核電站不間斷電源系統(tǒng)異常停機(jī)的原因分析與改進(jìn)措施

董 磊, 星國龍, 張立國

中廣核運(yùn)營有限公司 廣東陽江 529941

1 故障情況

2013年10月6日,某核電站2號機(jī)組進(jìn)行系統(tǒng)斷電試驗(yàn)。試驗(yàn)開始后,執(zhí)行程序停運(yùn)2LNE002DL逆變器。當(dāng)斷開下游交流開關(guān)時,交流不間斷電源系統(tǒng)母線失電2 s,電壓最低為2 V,導(dǎo)致下游機(jī)組監(jiān)測設(shè)備停止工作,觸發(fā)主控操作員主動干預(yù)。

2 不間斷電源系統(tǒng)分析

發(fā)生故障的不間斷電源系統(tǒng)為非安全級不間斷電源系統(tǒng),通過四臺逆變器將來自上游220V直流電源系統(tǒng)的220 V直流電通過逆變橋轉(zhuǎn)換為間距不等的方波,再通過單相變壓器轉(zhuǎn)換為220 V交流電,由配電盤送至下游負(fù)荷。下游負(fù)荷主要有核監(jiān)測儀表機(jī)柜系統(tǒng)、集散控制機(jī)柜系統(tǒng)、集中數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等。此外,不間斷電源系統(tǒng)還向核反應(yīng)堆控制棒供電系統(tǒng)、核電站輻射監(jiān)測系統(tǒng)、核取樣系統(tǒng)等核電站重要系統(tǒng)設(shè)備供電。

如果不間斷電源系統(tǒng)發(fā)生故障,母線失電,將導(dǎo)致多組設(shè)備失去冗余供電,機(jī)組產(chǎn)生多個第二組隨機(jī)事件[1]。不間斷電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示,采用無旁路四機(jī)冗余逆變系統(tǒng),四臺逆變器并列運(yùn)行,上游采用唯一供電電源,沒有交流旁路變壓器備用回路。四臺逆變器使用總線通信,實(shí)現(xiàn)四臺逆變器的狀態(tài)跟蹤與信號同步,其中同步信號由四臺逆變器中隨機(jī)產(chǎn)生的主機(jī)發(fā)出[2]。

圖1 不間斷電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

并機(jī)運(yùn)行的逆變器分為主機(jī)和從機(jī)。逆變器啟動過程中,先啟動的逆變器作為主機(jī),主機(jī)通過通信卡將同步信號發(fā)送至同步總線[3]。后啟動的三臺逆變器從同步總線上獲取同步信號,并自動調(diào)節(jié)交流輸出,與主機(jī)輸出保持一致,從而保證四臺逆變器同步運(yùn)行。運(yùn)行過程中,如果主機(jī)停運(yùn),剩余三臺從機(jī)隨機(jī)重新產(chǎn)生一臺主機(jī),由新主機(jī)向同步總線發(fā)送同步信號。四臺逆變器并聯(lián)運(yùn)行過程中,負(fù)載平均分配。各逆變器間通過通信卡實(shí)現(xiàn)總線通信[4],通信卡又分別與各逆變器的主控制卡連接,實(shí)現(xiàn)通信后的逆變器狀態(tài)轉(zhuǎn)換功能。通信卡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 通信卡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通信卡控制不間斷電源系統(tǒng)四臺逆變器的同步并機(jī),主要有四種功能。

(1) 同步。使并列運(yùn)行的四臺逆變器輸出的電壓、相位、頻率保持在容差范圍內(nèi),同步頻率范圍為45～65 Hz[5]。

(2) 運(yùn)行模式控制。用于并聯(lián)運(yùn)行逆變器間的通信,保證各逆變器工作在同一模式,即冗余運(yùn)行模式,當(dāng)系統(tǒng)中個別逆變器出現(xiàn)故障時,其它逆變器仍能正常運(yùn)行。

(3) 負(fù)荷分擔(dān)。保證四臺逆變器所帶的負(fù)載大小相同。

(4) 主從機(jī)選擇。當(dāng)?shù)谝慌_逆變器向同步母線發(fā)送同步信號時,通信卡自動識別,將其作為主機(jī),同時識別其它逆變器的同步信號,強(qiáng)制調(diào)整至與主機(jī)同步信號一致。

