发电厂直流蓄电池选择简析

发电厂直流蓄电池选择简析

郭一堃

（中国电力建设工程咨询中南有限公司湖北武汉430071）

摘要：近年来发电厂直流系统主要采用阀控式密闭铅酸蓄电池和镍镉碱性蓄电池作为电厂直流电源，本文就这两种蓄电池的性能特点进行了综合的比较，为发电厂直流系统蓄电池的选择提供了理论参考。

关键词：铅酸；镍镉；蓄电池

发电厂直流系统主要由蓄电池组、充馈电装置、监控装置组成，在发电厂内形成直流电源供电网络，为断路器、隔离开关、继电保护装置、测控装置、直流照明、UPS不间断电源、通信装置等设备提供可靠的工作电源。在厂用交流电无法正常供电的情况下，直流系统以蓄电池作为后备电源继续为重要设备提供直流电源，所以安全可靠的蓄电池是发电厂安全可靠运行的重要保证。

在改革开放之前，我国直流操作电源普遍采用开口式铅酸蓄电池，而在国外则开始采用镍镉蓄电池。80年代开始后，国内铅酸蓄电池逐步被体积小、效率高、维护少的镉镍蓄电池所取代，而日本、德国、美国等西方发达国家的部分原生产铅酸蓄电池企业，针对镉镍蓄电池的优缺点，不断的改进铅酸蓄电池，推出了免维护铅酸蓄电池，其在使用寿命上，基本与镉镍蓄电池相同，在运行维护上、运输储存上都优于镉镍蓄电池，使得免维护铅酸蓄电池在国外得以广泛应用。进入90年代后，免维护铅酸蓄电池技术引入国内市场，其优点突出，在诸多领域有着相当广泛的应用。

根据《DLT5044-2014电力工程直流电源系统设计技术规程》，蓄电池宜采用阀控式密封铅酸蓄电池，也可采用镍镉碱性蓄电池。下面就阀控式密闭铅酸蓄电池和镍镉碱性蓄电池的之间的选择进行对比分析。

1.蓄电池类型

蓄电池按不同的区分原则有不同的分类方法：按电解液性质分为酸性蓄电池和碱性蓄电池；按密封性分为开口蓄电池和密封蓄电池；按固定方式分为固定式蓄电池和移动式蓄电池等等。

在电厂直流系统中，最常用的蓄电池就是铅酸蓄电池和镉镍蓄电池。常用的铅酸蓄电池主要分为开口式固定铅酸蓄电池（开口式）、防酸隔爆式铅酸蓄电池（半密封）、阀控式密封铅酸蓄电池（全密封，贫液式）和富液式密封铅酸蓄电池（全密封，富液式）等。目前常用的阀控式密封铅酸蓄电池还可以细分为采用玻璃纤维隔膜（AGM密封）的阀控式密封铅酸蓄电池和采用胶体电解液的阀控式密封铅酸蓄电池（胶体密封铅酸蓄电池）。

铅酸蓄电池正极活性物质为二氧化铅，负极活性物质为海绵状铅，当加入稀硫酸后，正极即产生较高电位（约1.69V），而负极则产生较低电位（约-0.358V），正、负极之间的电位差即为蓄电池电动势。放电时，正极二氧化铅和负极海绵状铅都与稀硫酸溶液发生电化学反应，生成硫酸铅。充电时，正极、负极发生与放电时相反的反应过程，分别重新生成二氧化铅和海绵状铅。

镉镍碱性蓄电池是一种使用最广泛的碱性蓄电池。镍镉碱性蓄电池在充电后，正极板活性物质为氢氧化镍[Ni(OH)3]，负极板为镉（Cd）和钾的混合物，电解液为氢氧化钾（KOH）。放电后，正极板活性物质转变为氢氧化亚镍[Ni(OH)2]，负极板的活性物质转变为氢氧化镉[Cd(OH)2]。镍镉碱性蓄电池按照壳体结构型式分为开启式和密封式；按照极板加工方法分为袋式、烧结式（半烧结式）、粘结式；按照放电倍率分为低倍率、中倍率、高倍率和超高倍率；按照电池外形分为圆形、扁形、矩形、方形等。

