核電廠交流不間斷供電系統(tǒng)分析及改進(jìn)

李好

【摘 要】交流不間斷電源系統(tǒng)（以下簡稱UPS系統(tǒng)）是穩(wěn)定的、能連續(xù)可靠供電的電源系統(tǒng)，因?yàn)楹穗娬景踩\(yùn)行的重要性，所以核電廠相關(guān)重要的儀表、重要的閥門等負(fù)荷都由UPS系統(tǒng)來供電。本文主要以AP1000和VVER機(jī)組的UPS供電系統(tǒng)作為參考，詳細(xì)描述了UPS的運(yùn)行、故障處理及經(jīng)驗(yàn)反饋。

【關(guān)鍵詞】核電站；UPS；分析探討

1 UPS的逆變裝置

在UPS系統(tǒng)中，逆變裝置是核心部件，實(shí)現(xiàn)直流-交流的轉(zhuǎn)換。在逆變電路中，開關(guān)器件在承受正電壓時關(guān)斷。最初的逆變電路以晶閘管作為開關(guān)器件，由于晶閘管操作的復(fù)雜性，使逆變裝置體積龐大。現(xiàn)在，一般采用全控型自關(guān)斷電力電子器件，如GTO、BJT、IGBT、MOSFET等等。

目前，在逆變裝置中，脈寬調(diào)制（簡稱PWM）控制技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，使用開關(guān)器件一般是IGBT（絕緣柵雙極晶體管）。脈寬調(diào)制就是靠改變觸發(fā)脈沖寬度來控制輸出電壓。觸發(fā)脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化，輸出電壓波形也按正弦規(guī)律變化，叫做正弦脈寬調(diào)制（簡稱SPWM）。目前普遍采用調(diào)制法得到觸發(fā)脈沖，即把正弦波作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常用等腰三角波作為載波，因?yàn)榈妊遣ㄉ舷聦挾扰c高度成線形關(guān)系，且左右對稱，當(dāng)它與任何一個平緩變化的調(diào)制信號波相交時，在交點(diǎn)時刻控制電路中開關(guān)器件的通、斷，就可以得到寬度正比于信號波幅值的脈沖，逆變裝置輸出電壓波形也按正弦規(guī)律變化。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，可改變逆變裝置輸出電壓的大小。

2 系統(tǒng)運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)的故障

2.1 蓄電池壽命無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求

一般我們使用的蓄電池在三年時就會出現(xiàn)嚴(yán)重劣化，使用超過5年的蓄電池很少蓄電池。原因是在使用中對蓄電池沒有有效、合理地進(jìn)行管理以及維護(hù)，造成蓄電池在早期出現(xiàn)劣化，并且沒有及時發(fā)現(xiàn)落后電池，致使劣化積累、加劇，導(dǎo)致蓄電池過早報(bào)廢。

2.2 對蓄電池的運(yùn)行情況、性能狀況不明

蓄電池組中如果有落后的蓄電池，可以通過一定深度的放電、充電循環(huán)，在一定程度上減少落后的差別。但由于沒有良好的管理手段，對于蓄電池內(nèi)部性能參數(shù)，如蓄電池的內(nèi)阻、當(dāng)前的剩余容量，無法十分清楚地了解，所以相應(yīng)的措施就無法實(shí)施。

2.3 對于單體電池而言，充電機(jī)制可靠性需要完善

由于目前國內(nèi)直流系統(tǒng)的充電機(jī)制不是非常的完善，在實(shí)際中存在電壓漂移的情況，蓄電池長期處于浮沖狀態(tài)，如果浮沖電壓偏離正常的范圍，就會造成蓄電池的過充或欠充，長期的過充或欠充對于蓄電池的性能影響非常大。

2.4 單體電池之間不均衡

目前蓄電池組由數(shù)量很多的單體電池組成，實(shí)際運(yùn)行中存在單體電池之之間充電電壓、內(nèi)阻等差異較大的情況，特別是在浮充下，這種不均衡現(xiàn)象顯得非常嚴(yán)重。個別落后電池充電不完全，如果沒有及時發(fā)現(xiàn)并處理，這種落后就會加劇。如此反復(fù)，這種不均衡就加重，致使落后電池失效，從而引起整組蓄電池的容量過早喪失。

