杨亚炬 郭旭亮 王鹏飞
上海核工程研究设计院有限公司 上海 200233
摘要：基于AP/CAP系列核电厂1E级蓄电池在役试验对大型可编程模块化直流负载箱的特殊需求，针对某三代核电设计要求，着重评估测试装置放电电流、单个模块的小型化方便现场使用、可编程及可承受1500A的大电流冲击等方面需求，形成供AP/CAP系列核电厂1E级蓄电池测试使用的大型可编程模块化直流负载箱及相关的辅助监视及数据采集系统的开发研究成果。
关键词：AP/CAP系列核电厂、蓄电池、负荷曲线、测试装置
前言
对于AP/CAP系列核电厂，在厂用电设计基准事故（全厂失去交流电和LOCA两种工况）下，1E级蓄电池组可按照不同设计要求的负荷曲线，满足其带载要求。此外，AP/CAP系列核电厂1E级蓄电池组需为1E级电动阀供电，而电动阀的启动电流较大（1200A以上），这就要求测试装置能够模拟电动阀的启动电流，验证蓄电池组在这段严酷期内的带载能力。
国内大部分核电厂1E级蓄电池的运行时间一般为2h且蓄电池无需为1E级电动阀供电，在蓄电池的测试中，一般只进行C10放电率进行常规的容量试验，没有对蓄电池进行24h或72h事故情况下负荷曲线的在役试验要求。因此，供测试用负载箱承受最大电流为400A左右，对可编程设计也没有特殊要求，不能满足某三代核电工程所需要较大的冲击电流及可编程的需求。
因此，本文从可编程和模块化角度对1E级蓄电池测试装置进行设计研究，以满足AP/CAP系列核电厂1E级蓄电池的测试需要。
一、1E蓄电池测试装置开发研究背景
AP/CAP系列核电厂直流及UPS系统由1E级直流及UPS系统（IDS）和非1E级直流及UPS系统（EDS）组成。直流及UPS系统主要包括蓄电池组、充电器、直流配电装置以及不间断电源等组成。在厂用电发生设计基准事故时，失去交流电源供应，由1E级直流及不间断电源系统（IDS）向电厂相关仪表、控制、监测、其他重要功能所要求的安全级的设备提供电源，1E级蓄电池组可按照不同设计要求的负荷曲线，满足其带载要求。此外，AP/CAP系列核电厂1E级蓄电池组需为1E级电动阀供电，而电动阀的启动电流较大（1200A以上），这就要求试验装置能够模拟电动阀的启动电流，验证蓄电池组在这段严酷期内的带载能力及大电流冲击适用性。
AP1000依托项目现场使用的1E级蓄电池的测试装置及相关工器具均由国外供货，价格昂贵、厂家无技术服务、维护困难；特别是蓄电池容量试验或在役试验，如试验过程中因设备故障等因素导致试验中止，根据设计要求，需待蓄电池各项参数恢复至正常状态，然后浮充电3个月以上，方可再次开展试验，将极大的影响现场调试进度。
本文基于AP/CAP系列项目1E级蓄电池在役试验对大型可编程模块化直流负载箱的特殊需求，针对某三代核电设计要求，着重评估测试仪放电电流、单个模块的小型化方便现场使用、可编程及可承受1500A的大电流冲击等方面需求。参考NB/T 20028.4、IEEE 1188和IEEE Std 450等标准对核电厂蓄电池测试要求，结合AP1000依托项目工程建造阶段调试经验，通过调研总结，详细技术分析，明确1E级蓄电池大型可编程模块化测试装置的功能，设计一套大型可编程模块化直流负载箱及辅助试验装置，形成的相关研究成果应用于AP/CAP系列堆型工程调试，降低对国外设备的依赖性，提升保障服务技术水平，提高调试效率，缩短调试工期。
二、蓄电池测试装置研究的创新点
2.1本测试装置将目前国产直流负载箱的放电电流由700A左右提高至1500A、考虑不同项目设计参数不一致及可能的设计变更，装置可另配一300A的负载模块，即可将最大放大电流提高到1800A@190~285VDC）。
2.2针对AP/CAP系列核电厂蓄电池需为1E级电动阀供电，在全厂失电和 LOCA 两种工况下，均有很多电动阀在第1分钟动作，且电动阀的启动电流较大（1200A以上）, 优化目前国产直流负载箱第1分钟大冲击电流下的适用性。
2.3针对1E级蓄电池安装地点，对大型负载箱进行模块化设计（单个负载模块可自由组合），以满足设备搬运要求，以及不同的负荷曲线（200A~1400A）设计需求。
