关键词：放射性同位素电池；非硅晶光伏板；弱光效用；光伏板
中图分类号：TL81文献标识码：A文章编号：2095-1302（2016）04-00-03
0引言
放射性同位素电池也称为核能电池，是一种将核能转换成电能的装置，同位素电池具有使用时间长、能量比大、环境影响小的特点，可使其适用于一些极端环境下对电力的需求。时至今日，同位素电池已被广泛运用于各领域中，如航天、海底、极地、洞穴等方面，同位素电池能够持续不间断的为电子设备提供稳定的电压。现有核能电池种类主要有放射性衰变物质温差发电类、热粒子发射核能电池类、P-N结同位素电池等。目前同位素电池还存在体积过大、成本过高、放射性污染风险等问题，这也是科技工作者们现在正努力解决的问题。
1微型核电池设计思路具体方案
方案利用射线致荧光伏特效应机制实现，机制的作用过程是：首先利用射线作用于荧光物质激发荧光，然后再由荧光射入光电池中产生光生伏特效应并转换成电能输出。
具体实现过程为，由放射性物质衰变产生高能射线撞击荧光物质激发光。放射性物质和荧光物质均封装在高硼玻璃管中，可以使发光原件防油，防水，防腐蚀及适应温度变化。而辐射则被很好地屏蔽在管内，不会产生危害，稳定性良好，使用寿命长。
工作原理：放射性核素（危害小）荧光物质光能弱光性光伏板电能。
效果：核能电能。
1.1发光原件结构
发光原件结构图如图1所示。放射性同位素装入高硼玻璃管中，玻璃管内壁涂有Y4-B1荧光粉（K-11荧光粉），厚度为0.1～0.15mm，当射线照射到荧光粉时可以激发荧光物质使其产生荧光，Y4-B1荧光粉放出的光色是蓝色频（波长为454nm），封装好的同位素成圆柱体，在圆柱体上端粘有一小块钕合金磁铁，以方便其取出与放入（使用电磁铁就可将其从导光模具中吸出或放入），方便及时更换重复使用。本实验采用的放射物质为氚气，氚辐射线能级较低，平均能量为5.7keV，典型的Beta放射源对光壁内的荧光物质损害较小，氚光管不会对外界产生照射问题[1]，且半衰期较长为12.3年。体积为3mm2×22.5mm×3.14，管内氚气放射性活度为15GBQ，单位造价便宜。管高为22.5mm，外径为3mm，管厚为0.19mm；内壁荧光材料涂层为0.13mm；钕合金磁铁为1mm×1mm×1mm。
1.2发光原件与光伏板结构
将同位素管以3×3阵列方式排列方向竖直插入导光树脂模具中，光伏板结构如图2所示。在模具外部使用光感原件五面密封，使用液态光学胶水（LOCA）粘接光导模件与光伏板，在模板上端由全反射镜面封盖，其中模具内部发光源的插入孔位半径为3.1mm，比发光原件半径略大，可以方便的将发光原件取出放入，有利于电池整体重复利用。导光材料使用纯环氧树脂，一方面其具有高透光率，另一方面树脂材料具有吸收冲击力的效果，这种以透光树脂密封的表面层具有好的耐热性，且吸水率低，即使在潮湿的场合也不析出游离酸。因而防止电池组件在高湿度环境中因透光性随之下降所导致的性能退化[2]。这样既可以减少光能流失又可以提高整体电池的抗冲撞能力，使安全性进一步的提高。光导树脂模具宽为15mm，长为15mm，高为25mm，预留给同位素棒的空洞直径为3.1mm，没有封顶。
1.3电池外部保护与电荷平衡
电池外部由铝合金外壳作为保护，如图3所示。铝合金外壳厚度为1mm，外长为15.1mm，外宽为15.1mm，外高为25.1mm。
由于该试验电池使用的放射性物质为Beta衰变方式的氚气，所发射的射线为高速电子随着时间的推移发光管内部自由电荷逐渐增加，为了平衡内部因同位素衰变产生的不平衡内外电荷，金属外壳与内部光感原件输出正极接通，以释放衰变过程中所产生的电子。其中，同位素不能使用能量级过高的放射性物质（活动过高的放射性元素），可以使用氚，镅等元素，因为其衰变产生的射线容易被屏蔽，氚衰变产生的Beta射线只能在空气中传播几厘米，且在此结构中大部分由荧光素部分吸收，少量由高硼玻璃管壁吸收，不会对外界产生辐射危险。镅是标准的阿尔法放射源，阿尔法射线穿透能力最弱，不能从管中逃逸出来，因此也可以用于此结构。但像钚、钴-60等元素却不能使用，因为其射线能量非常高，穿透力大，此结构不能安全屏蔽射线，过高的能量射线也会使感光元件受损。所以最理想的元素就是氚或镅。表1所列为用于微型核电池的纯β放射源[3，4]。
