池组充足电后，需对所有蓄电池的蓄电池槽完整性进行检查，即检查蓄电池外壳、蓄电池接缝、蓄电池极柱、蓄电池防酸栓、加液孔盖应无渗漏和变形。清洁蓄电池端盖、连接电缆、接线柱、接线柱周围和电池侧面残液及污物。 5 铅酸蓄电池维护的环境控制 5.1蓄电池室通风排气控制
由于充电后期蓄电池会产生大量的氢、氧气体，气体释放时又会带出大量的酸，产生酸雾，腐蚀设备、危及维护人员的健康；并且当蓄电池室内含氢量超过2%时，易产生爆炸危险。因此在一回路蓄电池做核对性充放电试验中，都应架设临时防爆风机增强通风，及时排除蓄电池产生的气体，防止氢气的积聚（一回路蓄电池室通风条件较差）。一回路220V蓄电池充放电时，蓄电池室临时防爆风机。 5.2保持设计温度控制
一回路220V铅酸蓄电池电解液最适宜温度为25℃，因其额定性能参数通常以此为依据。维持这一温度对蓄电池的最佳寿命、性能和运行都有利，应避免严酷的环境温度，因低温会减少蓄电池的容量，持续高温会缩短蓄电池寿命。一回路蓄电池室内设置一台冷风机组，用于夏季降低蓄电池室环境温度。
5.3加强安全措施控制
一回路220V铅酸蓄电池室及附近放置必要的灭火器材和洗眼器皿等供水设备，以便及时扑灭电气火灾和冲洗掉溅射到人眼的电解液。 6 结束语
秦山核电厂蓄电池的维护分日常的周检和月检以及大修期间的充放电 下转第294页
秦山核电厂直流系统铅酸蓄电池维护与保养
