大容量蓄電池測試儀的開發(fā)研究

賈后康，段琰璞，倪 爽

(國核示范電站有限責任公司，山東威海 264300)

以AP1000 為代表的第三代核電機組，設(shè)計了很多大容量的鉛酸蓄電池組，每組蓄電池的端電壓為220～250 V，容量3 300～4 600 Ah 不等。機組在嚴重事故情況下，不需要任何外電源，緊靠機組自身蓄電池組能量為必要設(shè)備供電，實現(xiàn)安全穩(wěn)定的停機，因此蓄電池組在第三代核電技術(shù)中顯得特別重要。在機組調(diào)試期，需要對蓄電池組進行一系列現(xiàn)場試驗，以確保滿足設(shè)計標準。其中有一項性能試驗要求：在機組喪失外電源的情況下，繪制所有設(shè)備每分鐘的最大電流，形成24 h/72 h 的電流曲線，通過蓄電池測試儀按照電流曲線對電池組進行放電，放電電流最高達1 500 A。目前國內(nèi)暫無如此大功率的測試儀器，本文從大功率蓄電池測試儀的工作特點進行研究，探索開發(fā)途徑。

1 開發(fā)方向

大功率蓄電池測試儀主要解決的技術(shù)問題如下：

(1)將目前國產(chǎn)測試裝置的放電電流由700 A 左右提高至1 500 A，優(yōu)化目前國產(chǎn)測試裝置的智能可編程設(shè)計，以滿足24 h/72 h 的電流曲線。

(2)針對蓄電池組安裝地點，對大型測試裝置進行模塊化設(shè)計(分體可自由組合)，以滿足設(shè)備運輸要求，以及不同的負荷曲線(200～1 500 A)使用需求。

本測試儀主要由可編程模塊化直流放電裝置、蓄電池在線監(jiān)視系統(tǒng)兩部分組成。

(1)可編程直流放電裝置[1]：由3 臺額定電流500 A 的模塊化放電裝置組成，3 臺模塊可獨立輸出也可并機輸出，并機輸出時最大帶載電流為：1 500 A@DC 285 V。

(2)蓄電池在線監(jiān)視系統(tǒng)：可實現(xiàn)256 節(jié)蓄電池電壓參數(shù)的采集。

2 可編程直流放電裝置控制設(shè)計

可編程直流放電裝置主要由控制箱、電阻箱、操作PC 組成，其中控制箱包括電信號采集回路和CPU 控制板組，電阻箱包括PLC 控制板、電阻陣列和電氣保護[2]，各器件的關(guān)聯(lián)如圖1 所示。

圖1 單個放電裝置示意圖

放電裝置主要用于蓄電池容量測試。測試過程中，蓄電池接在放電裝置的輸入端，通過設(shè)備內(nèi)部的電信號采樣回路實時采集蓄電池當前的電壓并反饋至CPU 控制板，通過軟件設(shè)置相關(guān)參數(shù)和需要加載的電流并下發(fā)至CPU 控制板。CPU 控制板通過電壓電流采樣回路實時采集的當前蓄電池電壓計算所需的電阻阻值，然后控制PLC 控制板吸合相應(yīng)的繼電器[3]，實現(xiàn)電阻陣列中相應(yīng)的電阻的投切，通過電阻陣列中相應(yīng)電阻的串并聯(lián)實現(xiàn)CPU 所需的電阻值。不斷重復(fù)上述過程，實時跟進當前蓄電池電壓進行電阻阻值的調(diào)整，滿足電流加載的要求。同時保護電路會實時監(jiān)測當前運行狀況，當出現(xiàn)相應(yīng)故障時根據(jù)保護控制策略做出相應(yīng)的保護動作?？刂乒╇娀芈穼崿F(xiàn)整個系統(tǒng)的控制供電要求。

設(shè)備由3 套放電裝置組成，每套放電裝置最大帶載電流500 A，3 套并機最大帶載電流1 500 A，實物連接如圖2 所示。

圖2 放電裝置測試系統(tǒng)連接示意圖

3 控制功能要求

根據(jù)三代核電蓄電池組的設(shè)計，測試電裝置應(yīng)滿足以下試驗要求。

(1)每套模塊化測試裝置由多個放電模塊組成，放電模塊間回路連線采用額定電流不小于500 A 的快插，每個模塊間采用簧片連接器連接，方便快速地實現(xiàn)設(shè)備間連線。

