福清核電核島UPS電源系統(tǒng)的故障分析和處理

(福建福清核電有限公司，福建 福清 350300)

福清核電核島UPS系統(tǒng)，又稱220 V交流重要不間斷電源系統(tǒng)LNA、LNB、LNC和LND，由充電器、蓄電池、逆變器、旁路調(diào)壓器、靜態(tài)開關(guān)EA/N及電纜連接件組成。在3號機(jī)組運(yùn)行期間該系統(tǒng)曾出現(xiàn)1次P007卡件和多次旁路N1控制器失效等故障，觸發(fā)非計(jì)劃I0等重大隱患，對機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行造成影響，本文針對此種情況，深入分析UPS設(shè)備故障原因，并提出優(yōu)化措施，為后續(xù)類似問題的處理提供經(jīng)驗(yàn)。

1 概 述

1.1 核島UPS重要性

核島UPS設(shè)備主要任務(wù)是產(chǎn)生和分配220 V交流不間斷電源，給反應(yīng)堆四個(gè)保護(hù)組供電，同時(shí)也給反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)專用傳感器和相關(guān)的記錄儀表等供電，如果LNA、LNB、LNC和LND四個(gè)電源系統(tǒng)其中任意一個(gè)系統(tǒng)失電，則相應(yīng)的保護(hù)通道儀表失去電源，此時(shí)若出現(xiàn)另一系統(tǒng)電源故障失電疊加，將導(dǎo)致停機(jī)停堆事件。

1.2 運(yùn)行特性

如圖1所示，正常情況下市電有效，蓄電池通過充電器保持浮充狀態(tài)，逆變器由充電器供電，輸出是通過靜態(tài)開關(guān)EA連接到負(fù)載，蓄電池和旁路作冗余備用電源；當(dāng)充電器市電故障時(shí)，逆變器由蓄電池供電；當(dāng)市電恢復(fù)供電后，蓄電池再由充電器補(bǔ)充電；當(dāng)在過載和逆變器輸出故障情況下，靜態(tài)開關(guān)把負(fù)載不間斷地切到旁路，切換是由靜態(tài)開關(guān)EA/EN來完成的。

圖1 核島UPS原理圖Fig.1 Schematic of the UPS of nuclear island

1.3 兩個(gè)典型故障分析

根據(jù)核島UPS的運(yùn)行特性，分析P007卡件故障和多次旁路N1控制器失效的故障原因。

2 針對P007損壞問題總體分析及處理

2.1 問題描述

2016年9月25—26日，3號機(jī)組于出現(xiàn)3 LNA505KA：101DL故障報(bào)警，2 min后出現(xiàn)蓄電池開始放電報(bào)警，隨后運(yùn)行人員按照操作票將LNA切至旁路供電，主控出現(xiàn)“110 V直流接地故障”報(bào)警。就地檢查UPS內(nèi)部記錄故障信息具體如表1所示。

表1 UPS內(nèi)部記錄故障信息Table 1 Internal record fault information of the UPS

故障序號No.故障名稱Alarm時(shí)間及日期Date and Time備注Remark43:Output inst out of tol-erance16.09.25;21.53.4844:Output is out of toler-ance16.09.25;21.53.4854:Fan fault16.09.25;21.53.4812:CB03 current warning16.09.25;21.53.4853:CB03 current shutdown16.09.25;21.53.490 ︳OFF button pushed16.09.25;21.53.5036:Low DC warning16.09.25;21.57.5237:Low DC shutdown16.09.25;21.53.5455:Fault in int power supply16.09.25;21.58.0051:Synchronization error16.09.25;21.59.0718:Bypass is out of tolerance16.09.25;21.59.07

2.2 原因分析及處理

分析2.1節(jié)中各故障信息的因果邏輯關(guān)系，結(jié)合故障樹的分析方法，繪圖如2所示。

圖2 故障樹圖Fig.2 The fault tree

如圖2所示，導(dǎo)致“3 LNA505KA UPS故障報(bào)警”的底事件為：接地繼電器A014動作、110 V直流真實(shí)接地故障、互感器P007故障、充電器輸出過流(電流超出額定電流值)、充電器關(guān)機(jī)、繼電器A200動作。