1.4弱光效应光伏电池的选择
由于该设计中的辐射致光源光强强度较弱，所以考虑到光源强度弱的关系不能采用普通的晶硅或微晶硅类型的光伏板。在弱光条件下无法产生足够的电压来越过硅晶体的能量禁带，这就意味着晶硅型光伏板在此类弱光条件下无法产生电流，因此必须使用非晶硅型光伏电池，非晶硅具有生产技术工艺简单，适应性强，生产成本低的特点[4]。此类光伏电池吸收率较晶硅光伏电池大。即使在弱光条件下也可以产生电流，虽然晶硅型光伏电池在强光下效率很高，但在弱光下非晶硅型光伏板效率反而要高于晶硅型，不同光强效率对比如图4所示。
1.5基本电路连接
五个光伏原件串联，其输出负极接外壳，由于输出电流小，若要驱动其他微电路需要初步储能，由UJT原件产生脉冲电流，蓄能脉冲整流输出如图5所示。蓄能脉冲整流输出结构简单、耐用，可用于有源电子标签，信号标等产品中。还可以运用到射频电子标签中，运用低功耗的射频发射技术在芯片Chartered0.35μmCMOS工艺流片上制造出超低功耗的电子标签，其电源电压范围为1.2～2V，环形振荡器消耗的电流平均约为6.5μA[5，6]。
2新型核电池测试效果
2.1电池输出数据测试
输出电压：九个同位素管下实测为1.04276V；输出电流测量：间接测量使其给一个4.7μF电容充电，在三十秒时电压可到达0.937V，运用RC模型粗略计算其内阻R为59.72MΩ，电流为17.5nA，输出功率为17.9nW。
2.2电池输出数据分析
通过制作小型核能电池，13.5mm×34.9mm×6mm体积大小的核能电池就可以产生1.025V的电压，17.5nA的电流，用于微电子电路可产生功率17.9nW。在实验过程中，九个同位素管下实测为1.04276V。随着氚衰变，输出电压也会下降，如果采用镅元素则电池在200多年后电压才会下降到出厂时的一半。
该设计使同位素电池的体积大大缩小，一个几nW的电池体积如瓶盖般大，同时本设计使用分离同位素的方法，有效减少了辐射溢出，输出电压为1.04V，降低了成品电池的成本。利用新型sc14351光感原件或低价格的放射性同位素氚都可以降低成本。该同位素衰变体与发电装置之间相互隔离，衰变体是独立封存在单独的管子里，当衰变体需要更换时，大部分同位素电池在超过使用年限后都将按危险放射性废物处理，利用可更换的电池结构轻松取出和装入新的衰变体，使电池整体可以重复使用以减少浪费。
测试发现可以通过对放射源以及制作工艺的优化，提高能量转化效率，缩小体积，这说明应用上还需要进一步改善才能达到好的效果。
3前期成果
3.1前期成果
本文介绍的这种核能电池优点在于使用放射性低的元素氚、镅，使得研发变得安全、便宜，且没有了巨大的屏蔽装置，体积减小、重量减轻，可应用于微电子器件中。体积小是此同位素电池的一大亮点，同位素电池的输出功率与其体积成正比，一个几nW的电池体积如瓶盖一般大小，其次成本低，并且可重复使用，但同位素衰变减少后不能重复使用。本设计将同位素衰变体与发电装置之间相互隔离，衰变体独立封存在单独的管子里，当衰变体需要更换时，可轻松的取出并装入新的衰变体。
3.2需改进部分
该电池目前的设计还有很大的改进空间，下一步将进行功率提升的改进，需要更多的稀有同位素，在光导模具中更紧密的组合产生更高的输出功率，测量与计算相关参数并且构架电池的数学模型。我们将设计一款运用此款电池工作的电子模块来作为商业市场调查的基础样品。
4结语
现阶段我们专注于电池整体框架的建立，并且基础工程模型已具有非常好的安全性，与此同时我们也进一步缩小设计使其体积达到13.5mm×34.9mm×6mm，造价相对于现有核能电池要便宜许多，亦有望进入民用化市场。
参考文献
[1]杨海兰，戴军，侯雪莉.氚自发光标志牌轫致辐射特性的实验测定[J].辐射防护，2015（6）：381-384.