2．阀控式密封铅酸蓄电池与镉镍蓄电池的性能比较

2.1充放电性能

镉镍蓄电池活性物质可逆充放能力好、反应快而强、内阻小。相比之下，铅酸蓄电池活性物质可逆充放能力差、反应慢而弱、内阻大。镉镍蓄电池初期瞬时放电倍率可达到30倍以上，阀控式密封铅酸蓄电池，初期瞬时放电倍率不超过15倍。

与铅酸蓄电池相比，镉镍电池可耐过充电或过放电，充电方式上可以强充和过充，放电电压平稳，镉镍蓄电池在100%深放电循环寿命能达到1000次以上；而阀控式铅酸蓄电池单体电压升高0．1V，电流将增加10倍，非常容易过充电，充电方法必须采用限流一恒压方法进行，在深放电（不能达到100%）循环寿命为300次左右。

2.2使用寿命

镉镍蓄电池的运行寿命为20年左右，大部分阀控式铅酸蓄电池产品的运行寿命为10年左右，部分国外品牌的产品可以达到10年以上。总的来说，虽然近年来阀控式铅酸蓄电池在材料应用和技术完善上得到了长足的发展，但在电厂正常运行中，镉镍蓄电池实际使用寿命远高于阀控式铅酸蓄电池。

2.3电池容量

阀控式铅酸蓄电池组单组最大容量能达到3000Ah，能满足大多数电厂的使用要求。低倍率镉镍蓄电池组最大容量能达到1000Ah，中倍率镉镍蓄电池组最大容量能达到500Ah，高倍率镉镍蓄电池组最大容量能达到250Ah，镉镍蓄电池可以应用于大多数初期事故放电电流大，经常负荷小的控制专用蓄电池的要求。

阀控式铅酸蓄电池是以10h率放电时所能放出的容量为额定容量。镉镍蓄电池是以5h率放电时所能放出的容量为额定容量。在发电厂、变电所的直流系统设计中，现行标准计算蓄电池的容量是按1h事故停电时间考虑，从蓄电池的计算容量来看，镉镍蓄电池在保证事故放电末期电压满足直流母线电压在允许值范围内所需的容量约等于铅酸蓄电池容量的一半。

2.4温度影响

阀控式铅酸蓄电池温度敏感度高，运行时要求环境温度为15℃~25℃，并在20℃~25℃范围内获得最高寿命，低温下运行寿命长，但容量低；在-15℃时，蓄电池因化学成分发生变化而不充电；工作温度超过25℃时，温度每升高10℃，蓄电池寿命将减少一半。在实际使用中容易有“热失控”现象（比如说温度升高到30度时，化学反应加剧，内阻下降，浮充电流加大，水分解加速，化学反应再次加剧造成电流和温度发生积累性相互增强）。所以说阀控式铅酸蓄电池对环境温度控制要求很高，象在一些寒热带环境内，特殊情况下的温度变化将会对蓄电池带来不可逆的伤害。而相比之下，镉镍蓄电池对环境适应能力高，温度敏感度低，甚至在-20℃时仍能放出70%以上容量，在+45℃时能放出90%容量。

镉镍蓄电池电动势的温度系数是负的，在高温条件下充电（浮充电），蓄电池电动势下降，充电电压不变，对蓄电池的充电电流较大将造成过充电.在低温条件下，蓄电池电动势升高，充电电压不变，充电电流下降，使蓄电池充电不足。镉镍蓄电池充电最适宜的温度为20±5℃。