(1)“直流110 V接地故障”導(dǎo)致UPS故障報(bào)警分析

繼電器A014為接地故障檢測繼電器，通過對該繼電器測試無異常，檢查蓄電池?zé)o漏液、接地跡象。查看主控報(bào)警信息時(shí)間序列，此報(bào)警是在UPS切換至旁路運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)，因此確認(rèn)，導(dǎo)致主控出現(xiàn)110 V直流接地報(bào)警的原因?yàn)椋喝藶椴僮鱑PS設(shè)備至旁路引起，屬于正常觸發(fā)報(bào)警。

(2)“蓄電池開始放電報(bào)警” 導(dǎo)致UPS故障報(bào)警分析

繼電器A200為蓄電池放電電流檢測節(jié)繼電器，對A200卡件進(jìn)行校驗(yàn)無異常。檢查確認(rèn)充電器正常，無充電器關(guān)機(jī)信息。充電器限流檢查，檢查UPS記錄有DC CURRENT LIMIT限流報(bào)警。

通過分析，認(rèn)為觸發(fā)“蓄電池開始放電報(bào)警”是由于繼電器A200動作導(dǎo)致，至于蓄電池放電的原因，需與直流限流進(jìn)一步檢查和分析。

(3) “DC CURRENT LIMIT直流限流報(bào)警” 導(dǎo)致UPS故障報(bào)警分析

充電器直流限流功能原理介紹：

1)在充電器的輸出電纜穿過一個(gè)限流CT(譬如P007)，當(dāng)CT檢測到充電器所帶的負(fù)荷電流IOVERLOAD超過限流設(shè)定值IDC時(shí)，如圖3所示，充電器將進(jìn)入限流狀態(tài)，為了降低電流，通過調(diào)整充電裝置的輸出電壓下降；同時(shí)限流功能超過5 s，UPS將觸發(fā)“DC current limit”報(bào)警。

2)當(dāng)CT檢查到充電器所帶的負(fù)荷電流IOVERLOAD嚴(yán)重超過限流設(shè)定值IDC時(shí)，充電器將可能因調(diào)整電壓過低或無法限流而關(guān)機(jī)。

圖3 輸出電流超限Fig.3 Exceeding the limit of output current

根據(jù)以上充電器限流原理，檢查充電器輸出電壓、電流，蓄電池電壓、電流無異常。檢測互感器POO7檢查，如圖4所示，操作按5鍵查看蓄電池電流為0 A，按5+ 查看充電器輸出電流顯示253 A，此時(shí)充電器和蓄電池均未帶負(fù)載，應(yīng)顯示電流0 A，與實(shí)際情況不符，確認(rèn)故障與檢測總直流電流的互感器P007有關(guān)。

圖4 電流顯示Fig.4 Current display

如圖5所示，進(jìn)一步對P007進(jìn)行核實(shí)，使用鉗形電流表測量充電器的輸出電流，實(shí)際只有0.3 A。斷開直流互感器P007端子，此時(shí)查看面板總直流電流顯示0 A，直流限流告警信息也消除，按開機(jī)鍵可以正常開機(jī)，從而確認(rèn)直流電流互感器P007故障。

圖5 鉗形表測量電流Fig.5 Measuring the current by the clamp meter

更換新直流互感器P007(0P6281A)，啟動UPS后，查看面板顯示信息正常，如表2所示。

表2 直流互感器面板顯示信息Table 2 Panel display information

結(jié)論：通過故障樹圖中的各底事件分析，確認(rèn)出現(xiàn)UPS故障報(bào)警的原因?yàn)橹绷骰ジ衅鱌007損壞，從而使P007檢測到虛擬的直流電流253 A(實(shí)際電流26 A)，超過充電器限流設(shè)定值200 A，引起限流功能動作，觸發(fā)DC CURRENT LIMIT告警，導(dǎo)致主控“101DL故障”報(bào)警。同時(shí)充電器限流功能調(diào)節(jié)輸出電壓降低，當(dāng)?shù)陀谛铍姵鼗芈冯妷簳r(shí)，蓄電池與充電器形成壓差，蓄電池開始放電，導(dǎo)致A200繼電器檢測到放電電流動作，觸發(fā)主控“蓄電池開始放電”報(bào)警。