2.5 無人值守站點(diǎn)的維護(hù)工作缺乏良好的管理監(jiān)測手段

對于許多無人值守的站點(diǎn)，由于沒有網(wǎng)絡(luò)管理監(jiān)測的手段，對于蓄電池的維護(hù)更加薄弱，特別是對于蓄電池的運(yùn)行情況以及性能狀況，不能清楚的了解。大量的維護(hù)與管理工作由人工進(jìn)行，同時數(shù)據(jù)的整理與分析需要維護(hù)人員有較強(qiáng)的專業(yè)知識。

2.6 蓄電池終止壽命無法提前剎斷以及蓄電池的更換缺乏科學(xué)的依據(jù)

我們對于蓄電池的壽命終止，希望能夠提前作出判斷，為蓄電池的更換贏得時間。但目前對于蓄電池壽命的終止，沒有一個可靠的手段，僅僅根據(jù)多年的經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行。所以在實(shí)際中，往往是蓄電池放電的容量低于最低要求后，才在放電中發(fā)現(xiàn)蓄電池的壽命終止。

3 國內(nèi)核電站UPS設(shè)計(jì)對比

目前國內(nèi)核電站已普遍采用UPS作為其安全相關(guān)負(fù)荷的供電，本文主要以AP1000型機(jī)組的UPS和VVER-1000機(jī)組的UPS設(shè)置進(jìn)行對比，找出各自的不同并加以研究。

3.1 AP1000核電廠UPS運(yùn)行方式

AP1000核電廠中1E 級UPS 系統(tǒng)給電廠儀表、控制、監(jiān)控和電廠啟動、正常運(yùn)行及正?；蚓o急停堆所需重要設(shè)備提供不間斷電源。一旦完全失去廠內(nèi)和廠外交流電源，電池組是電廠需要的UPS 負(fù)載的電力來源，此外，1E 級直UPS 系統(tǒng)給主控室和遠(yuǎn)方停堆工作站的正常和應(yīng)急照明提供電力。主要負(fù)載是保護(hù)和安全監(jiān)控系統(tǒng)。

IDS 在正常的啟動、滿功率運(yùn)行、停堆、換料期間基本是自動運(yùn)行的。當(dāng)廠內(nèi)和廠外交流電源可用時，直流和UPS 系統(tǒng)通過蓄電池充電器為配電設(shè)施提供直流125 V 和交流220 V UPS 電源。蓄電池充電器由廠內(nèi)備用柴油機(jī)做備用電源的電機(jī)控制中心提供380 V 交流電，輸出125V 直流電供給直流母線和對應(yīng)逆變器。逆變器提供交流220 V UPS 輸出電源給儀控母線。IDS 配置了帶有備用充電器的備用蓄電池組。備用充電器從廠內(nèi)備用柴油發(fā)電機(jī)支持的電機(jī)控制中心接受380 V 交流并且給備用的帶保險(xiǎn)絲的轉(zhuǎn)換開關(guān)箱母線和備用終端箱提供125 V 直流輸出電源。如果失去交流電源，蓄電池自動提供電源。當(dāng)交流電源恢復(fù)時，充電器自給負(fù)載提供電力和給蓄電池重新充電。

3.2 VVER核電廠UPS運(yùn)行方式

VVER機(jī)組的UPS主要用于向第一類和第二類負(fù)荷的安全級設(shè)備供電，應(yīng)急供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，與核電廠工藝安全系統(tǒng)的通道劃分相適應(yīng)，按照設(shè)備的組成和執(zhí)行的功能分為4 個互相獨(dú)立的冗余通道，每個通道都能滿足100%安全停堆功能的供電需要，即冗余度為4x100%。

每臺機(jī)組由 12 段400/220V 交流不間斷母線BSA～BSM，其整流器-逆變器分別接在4 段380V 交流應(yīng)急母線上，每臺整流器-逆變器組配有一組蓄電池組。

3.3 UPS運(yùn)行方式優(yōu)缺點(diǎn)分析

通過對兩個電廠UPS運(yùn)行方式的對比我們可以很清晰的看到他們之間的差別，AP1000機(jī)組的UPS主要采用了從直流母線上直接接入逆變器的方式的來將直流電變?yōu)榻涣麟姡鳹VER機(jī)組采用的是充電機(jī)、逆變器組的方式，將上游母線的交流電變化為UPS電源，應(yīng)該說兩種方式是各有利弊的，AP1000機(jī)組UPS采用從直流母線取電的方式能夠最大限度的減少設(shè)備的數(shù)量，節(jié)約投資成本，并且其旁路電源取自備用柴油機(jī)所帶的交流母線，與原取電母線不相關(guān)，且它根據(jù)上游母線蓄電池的放電時間分為了三段母線，可以極大的增強(qiáng)UPS的供電可靠性；而VVER機(jī)組采用整流器、逆變器組的方式，將整流器和逆變器集中在一個箱體內(nèi)，占地面積減少，而且維護(hù)方便，使運(yùn)行維護(hù)人員能很方便的檢查UPS的運(yùn)行狀態(tài)查找故障原因。但由于其主路供電和旁路供電取自同一條母線，所以其供電的可靠性不高，且檢修方式不靈活。