[2]片冈一郎，森隆弘，山田聪，等.透光树脂密封的太阳能电池组件：日本，CN1107984C[P].2012-04-11.
[3]郝少昌，卢振明，符晓铭，等.核电池材料及核电池的应用[J].原子核物理评论，2006，23（3）：353-358.
[4]周庆明，吴忠明，何威，等.一种非晶硅光电池的制造方法：中国，CN1741288A[P].2006.
关键词：直流系统；蓄电池组；充电；放电；电力系统；自动控制装置文献标识码：A
中图分类号：TM62文章编号：1009-2374（2015）05-0079-02DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2015.0371
发电厂、变电站内所有的保护装置和自动控制装置基本上都使用直流电源供电。直流系统电源作为变电站、发电厂内继电保护及自动控制装置的主要供电电源，其供电可靠性对电力系统的安全运行起着重要的作用。直流系统主要由直流充电机、蓄电池组和直流馈线三大部分组成。蓄电池组是直流系统的核心组成部分，是直流系统的“心脏”。蓄电池组在直流系统中是支持直流系统正常工作的惟一备用电源，并具有吸收直流系统中高频纹波电流、进行平滑滤波、降低噪声的作用。为了确保变电站、发电厂内直流电源系统供电的可靠性，对于投入运行的蓄电池组，应定期对蓄电池组进行核对性充放电试验，使蓄电池组通过放电充电活化，确保每只电池之间的电压偏差值最小，使蓄电池组运行在最佳状态和保证有较长的使用寿命，且通过充放电试验检验出蓄电池组中是否存在容量不足或内阻变大的蓄电池，而做出相应的处理，从而确保发供电的安全运行。
1蓄电池组充放电的方法介绍
想知道蓄电池组的容量，最可靠的方法就是通过放电试验予以确认。在运行中的变电站进行蓄电池组充放电试验通常采用以下四种方法进行：
试验方法1：直接将直流系统运行中的蓄电池组退出直流系统进行放电，待放出所需要的容量后再将蓄电池组投回直流系统中，通过调节使用直流系统中的充电机对蓄电池组进行充电，从而完成整个充放电试验。
试验方法2：连接一组备用蓄电池组到直流系统中，将需要进行充放电的运行蓄电池组退出直流系统进行充放电试验，待充放电试验完成后投入运行蓄电池组，退出备用蓄电池组。
试验方法3：调节直流系统充电机的输出电压为蓄电池组一半容量时的电压值，通过蓄电池组对直流负荷供电来完成放电。待放电完成后调节充电机对蓄电池组进行充电。
试验方法4：通过使用两个适当容量的二极管分别并接在直流系统蓄电池组的正、负极保险上，然后拉开蓄电池组的输出保险，对蓄电池组进行放电试验，待放电试验完成后投入蓄电池组的输出保险，并拆除所连接的二极管，使用直流系统充电机对蓄电池组进行充电。
2四种蓄电池组充放电方法的分析评估
2.1试验方法1
该方法简单方便，只需试验人员携带一套蓄电池组的放电仪器就可以进行充放电试验，但对于只配置一组蓄电池组的直流系统的运行安全性低，蓄电池组在直流系统中的备用电源作用主要体现在直流系统充电机失效时，能够发挥备用电源的作用为发电厂、变电站内所有的保护装置和自动控制装置继续提供直流电源，保证二次系统的正常运行。当蓄电池组退出直流系统进行充放电试验的期间，变电站附近发生严重短路故障时，会导致站内交流系统电压下降严重，依靠交流电源工作的直流充电机可能会因此而停止工作，使站内保护装置无法动作切除故障，只能依靠上一级保护动作来切除故障，延长了故障的时间，甚至会造成“火烧连营”，增加了故障的损失。因此相关的直流规程也有规定：不允许直流系统无蓄电池组运行。目前对运行中的变电站已经不允许使用这种方法了。但是对于新建的变电站，由于此时站内的直流负荷对直流电源的有无没有要求，在这种情况下可以使用操作简单的试验方法1。