(2)測試裝置配備便攜式主控模塊，采用便攜式拉桿箱設(shè)計，便攜箱上帶有顯示屏、鼠標、鍵盤、電壓采集接口、電流采集接口、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存接口、放電控制接口等各種接口，并帶有便于設(shè)備收放線的收納盒，可存放電流傳感器、電壓采集線、通訊線線、電源線等必備配件。

(3)每套測試裝置中的放電模塊可單獨使用，也可并機使用，采用主從控制模式，保證在設(shè)備中任意模塊出現(xiàn)故障不影響測試的整個加載過程。

(4)接入電壓范圍190～285 V(DC)，電流設(shè)定/加載范圍1～1 500 A。設(shè)備滿足190～285 V(DC)電壓范圍內(nèi)，電流均可實現(xiàn)1～1 500 A 調(diào)節(jié)，250 V(DC)時，電流最大可達到1 500 A，200 V(DC)以下電流根據(jù)實際電壓逐步遞減。

(5)具備蓄電池帶載工況模擬功能，可實現(xiàn)蓄電池帶載直流負荷電流工況的模擬功能。

(6)測試裝置具備蓄電池充電工況的模擬功能，可滿足充電器帶載工況模擬，實現(xiàn)充電機帶載功能測試，滿足充電機相關(guān)指標測試功能。

(7)具備充電機測試時充電機恒壓、恒流、恒阻的測試運行模式[4]，實現(xiàn)充電機測試。

(8)控制電流上升時間不大于2 s。

(9)具備蓄電池容量測試功能，可實現(xiàn)蓄電池帶載容量測試。

(10)具備蓄電池工況模擬功能，不會因測試裝置調(diào)整影響充電機輸出。

(11)設(shè)備具備編程分段加載功能，可通過上位機軟件編輯程序，設(shè)備根據(jù)加載程序自動執(zhí)行，可實現(xiàn)不小于40 個加載檔位的編輯功能，每個加載工步加載時間不小于20 s，可對加載電流、加載時間等參數(shù)進行設(shè)定。

(12)帶有加載過程中數(shù)據(jù)顯示功能，顯示方式采用上位機軟件顯示，可顯示啟動時間、加載波段運行狀態(tài)、加載運行狀態(tài)、加載時間、加載電流(電壓、功率)等參數(shù)。

(13)電阻箱功耗元件采用高效能合金材料，符合UL 安全規(guī)格，放電時不產(chǎn)生紅熱現(xiàn)象，出風口溫度控制小于80 ℃(1 m處)。

(14)開機自檢功能：開機自動檢測設(shè)備工作狀態(tài)是否正常，保證測試過程安全性。

(15)能直觀顯示，具備電源、加載、故障指示功能。

(16)具備安全警報功能及自動保護功能，控制回路過欠壓保護、過溫、過欠壓、短路、過載、軟件保護等。

(17)帶有電壓、電流校準功能，可保證長時間加載電壓電流精度。

(18)帶有外控接口，可配合其他設(shè)備實現(xiàn)停機控制功能。

(19)帶有數(shù)據(jù)存儲功能，并可設(shè)置存儲間隔時間，間隔時間可調(diào)，可實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)存儲，具備離線存儲測試的要求。

(20)數(shù)據(jù)測試完成后，具備自動分析功能，測試完成后可生成的參數(shù)記錄通過表格Excel、曲線圖片等文檔形式輸出形成測試報告，直觀展現(xiàn)整個加載過程。

4 可編程測試裝置布局與組合設(shè)計

4.1 機箱外觀設(shè)計

裝置采用模塊化設(shè)計，每個模塊箱體整體不帶腳輪外形尺寸600 mm (W)×500 mm (D)×450 mm (H) (以實際尺寸為準)，箱體帶有方便搬運的把手和腳輪；裝置安裝柜體采用高強度鋁型材，厚度2～4 mm，每個模塊總質(zhì)量控制在60 kg左右。

機箱結(jié)構(gòu)如圖3 所示，整體承重采用高強度鋁材，整體散熱方式采用前進風，后出風樣式，機箱兩側(cè)各帶有2 個搬運的把手。頂部帶有四個定位銷和腳輪的定位孔，頂部帶有兩個導(dǎo)向槽，方便設(shè)備定位和移動。從機頂部帶有快插連接器，實現(xiàn)主從機之間通訊、系統(tǒng)供電、主回路等的要求。