3 UPS旁路N1控制器失效問題分析及處理

3.1 問題描述

2016年9月2日，3 LND系統(tǒng)UPS旁路上游(3 LKD)進(jìn)行DVC風(fēng)機(jī)啟動，期間3 LKD母線電壓從398 V降至373 V，瞬時(shí)觸發(fā)UPS“不同步”故障報(bào)警，約7 s后旁路上游電源穩(wěn)定至392 V，“不同步”故障消失，現(xiàn)場對3 LND旁路調(diào)壓器的N1控制器檢查，發(fā)現(xiàn)無法實(shí)現(xiàn)調(diào)壓功能。

對3號機(jī)組3 LNA、3 LNC、3 LNB檢查發(fā)現(xiàn)N1控制器均無法調(diào)壓問題。詳細(xì)記載N1控制器失效次數(shù)如表3所示。

表3 N1控制器失效次數(shù)Table 3 N1 controller Failure times

3.2 旁路變壓器的調(diào)壓原理

旁路變壓器主要作用是在UPS逆變器出現(xiàn)故障時(shí)，通過靜態(tài)開關(guān)自動切換至旁路供電，待逆變器電源恢復(fù)或故障消除后，再自動切至逆變器正常運(yùn)行，確保給負(fù)荷持續(xù)供電。若UPS觸發(fā)“不同步”故障，同時(shí)逆變器故障疊加，則靜態(tài)開關(guān)可能切換失效，后果將非常嚴(yán)重。

如圖6所示，旁路變壓器主要通過電機(jī)M1驅(qū)動的自耦調(diào)壓器T2、補(bǔ)償變壓器T1和N1控制器組成。NI控制器將輸出電壓與可調(diào)的設(shè)定值比較，根據(jù)比較后的偏移量發(fā)送設(shè)定的脈沖至自耦調(diào)壓器的電機(jī)M1；M1驅(qū)動電機(jī)調(diào)整自耦變壓器T2的電壓，調(diào)整后的電壓被送至補(bǔ)償變壓器T1的初級線圈，T1的次級線圈串聯(lián)與旁路輸入主回路中，從而補(bǔ)充輸入電壓的偏移量，保證了輸出電壓穩(wěn)定。在輸入電壓的偏移為±10%時(shí)，旁路變壓器輸出電壓精度可達(dá)±2%，此外負(fù)荷的改變不會影響輸出電壓的精度。

圖6 基本連接Fig.6 Basic connection

3.3 原因分析及處理

根據(jù)旁路變壓器的結(jié)構(gòu)和原理，不同步故障原因分析先外部再內(nèi)部，先整體再局部的原則，分析原因具體有以下兩個(gè)方面。

(1)旁路輸入電壓超出限值

觸發(fā)不同步報(bào)警的條件：逆變器輸出與旁路輸出的瞬時(shí)電壓、平均電壓、頻率、相位角中的任意一項(xiàng)超出了允許范圍，就會觸發(fā)不同步報(bào)警。逆變器輸出與旁路輸出的瞬時(shí)電壓、平均電壓、頻率、相位角的允許范圍如下所示：

1)旁路瞬時(shí)電壓檢測范圍220 V±25%;

2)旁路平均電壓檢測范圍220 V±10%;

3)旁路的頻率范圍50 Hz±6%;

4)相位角的范圍：相位角相差6°。

根據(jù)3 LKD的母線電壓波動從398 V下降至373 V，計(jì)算旁路上游輸入電壓未超過380 V±10%范圍，因此，旁路輸出調(diào)壓電壓精度可達(dá)220 V±2%。

綜上判斷，認(rèn)為不同步報(bào)警非旁路上游輸入電壓超限引起原因。

(2)旁路N1控制器失效

1)線路檢查，按照廠家原理圖，檢查N1控制器回路的接線、熔絲等，確認(rèn)接線正確；

2)對機(jī)械傳動裝置進(jìn)行檢查，目測無銹蝕、卡澀情況，確認(rèn)傳動正常；

3)驅(qū)動電機(jī)M1檢查，對其外觀、直阻及絕緣檢查，無異常；

4)N1控制器檢查，發(fā)現(xiàn)電源指示燈不亮，說明N1工作異常，嘗試手動調(diào)節(jié)N1反饋電壓，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)旁路輸出電壓無變化，初步判斷N1控制器TVR6500故障；

