賈后康，段琰璞，倪 爽

(國(guó)核示范電站有限責(zé)任公司，山東威海 264300)

以AP1000 為代表的第三代核電機(jī)組，設(shè)計(jì)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(jī)組在嚴(yán)重事故情況下，不需要任何外電源，緊靠機(jī)組自身蓄電池組能量為必要設(shè)備供電，實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定的停機(jī)，因此蓄電池組在第三代核電技術(shù)中顯得特別重要。在機(jī)組調(diào)試期，需要對(duì)蓄電池組進(jìn)行一系列現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以確保滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。其中有一項(xiàng)性能試驗(yàn)要求：在機(jī)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(guò)蓄電池測(cè)試儀按照電流曲線對(duì)電池組進(jìn)行放電，放電電流最高達(dá)1 500 A。目前國(guó)內(nèi)暫無(wú)如此大功率的測(cè)試儀器，本文從大功率蓄電池測(cè)試儀的工作特點(diǎn)進(jìn)行研究，探索開(kāi)發(fā)途徑。

1 開(kāi)發(fā)方向

大功率蓄電池測(cè)試儀主要解決的技術(shù)問(wèn)題如下：

(1)將目前國(guó)產(chǎn)測(cè)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(guó)產(chǎn)測(cè)試裝置的智能可編程設(shè)計(jì)，以滿足24 h/72 h 的電流曲線。

(2)針對(duì)蓄電池組安裝地點(diǎn)，對(duì)大型測(cè)試裝置進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)(分體可自由組合)，以滿足設(shè)備運(yùn)輸要求，以及不同的負(fù)荷曲線(200～1 500 A)使用需求。

本測(cè)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(tái)額定電流500 A 的模塊化放電裝置組成，3 臺(tái)模塊可獨(dú)立輸出也可并機(jī)輸出，并機(jī)輸出時(shí)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(shí)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(jì)

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(hào)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(hù)[2]，各器件的關(guān)聯(lián)如圖1 所示。

圖1 單個(gè)放電裝置示意圖

放電裝置主要用于蓄電池容量測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中，蓄電池接在放電裝置的輸入端，通過(guò)設(shè)備內(nèi)部的電信號(hào)采樣回路實(shí)時(shí)采集蓄電池當(dāng)前的電壓并反饋至CPU 控制板，通過(guò)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(guò)電壓電流采樣回路實(shí)時(shí)采集的當(dāng)前蓄電池電壓計(jì)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(shí)現(xiàn)電阻陣列中相應(yīng)的電阻的投切，通過(guò)電阻陣列中相應(yīng)電阻的串并聯(lián)實(shí)現(xiàn)CPU 所需的電阻值。不斷重復(fù)上述過(guò)程，實(shí)時(shí)跟進(jìn)當(dāng)前蓄電池電壓進(jìn)行電阻阻值的調(diào)整，滿足電流加載的要求。同時(shí)保護(hù)電路會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前運(yùn)行狀況，當(dāng)出現(xiàn)相應(yīng)故障時(shí)根據(jù)保護(hù)控制策略做出相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。控制供電回路實(shí)現(xiàn)整個(gè)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(jī)最大帶載電流1 500 A，實(shí)物連接如圖2 所示。

圖2 放電裝置測(cè)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(jì)，測(cè)試電裝置應(yīng)滿足以下試驗(yàn)要求。

(1)每套模塊化測(cè)試裝置由多個(gè)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(gè)模塊間采用簧片連接器連接，方便快速地實(shí)現(xiàn)設(shè)備間連線。

(2)測(cè)試裝置配備便攜式主控模塊，采用便攜式拉桿箱設(shè)計(jì)，便攜箱上帶有顯示屏、鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、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(cè)試裝置中的放電模塊可單獨(dú)使用，也可并機(jī)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(cè)試的整個(gè)加載過(guò)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(shí)現(xiàn)1～1 500 A 調(diào)節(jié)，250 V(DC)時(shí)，電流最大可達(dá)到1 500 A，200 V(DC)以下電流根據(jù)實(shí)際電壓逐步遞減。

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

(6)測(cè)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(shí)現(xiàn)充電機(jī)帶載功能測(cè)試，滿足充電機(jī)相關(guān)指標(biāo)測(cè)試功能。

(7)具備充電機(jī)測(cè)試時(shí)充電機(jī)恒壓、恒流、恒阻的測(cè)試運(yùn)行模式[4]，實(shí)現(xiàn)充電機(jī)測(cè)試。

(8)控制電流上升時(shí)間不大于2 s。

(9)具備蓄電池容量測(cè)試功能，可實(shí)現(xiàn)蓄電池帶載容量測(cè)試。

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

(11)設(shè)備具備編程分段加載功能，可通過(guò)上位機(jī)軟件編輯程序，設(shè)備根據(jù)加載程序自動(dòng)執(zhí)行，可實(shí)現(xiàn)不小于40 個(gè)加載檔位的編輯功能，每個(gè)加載工步加載時(shí)間不小于20 s，可對(duì)加載電流、加載時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