免维护铅酸蓄电池温度与充电电压的关系：当平均周围温度上升时，必须减少充电电压以防止过量充电。因此温度补偿系数在标准25℃时，每个电池为-3mV，当温度高于标准温度时，最后阶段的电流增加，而温度降低，最后阶段电流减少。

2.5运行维护

阀控式铅酸蓄电池是贫液式设计，若由于各种原因造成单只蓄电池容量不够需更换时，只能一次性全部更换，不能仅把性能指标不够的蓄电池单独更换下来，否则会因蓄电池的内阻不平衡而影响整组电池的发挥，缩短整组电池的使用寿命。镉镍蓄电池可以将有问题的蓄电池撤出运行，在经过对问题蓄电池进行蒸馏水清洗，电解液更换并重新活化后还可以继续投入运行；当然，也可以直接更换掉问题蓄电池单元，而不用整组报废。

阀控式铅酸蓄电池和镉镍蓄电池均能满足免维护和少维护的要求，不会产生腐蚀性气体，正常运行一般不需维护，对布置要求低。

2.6产品价格

镉镍蓄电池一次性投入成本要比阀控式铅酸蓄电池（同容量条件下）昂贵，初始安装的费用约为阀控式铅酸蓄电池的三倍，这一条是目前发电厂在筹建过程中考虑使用铅酸蓄电池的关键因素。但是，如果考虑到在瞬时放电电流大，经常负荷电流小的情况下，镉镍蓄电池的容量选择将小于阀控式铅酸蓄电池；再考虑将整个蓄电池使用周期内相关运行维护费用，镉镍蓄电池的综合使用成本是可以低于阀控式铅酸蓄电池的。

2.7污染

镉镍蓄电池会产生“镉污染”的问题，这也是制约镉镍蓄电池行业成系统大规模发展的一个重要因素。不过，国家由此制定的限制镉镍蓄电池的发展应该只是针对常规使用的小型原柱密封镉镍电池而言，对于大型工业用户，象发电厂和变电站，随着越来越多镉镍蓄电池厂家负担起镉镍蓄电池的回收和再利用等责任，是容易控制和治理相关环境污染问题的。同样，铅酸蓄电池也有相应的“铅污染”的问题。

3.工程应用比较

目前在市场上，AGM密封的阀控式密封铅酸蓄电池（110VDC，进口蓄电池组，蓄电池单体电压取2V）额定容量为200Ah，价格大约为12万元人民币，300Ah的价格大约为15万元；与之性能相当的，中倍率纤维镍极板阀控式密封镉镍电池（110VDC，进口蓄电池组，蓄电池单体电压1.2V）100Ah的价格大约为10万元，120Ah的价格大约为13万元。所以在放电时间控制在1小时以内时、相关直流负荷不算太大时，选择镉镍电池方案的经济性是要高于选择阀控式密封铅酸蓄电池。但如果直流系统的放电时间较长，直流负荷较大时，从经济性上考量，还是选择阀控式密闭铅酸蓄电池更划算。

在发电市场上特别是在国内市场，铅酸蓄电池还是占有大部分的比例，但镉镍蓄电池在具体项目上只要适当限制事故长期放电电流因素，在价格上还是可以与阀控密封蓄电池竞争的，再考虑到镍镉电池本身的性能、寿命等优势，镍镉电池应该可以扩展更多的市场。

4结语

电能的储存和利用永远是一个重要的研究课题，铅酸蓄电池与镉镍蓄电池作为其中的重要组成部分，虽然各有各的优势和缺点，但都是目前电力市场上的主流产品，都具有远大的市场前景。

目前世界上已在铬镍蓄电池的工艺、材料上均进行了更新，并在此基础上研制开发了镍氢、镍银等一系列新型产品，铅酸蓄电池也将向铅炭电池、超级电池等方向发展，可以预见这两个不同系列产品将会向着更高性能、更长寿命、更低成本不断发展。

参考文献

[1]《电力工程直流电源系统设计技术规程》

[2]《电力工程直流系统设计手册(第二版)》