4 UPS系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化措施研究

通過對兩個核電站UPS長期運(yùn)行的跟蹤和研究，我覺得需要從以下幾個方面入手進(jìn)行創(chuàng)新研發(fā)：

4.1 加強(qiáng)對UPS運(yùn)行人員的培訓(xùn)

1）加強(qiáng)對運(yùn)行人員的培訓(xùn)，使其認(rèn)識到蓄電池對于電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要性。加強(qiáng)對蓄電池的巡視，及時發(fā)現(xiàn)問題，及時處理。

2）從硬件上對運(yùn)行人員提供支持?？梢栽诂F(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上增加電池組智能巡檢儀，方便運(yùn)行人員巡視。

4.2 引進(jìn)原理先進(jìn)的充電機(jī)

現(xiàn)有的各電壓等級的充電器常采用浮充的方式，由于充電器運(yùn)行時間比較長，設(shè)備存在一定的老化現(xiàn)象，存在諸如觸點(diǎn)粘合、整定值偏移、實(shí)際電壓輸出值與現(xiàn)場檢測值存在較大偏差等故障，使得現(xiàn)有的充電設(shè)備在一定程度上對機(jī)組的安全運(yùn)行造成威脅。

建議可以使用均浮充自動轉(zhuǎn)換的充電機(jī)，便于對虧電電池快速充電以及維護(hù)。

4.3 開發(fā)先進(jìn)的智能放電設(shè)備

1）采用智能放電設(shè)備，用于檢驗(yàn)蓄電池容量，作為核對性試驗(yàn)時的直流負(fù)荷。由于其可以對蓄電池恒流放電，改變了無法控制放電電流的缺點(diǎn)，保證了蓄電池的良好使用。在機(jī)組檢修、設(shè)備維護(hù)周期內(nèi)，定期對各電壓等級的所有蓄電池進(jìn)行充放電試驗(yàn)，檢測現(xiàn)有蓄電池的健康狀況。

2）蓄電池在進(jìn)入系統(tǒng)工作之前，應(yīng)進(jìn)行細(xì)致的充放電試驗(yàn)，認(rèn)真檢測每一節(jié)電池，以保證蓄電池性能一致。

3）現(xiàn)使用的蓄電池大多是密封鉛酸蓄電池，采用定電壓限流充電新技術(shù)后，確保了蓄電池的使用壽命。

4.4 改變檢測蓄電池容量的手段

采用智能檢測設(shè)備，改變以往只用電表測量輸出電壓的簡單方法。傳統(tǒng)的電池電壓測量方法只是用電表測電池在浮充狀態(tài)下的電池端電壓，實(shí)際上只能知道電池在浮充狀態(tài)下的化學(xué)電勢，即使是一個容量非常小的電池，在浮充狀態(tài)下其端電壓也可能顯示正常，所以通過在浮充狀態(tài)下測量電池電壓來判斷電池好壞的方法不可取。新型裝置不僅可以測量電池電池內(nèi)阻、充放電時電池電流及端電壓的變化，還可以從容量分析判斷電池的性能。

5 結(jié)束語

目前世界各國的核電站安全系統(tǒng)均設(shè)置了UPS供電裝置，它是關(guān)乎核電安全的最后一道防線，如何使UPS系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行是擺在新一代核電運(yùn)行、調(diào)試人員面前的一個重要問題，而使用新一代的核電專用UPS監(jiān)測控制系統(tǒng)，將極大的改善UPS的運(yùn)行環(huán)境，提高核電廠在應(yīng)對多種特殊環(huán)境中的供電可靠性，保證核電廠在嚴(yán)重事故情況下各關(guān)鍵安全系統(tǒng)重要參數(shù)的持續(xù)監(jiān)視，緩解事故的后果，為核電站的事故處理提供可靠的電源保障，保證核電站安全的最終線。