2.4辅助工器具的设计及优化：蓄电池试验过程中的电流、电压等参数采集及在线监视系统与负载箱控制系统的集成问题等。
三、蓄电池测试装置设计
3.1功能设计
1E蓄电池测试装置主要用于蓄电池容量试验及在役试验，主要通过蓄电池放电电流、放电时间、蓄电池的负荷曲线等数据，计算出电池容量，进而判断电池优劣程度，同时监测放电过程电压、内阻等性能指标，验证蓄电池是否在厂用电设计基准事故下按照负荷曲线放电，满足其带载要求，其主要功能如下：
①最大放电电流1500A，采用模块化设计，测试装置可根据需求自由组合为300A-1500A；
②至少256个蓄电池单体电压和端电压及放电电流的采集及监视功能；
③提供显示和编程输入，当电池组或单体电压过低时，确保每节电池达到设定阈值或安全状态前，自动暂停测试。
3.2硬件设计
硬件部分组成包括电信号采集回路、PLC控制板、电阻阵列、CPU控制板、保护回路、远程通讯电路及供电部分。电阻阵列作为蓄电池放电过程中电能的消耗装置，采用正温度系数陶瓷电阻作为功率元件，可实现恒流放电。CPU控制板主要是通过控制放电路径，确保各电压等级蓄电池安全可靠放电。保护电路实时监测当前运行状况，当出现相应故障时根据保护控制策略做出相应的保护动作。PLC控制板带有64路I/O控制开关，控制直流接触器的闭合实现相应档位负载的加载。
测试过程时，蓄电池接在放电装置的输入端，通过设备内部的电信号采样回路实时采集蓄电池当前的电压并反馈至CPU控制板，通过软件设置相关参数和需要加载的电流并下发至CPU控制板，CPU控制板通过召测电压电流采样回路采集的电压、电流数据，根据电压、电流数据计算所需的电阻阻值，然后控制PLC控制板吸合相应的继电器，实现电阻阵列中相应的电阻的投切，通过电阻阵列中相应电阻的串并联实现CPU所需的电阻值。在测试过程中，不断重复上述过程，实时跟进当前蓄电池电压进行电阻阻值的调整，满足电流加载的要求。
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多台蓄电池测试装置可并机使用，每套蓄电池测试装置最大带载电流300A@285VDC，多台蓄电池测试装置可根据现场使用需要自由组合。蓄电池测试装置满足电压范围DC190V~285V电压范围内，电流均可实现1~300A调节（@DC200V），DC200V以下电流根据实际电压逐步递减。多台蓄电池测试装置连接示意图如图2所示：
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（1）电压电流信号采样回路
采用高精度霍尔传感器实现电流采集、直流电压采用直采方式，电流采样精度和电压采样精度优于0.1%FS。电压电流采样方法将由两部分构成，一是采用磁通门技术的零磁通互感器和高精密分压电路对电池的母线电流电压进行采集，二是选用高精度、低温漂的双A/D采样方案对数据进行抗干扰处理。采用磁通门技术对电池组的母线电流进行采集，优势在于其具有超宽的工作温度范围（-10°C~ +45°C），并在整个温度范围内的精度高达0.1% Ipn，同时其温漂低至100ppm/°C（其中，单位ppm/℃表示电阻的阻值温度系数表征标称值受温度变化影响的程度）；由于零磁通互感器采用母线直接穿入的方式无电能损耗，且内置屏蔽以提高抗外界干扰能力，在很大程度上确保了测量数据的准确性。系统电压电流采集回路原理图如下所示，电压电流强电信号经过信号调理，隔离后直接传至ADC，经过数模转换，将二次信号传送至CPU。
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（2）电阻阵列
电阻阵列由直流接触器和电阻组成，直流接触器采用额定载流量大的元器件，电阻采用铁铬铝合金（0Cr21Al6Nb）电阻带，温漂系数不超过到±（25ppm±5ppm），具备使用温度高，高温可达1400度（传统镍铬合金材料1200℃）、使用寿命长、表面负荷高、抗氧化性能好。满足长时间加载和大功率测试的要求。电阻阵列每套档位设计分为：0.1A、0.2A、0.3A、0.4A、0.5A、1A、2A、3A、4A、5A、10A、20A、30A、40A、40A、50A、50A、100A，总电流合计301A。如下图4所示R1~Rn对应的为相应档位。