2.2试验方法2
针对方法1中的不安全因素，目前普遍采用先并入一组备用蓄电池组到直流系统中，才将运行中蓄电池组退出进行充放电试验。此方法在蓄电池组退出直流系统进行充放电试验的期间，使用备用蓄电池组代替运行的蓄电池组，如果备用蓄电池组容量足够，则保证了直流系统的安全运行，所以此方法对直流系统的运行安全性高，但是操作起来稍显烦琐及存在风险。每次蓄电池组充放电试验时，试验人员要携带一组备用蓄电池组及便携式充电机，而且将备用蓄电池组并接入直流系统中时，是在运行中的直流系统上进行的，在工作中存在触电、短路、直流系统断电的危险性。通过近几年来对蓄电池充放电试验工作的调查，也发生过由于工作人员的疏忽，在连接备用蓄电池组时，造成备用的蓄电池短路而报废的事情出现。但由于此试验方法对直流系统运行的安全性高，目前珠海供电局基本采用此方法对配置一组蓄电池组的变电站进行充放电试验。
2.3试验方法3
根据DL/724-2000《发电厂变电所蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程》中第6.3.3.a规定：“发电厂或变电所中只有一组电池，不能退出运行，也不能作全核对性放电，只能用I10恒流放出额定容量的50%，电池组端电压不得低于2V×n。”所以对于只有一组蓄电池的变电站进行充放电，只能放出50%的额定容量时，可以采用调节直流系统充电机的输出电压为蓄电池组一半容量时的电压值，作为保护值，由于此时蓄电池组端电压高于充电机的输出电压，所以充电机没有电流输出，处于热备用状态，直流负荷由蓄电池组供电，这时利用直流负荷和外加放电负载对蓄电池组进行50%的容量放电测试。如果蓄电池组容量在80%以上时，蓄电池组放电至额定容量的50%时，其端电压就会下降至充电机所设的输出值附近，该电压值一般约为（1.95～2）V×n之间。待50%的容量放电测试完成后，调节直流系统充电机对蓄电池组充电。使用此方法在放电过程中，当蓄电池组中有失效电池、电压急剧跌落或容量放出50%端电压到达充电机的设定值时，充电机开始输出供电给直流负荷，保证了直流系统的正常运行。或者在蓄电池组放电期间，如果充电机失效无法输出工作，则蓄电池组仍然可以维持直流系统运行。所以此方法在操作方面比较简单，不需要携带备用蓄电池组和便携式充电机，但是在蓄电池组放电过程中，出现充电机失效无法输出工作的同时，蓄电池组由于经过放电容量不足或电池失效端电压无法满足直流负荷工作时，将使变电站内直流系统瘫痪或者出现在放电初期由于蓄电池组容量严重不足，无法继续放电，此时的直流系统相当于无蓄电池组运行，需要马上接入一组能够起到备用电源作用的蓄电池组，才能保证直流系统的可靠运行。因此此试验方法对直流系统的安全运行存在一定的风险。但由于这两种情况出现的几率比较小，所以此方法对比于试验方法1，操作同样简单，但对直流系统的运行安全性是比较高的。
2.4试验方法4
本方法是利用二极管的正向导通、反向截止的特性，将两个二极管分别并接在蓄电池组正、负极输出保险两端，从而实现在蓄电池组放电时仍然可以不退出直流系统起到备用电源的作用，原理接线如图1所示：
图1试验方法4原理接线图