(12)帶有加載過(guò)程中數(shù)據(jù)顯示功能，顯示方式采用上位機(jī)軟件顯示，可顯示啟動(dòng)時(shí)間、加載波段運(yùn)行狀態(tài)、加載運(yùn)行狀態(tài)、加載時(shí)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(shí)不產(chǎn)生紅熱現(xiàn)象，出風(fēng)口溫度控制小于80 ℃(1 m處)。

(14)開(kāi)機(jī)自檢功能：開(kāi)機(jī)自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備工作狀態(tài)是否正常，保證測(cè)試過(guò)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(bào)功能及自動(dòng)保護(hù)功能，控制回路過(guò)欠壓保護(hù)、過(guò)溫、過(guò)欠壓、短路、過(guò)載、軟件保護(hù)等。

(17)帶有電壓、電流校準(zhǔn)功能，可保證長(zhǎng)時(shí)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(shí)現(xiàn)停機(jī)控制功能。

(19)帶有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，并可設(shè)置存儲(chǔ)間隔時(shí)間，間隔時(shí)間可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，具備離線存儲(chǔ)測(cè)試的要求。

(20)數(shù)據(jù)測(cè)試完成后，具備自動(dòng)分析功能，測(cè)試完成后可生成的參數(shù)記錄通過(guò)表格Excel、曲線圖片等文檔形式輸出形成測(cè)試報(bào)告，直觀展現(xiàn)整個(gè)加載過(guò)程。

4 可編程測(cè)試裝置布局與組合設(shè)計(jì)

4.1 機(jī)箱外觀設(shè)計(jì)

裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)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(shí)際尺寸為準(zhǔn))，箱體帶有方便搬運(yùn)的把手和腳輪；裝置安裝柜體采用高強(qiáng)度鋁型材，厚度2～4 mm，每個(gè)模塊總質(zhì)量控制在60 kg左右。

機(jī)箱結(jié)構(gòu)如圖3 所示，整體承重采用高強(qiáng)度鋁材，整體散熱方式采用前進(jìn)風(fēng)，后出風(fēng)樣式，機(jī)箱兩側(cè)各帶有2 個(gè)搬運(yùn)的把手。頂部帶有四個(gè)定位銷(xiāo)和腳輪的定位孔，頂部帶有兩個(gè)導(dǎo)向槽，方便設(shè)備定位和移動(dòng)。從機(jī)頂部帶有快插連接器，實(shí)現(xiàn)主從機(jī)之間通訊、系統(tǒng)供電、主回路等的要求。

圖3 機(jī)箱結(jié)構(gòu)平面視圖

4.2 快插連接器設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)自閉鎖并固定，拔插次數(shù)＞100 000 次，具備低溫升、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)。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(biāo)準(zhǔn)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(jí)蓄電池組均有獨(dú)立的蓄電池在線監(jiān)視系統(tǒng)，因機(jī)組調(diào)試工期原因，獨(dú)立的蓄電池在線監(jiān)視系統(tǒng)無(wú)法按期投用，因此為完成蓄電池組容量試驗(yàn)，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(jì)

(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(duì)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(jìn)行蓄電池在線內(nèi)阻測(cè)試，保證在紋波很強(qiáng)的環(huán)境下仍然可以準(zhǔn)確測(cè)試出蓄電池的內(nèi)阻。

(3)支持單體模塊自動(dòng)編號(hào)功能，在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)無(wú)需區(qū)分模塊編號(hào)，直接安裝上去后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行編號(hào)，可大大節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)安裝工作量，同時(shí)也便于后期維護(hù)更換。

(4)模塊化設(shè)計(jì)，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(hù)更換。

(5)全面的蓄電池參數(shù)監(jiān)控[5]：?jiǎn)误w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(jì)，所有的監(jiān)控參數(shù)精度滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

(7)通過(guò)TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)，后臺(tái)分析管理軟件能夠采集并存儲(chǔ)大量的站點(diǎn)數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包括：站點(diǎn)信息(含地點(diǎn)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(cè)試記錄功能：只要蓄電池組對(duì)外放電，能自動(dòng)記錄整個(gè)放電過(guò)程和充電過(guò)程，自動(dòng)將測(cè)試數(shù)據(jù)保存在主控模塊上?？赏ㄟ^(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程獲取主控模塊上的放電數(shù)據(jù)，在專用的測(cè)試數(shù)據(jù)解析軟件上進(jìn)行分析查看并記錄。

(9)自動(dòng)分析和判斷各個(gè)站點(diǎn)蓄電池組的隱患程度并及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息，同時(shí)將報(bào)警事件備案存儲(chǔ)，以備查詢和導(dǎo)出。

(10)對(duì)上傳的各個(gè)站點(diǎn)蓄電池組數(shù)據(jù)的綜合分析處理，自動(dòng)顯示和分析各組蓄電池組的運(yùn)行參數(shù)，自動(dòng)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(kāi)發(fā)，如專業(yè)化報(bào)表等。

5.2 安裝設(shè)計(jì)

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(gè)檢測(cè)模塊，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫畔⑻幚砟K，然后通過(guò)RJ45 或RS485 接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂芇C 端，利用軟件實(shí)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(yǔ)

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