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（3）CPU控制板
采用工业级ARM处理器控制技术，内核处理速度达到72MHz，采样率为200ms，内部电路设计加入电源隔离技术，有效的滤掉了电源系统中的不规则波形，防止了谐波对输出信号的干扰，保证了输出信号的精确性。本系统采用ARM内核32位CPU进行数据处理运算，主频速度168MHZ，命令执行最低到可到6ns；确保各命令的执行速度。带有DMA无干预总线，保证数据采集的实时性和通信寄存器读写的实时性。具有256KB闪存和64KB嵌入式SRAM，最大程度的满足了运算数据的内存需求和存储变量需求。144脚丰富的硬件接口配置，满足各控制通信端的应用。
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（4）主控模块
蓄电池测试装置配备便携式主控模块，主控模块带有显示屏、鼠标键盘、电压采集接口、数据转存接口、电流采集接口、负载控制接口等各种接口，内置后备电源在系统断电情况下，在市电断开的情况下，可实现不少于2h后备供电。
（5）远程通讯
负载模块间的控制采用RS485通讯方式，RS485通信电路与外部设备通信交互，可满足多种情况下数据传输。系统采用Modbus-RTU协议，可一对多通信交互数据。负载模块可作为从设备进行工作，设备地址由CPU控制板上的地址码编码开关确定。
（6）散热设计
散热风机与功耗元件之间采用专用的风量引流槽，可将散热风机的有效散热效率提高20%左右，散热孔采用网状出风孔方式以减小风阻。导流槽采用环氧板与功耗元件分隔，可有效将功耗元件的散热与控制部分隔离。
为了方便现场测试使用，蓄电池测试装置底部采用万向脚轮，装置之间采用堆垛形式，导向槽和定位销的使用可保障连接的稳定性，蓄电池测试装置可根据现场使用需要自由组合。设备整体外观如下图6所示：
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3.3软件设计
软件部分需要完成以下几个主要功能：电压测量处理、电流测量处理、数据计算处理、负载加载处理、数据通信等。主程序流程如下图7所示：
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3.4 蓄电池在线监视系统设计
在线监控采用图8分布式在线监控方案，在每一节蓄电池上安装一个监控模块，通过RS485线将监控数据传输到主控制模块，示意图如下。
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蓄电池在线监视系统主要功能如下：
①单体监控模块供电不从单体蓄电池处取电，统一由主控模块供电。
②采用交流放电法+交流注入法两种原理进行蓄电池在线内阻测试。
③模块化设计，除了单体监控采用一拖一方式，组端电压电流也是采用模块化，便于后期维护更换。
④全面的蓄电池参数监控：单体电压、内阻、极柱温度、组端电压、电流。
⑤支持蓄电池组充放电测试记录功能：能自动记录整个放电过程和充电过程。
⑥自动分析和判断各个站点蓄电池组的隐患程度并及时发出警报信息。
四、结论
本文设计与开发了一种蓄电池测试装置，本测试装置能完成AP/CAP系列核电厂大容量蓄电池试验，具备可编程能力，自动化程度高，精度高等优点，并可根据现场调试需求进行模块化组合。特别针对某三代核电 1E级蓄电池测试需求对测试装置的部分参数进行优化，能满足大容量蓄电池的测试要求和对试验全过程的监测和数据采集；可广泛用于各代核电机组、常规电力及新能源项目的蓄电池的测试、维护，具有较高的应用价值和广阔的市场前景。
参考文献
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