5)將產(chǎn)生故障的N1控制器進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)N1控制器的市電檢測電路中一個(gè)300 VAC/47nf的電容容量已降至0.55～0.5 nf，導(dǎo)致檢測不到市電電壓，從而導(dǎo)致電機(jī)無法驅(qū)動。

6)分析300 VAC/47 nf電容下降原因，可能為調(diào)試期間現(xiàn)場環(huán)境、溫濕度等加速了此電容的老化。

結(jié)論：根據(jù)上述檢查判斷，3 LND001TB“不同步”報(bào)警的根本原因是因?yàn)镹1控制器失去調(diào)節(jié)功能導(dǎo)致旁路輸出電壓超限，從而導(dǎo)致觸發(fā)“不同步”報(bào)警。目前已更換對惡劣環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)的400 VAC/47 nf的新電容，且系統(tǒng)運(yùn)行正常。

4 探索核島UPS故障問題處理優(yōu)化

4.1 P007等元件損壞預(yù)防優(yōu)化

P007電流互感器組件的使用年限為10年，根據(jù)解剖和調(diào)研統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果：1)影響CT組件的不良主要原因在電子線路部分(即集成電路板)損壞，而集成電路板主要受惡劣環(huán)境(環(huán)境主要包括：溫/濕度、灰塵等)影響較大;2)調(diào)研同行，目前江蘇核電有過同樣損壞情況，但他們是在設(shè)備使用年限10年后出現(xiàn)。因此，為避免類似問題出現(xiàn)，不論P(yáng)007是否達(dá)到使用年限，均在每年的預(yù)防性維修規(guī)程中增加對P007/P009等內(nèi)部元器件進(jìn)行檢查、清掃或更換預(yù)維項(xiàng)目。

4.2 旁路N1控制器報(bào)警功能優(yōu)化

目前1～4號機(jī)組在正常運(yùn)行期間，均出現(xiàn)過核島UPS設(shè)備旁路N1控制器失效問題，此問題在現(xiàn)階段雖然已通過更換新電容(對惡劣環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)的400 VAC/47 nf)和每年大修檢查更換措施，已大大降低了故障率，但是仍沒有從根本上解決設(shè)計(jì)上無故障報(bào)警功能的問題隱患，譬如，當(dāng)N1控制器出現(xiàn)失效時(shí)，但因無報(bào)警信號，運(yùn)行及維修人員未及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，若此時(shí)觸發(fā)UPS不同步故障和逆變器故障疊加，則靜態(tài)開關(guān)將可能切換失效，最終導(dǎo)致下游負(fù)荷失電，后果非常嚴(yán)重。因此，后續(xù)推動研究對N1控制器增加報(bào)警功能，可以徹底解決該問題隱患，從而提高核島交流不間斷電源系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

5 結(jié) 論

福清核電1～6號機(jī)組核島交流不間斷電源系統(tǒng)，采用GUTOR的UPS設(shè)備，廣泛應(yīng)用各堆型機(jī)組。該設(shè)備從安裝、調(diào)試到維修、運(yùn)行過程中，難免會出現(xiàn)設(shè)計(jì)、安裝質(zhì)量及設(shè)備問題，本文通過對P007卡件和旁路N1控制器失效等故障問題的深入分析，并提出相應(yīng)的優(yōu)化措施，杜絕相同缺陷的重復(fù)發(fā)生，目前該設(shè)備在3號機(jī)組所出現(xiàn)的問題均通過經(jīng)驗(yàn)反饋至4號機(jī)組，并得以妥善處理，保證了3、4號機(jī)組核島UPS系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制性，同時(shí)也為5、6號機(jī)組(華龍一號)交流不間斷電源系統(tǒng)的維護(hù)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，問題的原因分析及處理方法為后續(xù)類似問題的處理能提供一些借鑒，為機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行及核安全提供有力的保障。