在进行蓄电池组核对性充放电试验时，并接好二极管后，将蓄电池组的输出保险断开，由于蓄电池组的端电压低于充电机电压，充电机无法向蓄电池组进行充电，相当于蓄电池组的充电回路已经被切断，可以使用放电仪器对蓄电池组进行放电试验。在放电期间，如果充电机失效无法输出直流电源，则蓄电池组可以通过二极管向直流负荷继续供电，不影响直流系统的正常运行，起到了备用电源的作用。所以此方法在操作方面也比较简单，不需要携带备用蓄电池组和便携式充电机，但是也存在和试验方法3同样的风险，而且需要在运行中的直流系统蓄电池组输出保险进行并接二极管的工作，因此此方法没有试验方法1、3的操作简单，但是对直流系统的运行安全性也还是比较高的。
3不同配置条件下的直流系统充放电试验方法的使用
3.1配置一套充电机、一组蓄电池组的直流系统
通过以上的分析，在运行的配置一套充电机、一组蓄电池组的直流系统中进行蓄电池组核对性充放电试验的方法，不允许使用安全性不高的试验方法1。对于操作比较简单，安全性也比较高的试验方法3、4，由于对直流系统的安全运行存在一定的风险，所以在运行的配置一套充电机、一组蓄电池组的直流系统中不推荐使用这两种方法。从安全的角度考虑，首选还是采用安全性最高的试验方法2。
3.2配置两套充电机、两组蓄电池组的直流系统
对于采用两套充电机、两组蓄电池组配置的直流系统，可通过切换退出其中一套充电机、一组蓄电池进行充放电试验，保留一套充电机、一组蓄电池在直流系统中。这时可以使用操作最简单的试验方法1进行充放电试验。
4结语
上述介绍了不同的充放电试验方法，均各有所长，对于采用一组蓄电池组配置的变电站，首选使用安全性最高的试验方法2。同时建议直流系统的设计尽量采用“两充两电”的配置，因为这时直流系统失电的风险较低，同时避免了使用备用蓄电池组及便携式充电机的操作烦琐及操作的风险。所以通过提高直流系统的配置，也是一种减少蓄电池组核对性充放电试验风险的方法。
参考文献
关键词：新型多功能蓄电池接线盒
中图分类号：TM912文献标识码：A文章编号：1672-3791（2017）03（b）-0079-02
作为整个直流电源系统为设备网络提供电源保障的最后一道防线，变电站直流系统中的蓄电池组的重要性不言而喻。蓄电池一旦运行维护不到位，会给电网安全稳定运行带来潜在的风险。因为在变电站占用电源造成停电情况下，其极易造成电网事故。为保障电网安全稳定运行，则需要对运行蓄电池组中的单个、多个故障电池或者整组电池进行更换。
1目前常用的蓄电池接线盒存在的问题
（1）接线盒（内部为二极管）在接入蓄电池前需分清正反极，并对待换蓄电池的极性进行人为判断，然后接入，如果接错会造成蓄电池短路（短路直流电流为200～400A，一般电焊机交流电流在120～200A左右），且蓄电池层间空间很低，容易造成直流系统接地，可能引起直流系统电压剧烈波动，导致变电站设备烧损或者保护动作跳闸。
（2）接入后也不能实时反映接入情况，需一人用直流钳一直夹着回路，监视回路电源通断。
（3）在更换整组蓄电池时，并入临时蓄电池组过程中，由于蓄电池熔断器在屏柜下方，与屏柜本置很近，且熔断器接线头较宽，临时蓄电池接线夹在接入时，不能一次夹紧及接入，需反复改变方向试夹，找到最稳定位置，两组电池由于电压差反复接触会出现打火及直流系统电压波动，会对直流系统控制单元、y控原件造成影响及损坏。
（4）由于核容仪接线分为电流电压接线夹，总共4个夹子，在核容时熔断器下方经常不能提供足够位置同时夹住4个夹子，并影响蓄电池组断开。
（5）接线盒正负极出线不用时不能拆除，不方便搬运及保存，电线暴露在外，在搬运时容易压破皮且容易散乱，造成触电及设备风险。
2新型多功能直流蓄电池接线盒的优点
新型多功能直流蓄电池接线盒是针对现有技术的不足，提供的一种设有多个快速接线柱的多功能直流蓄电池接线盒，其可判断接线极性，带有声光报警，还具有电流、电压显示功能。优点总结如下。
（1）降低了工作人员在带电运行设备中检修的风险。