圖3 機箱結(jié)構(gòu)平面視圖

4.2 快插連接器設(shè)計

電阻箱之間控制、供電、主回路均采用快插連接器連接(圖4)，其中主回路連接采用載流量不小于600 A 的連接器連接，連接器間連接電阻小于100 mΩ，連接器可以實現(xiàn)自閉鎖并固定，拔插次數(shù)＞100 000 次，具備低溫升、長壽命等特點。與電阻箱功耗元件連接采用連接銅排轉(zhuǎn)接后，根據(jù)不同的檔位采用銅芯聚氯乙烯絕緣軟電纜連接，電纜適用于交流額定450 V/750 V 及以下或直流1 kV 以下電氣設(shè)備間連接，執(zhí)行標準滿足GB5023-1997、JB8734.2-1998、Q/JBRE37-2001 使用特性：電纜的額定電壓(相電壓/線電壓)為450 V/750 V 的相關(guān)規(guī)定。

圖4 快插連接器

5 蓄電池在線監(jiān)視系統(tǒng)

一般核電廠用核級蓄電池組均有獨立的蓄電池在線監(jiān)視系統(tǒng)，因機組調(diào)試工期原因，獨立的蓄電池在線監(jiān)視系統(tǒng)無法按期投用，因此為完成蓄電池組容量試驗，必須使用外部的蓄電池在線監(jiān)視系統(tǒng)。

5.1 功能設(shè)計

(1)單體監(jiān)控模塊供電不從單體蓄電池處取電，統(tǒng)一由主控模塊供電。避免因從蓄電池取電對蓄電池造成傷害。

(2)采用交流放電法+交流注入法兩種原理進行蓄電池在線內(nèi)阻測試，保證在紋波很強的環(huán)境下仍然可以準確測試出蓄電池的內(nèi)阻。

(3)支持單體模塊自動編號功能，在現(xiàn)場安裝時無需區(qū)分模塊編號，直接安裝上去后，系統(tǒng)自動進行編號，可大大節(jié)省現(xiàn)場安裝工作量，同時也便于后期維護更換。

(4)模塊化設(shè)計，除了單體監(jiān)控采用一拖一方式，組端電壓電流也是采用模塊化，便于后期維護更換。

(5)全面的蓄電池參數(shù)監(jiān)控[5]：單體電壓、內(nèi)阻、極柱溫度、組端電壓、電流、紋波電壓、紋波電流等。

(6)高精度設(shè)計，所有的監(jiān)控參數(shù)精度滿足行業(yè)標準要求。

(7)通過TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)，后臺分析管理軟件能夠采集并存儲大量的站點數(shù)據(jù)。存儲的數(shù)據(jù)包括：站點信息(含地點信息、主控信息和電池組信息)、告警信息、內(nèi)阻數(shù)據(jù)、放電數(shù)據(jù)、充電數(shù)據(jù)。

(8)支持蓄電池組充放電測試記錄功能：只要蓄電池組對外放電，能自動記錄整個放電過程和充電過程，自動將測試數(shù)據(jù)保存在主控模塊上?？赏ㄟ^網(wǎng)絡(luò)遠程獲取主控模塊上的放電數(shù)據(jù)，在專用的測試數(shù)據(jù)解析軟件上進行分析查看并記錄。

(9)自動分析和判斷各個站點蓄電池組的隱患程度并及時發(fā)出警報信息，同時將報警事件備案存儲，以備查詢和導(dǎo)出。

(10)對上傳的各個站點蓄電池組數(shù)據(jù)的綜合分析處理，自動顯示和分析各組蓄電池組的運行參數(shù)，自動繪出放電數(shù)據(jù)曲線等各種圖表。

(11)系統(tǒng)數(shù)據(jù)支持Word、Excel、PDF 等格式導(dǎo)出，數(shù)據(jù)以多種形式展示，包括表格、曲線、柱狀圖等；支持各種定制化功能開發(fā)，如專業(yè)化報表等。

5.2 安裝設(shè)計

在線監(jiān)控采用圖5 所示的分布式在線監(jiān)控方案，在每4節(jié)蓄電池上安裝一個檢測模塊，通過無線網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫畔⑻幚砟K，然后通過RJ45 或RS485 接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂芇C 端，利用軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)查閱。

圖5 監(jiān)視系統(tǒng)安裝示意圖

6 結(jié)束語

本測試儀能完成第三代核電機組大容量蓄電池試驗，具備可編程能力和自動化水平，整個過程不需要人員干預(yù)，測試精度高，可根據(jù)測試負荷隨意組合，擺脫了場地限制?？蓮V泛用于各代核電機組的蓄電池的測試、維護，也可用于通信行業(yè)的蓄電池測試，具有較高的應(yīng)用價值和較好的市場前景。