（2）提高工作效率，通过显示屏实时显示电流，减少了一个专门钳电流的人员，降低了人力、物力，实现了工作的高效减负。
（3）在直流系统蓄电池检修过程中，降低了直流负荷变电站自动化及保护设备的运行风险。
3实现新型多功能直流蓄电池接线盒的技术方案
多功能直流蓄电池接线盒，包括接线盒，其内部设有一组测试回路，主通回路，两个并联多头快速接线柱以及显示回路。
测试回路的正负极出线与接线盒的正负极出线并行；还设有声光报警器与测试回路串联。
测试回路的正负极出线与主通回路的正负极出线并行且电气独立。
主通回路的正负极各有两个直流快速接线柱，并在其回路中串入一个电流分流器，增加显示回路与分流器并联。
显示回路与显示屏连接，显示屏对通过主通回路的电流参数进行显示，实时监测在线蓄电池组是否中断工作。
所述两个并联多头快速接线柱，其作用如下。
（1）把屏柜下部总熔断器上端的电源引至接线盒，由于此时接线盒快速接头未并入临时蓄电池，所以，在操作时避免了打火及电压不稳情况。
（2）蓄电池核容时向核容仪提供多个接线柱，满足测试夹子采样。
（3）可以方便拆除接线盒出线，把线路收回放入装置内部，保护接线盒引线，方便搬运。
所述测试回路的功能就是在用主通回路跨接损坏故障蓄电池前，先用测试回路同极性对故障蓄电池两极进行试接，极性接反时，有声光报警，提醒工作人员位置错误。
4硬件详解
新型多功能直流蓄电池接线盒包括接线盒、测试回路、主通回路、显示屏、接线柱、故障蓄电池、核容仪、待核容蓄电池组、临时蓄电池组。结构示意图如图1所示。
5新型多功能直流蓄电池接线盒几种常用使用方法介绍
5.1应用新型多功能直流蓄电池接线盒更换故障蓄电池
故障蓄电池在经测试后，确定为不合格电池，为对运行中的蓄电池进行不停电更换，需对故障蓄电池进行跨接，并保持主回路通路。
作业流程如下。
第一步：确定故障蓄电池前后电池位置。
第二步：为保证跨接障蓄电池前后电池不发生短路，需将障蓄电池前电池正极接至接线盒主通回路的负极，将障蓄电池后电池负极接至接线盒主通回路的正极。
第三步：为防止跨接时接错线，接线前需用测试回路对障蓄电池前后电池待接极柱进行测试。
第四步：通过跨接，隔离出故障电池后拆除，并在作业过程中实时对流过蓄电池组的电流进行实时显示，掌握跨接电路是否正常工作。
5.2应用新型多功能直流蓄电池接线盒对整组待核容蓄电池组进行核容试验
在对110kV变电站进行核容前，需在待核容蓄电池组保险下部负荷侧并联一组同极联接的临时蓄电池组后，拉开熔断器，隔离出待核容蓄电池组，由于熔断器位置狭窄，并靠近屏柜，熔断器体积大小不一导致其下部接触面积小，且周围空间窄，蓄电池核容仪接线夹多，造成接线困难，反复接线过程中容易造成打火，松脱碰及屏柜接地的可能。
作业流程如下。
第一步：采用两根一头为快速接线头，另一头为直流接线夹的直流线，根据极性，快速接线头一侧先接在接线盒内并联多头快速接线柱，接线夹一头接在相应蓄电池熔断器上部。
第二步：从核容仪接线处引至接线盒两根放电电缆及两根测电压电缆，并接于多头接线柱处，达到扩充接线的目的，达到了一次接好、接紧，避免了打火及脱线的可能。
6结语
为提升变电站直流系统蓄电池更换流程水平，提高工作效率，降低安全风险，针对现有的蓄电池接线盒缺点，研制出的新型多功能直流蓄电池接线盒是一种可判断接线极性，带有声光报警，还有电流、电压显示，装有多个快速接线柱的接线盒。此种新型多功能直流蓄电池接线盒可提高工作效率，通过实时显示的电流，实现了工作的高效减负。降低了直流系统蓄电池检修过程中变电站自动化及保护设备的运行风险，保障电网的安全稳定运行。
参考文献