3 同步并機(jī)原理

不間斷電源系統(tǒng)中,每臺逆變器都有獨(dú)立的內(nèi)部同步信號源,能夠使逆變器向同步總線輸出同步信號。正常情況下,首先啟動的逆變器會成為主機(jī),主機(jī)將內(nèi)部同步信號發(fā)送至逆變器同步總線。所有逆變器從逆變器同步總線上獲取同步信息,自動調(diào)整輸出,以此保證所有逆變器同步運(yùn)行。從機(jī)調(diào)整內(nèi)部同步信號,與逆變器同步總線信號一致,由此保證從機(jī)不用進(jìn)行任何移相操作,就可以隨時替換主機(jī)在逆變器同步總線上的功能[6]。當(dāng)主機(jī)停機(jī)后,任何一個從機(jī)都可以替代主機(jī),實(shí)現(xiàn)主機(jī)的功能。為防止逆變器同步總線故障引發(fā)系統(tǒng)故障,同步總線采用總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[7]。

總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)指將網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備通過相應(yīng)硬件接口直接連接到公共總線上,節(jié)點(diǎn)之間按廣播方式通信,一個節(jié)點(diǎn)發(fā)出信息,總線上的其它節(jié)點(diǎn)均可接收到?？偩€拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單、布線容易、可靠性較高、易于擴(kuò)充,缺點(diǎn)包括所有數(shù)據(jù)都需經(jīng)過總線傳送,總線成為整個系統(tǒng)的瓶頸,出現(xiàn)故障時診斷困難。

4 故障分析

故障出現(xiàn)后,電廠維修班組對不間斷電源系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)盤操作,維修人員手動逐個停運(yùn)逆變器,當(dāng)停運(yùn)LNE003DL逆變器,并斷開下游交流開關(guān)時,母線電壓降至214 V,隨后迅速恢復(fù),再次出現(xiàn)電壓波動情況,但此次并沒有導(dǎo)致整個系統(tǒng)失電。專家組根據(jù)現(xiàn)場情況,初步定位故障點(diǎn)為逆變器同步并機(jī),當(dāng)停運(yùn)主機(jī)時,就會出現(xiàn)不間斷電源系統(tǒng)波動,甚至整盤失電的情況。

對不間斷電源系統(tǒng)的同步總線進(jìn)行監(jiān)測,在正常運(yùn)行工況下,主從機(jī)向同步母線發(fā)送的信號一致,主從機(jī)區(qū)分清晰,如圖3所示。

圖3 正常工況下同步母線信號

正常情況下,逆變器會逐臺啟動,最先啟動的逆變器會自動成為主機(jī)。第一臺逆變器啟動時,同步母線中只有一個同步信號。當(dāng)出現(xiàn)主機(jī)停運(yùn)時,理論上在另外三臺從機(jī)中隨機(jī)產(chǎn)生一臺主機(jī),但此時同步母線中同時有三臺從機(jī)發(fā)出的同步信號。隨機(jī)產(chǎn)生新主機(jī)后,通信卡會識別其它從機(jī)的同步信號,與新主機(jī)信號進(jìn)行對比。當(dāng)識別到從機(jī)同步信號與新主機(jī)不同步時,會迫使從機(jī)調(diào)整同步信號,保持與新主機(jī)同步信號一致,從而實(shí)現(xiàn)新主機(jī)的替換功能。

復(fù)盤不間斷電源系統(tǒng)故障工況時,對同步總線進(jìn)行信號分析,發(fā)現(xiàn)同步總線同時存在兩個主機(jī)信號,說明通信卡功能有問題。不間斷電源系統(tǒng)的同步并機(jī)主要依靠通信卡實(shí)現(xiàn),于是維修組重點(diǎn)進(jìn)行通信卡的診斷分析。將通信卡送往卡件實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬試驗(yàn),通信卡上有專門的回路用于探測逆變器同步總線上的多主機(jī)狀態(tài),但該回路因精度不高,不能實(shí)時強(qiáng)迫影子主機(jī)變?yōu)閺臋C(jī)。

監(jiān)測電路由模擬元件、數(shù)字元件組成,因元件的容差引起電路對相位差的監(jiān)測范圍變寬,實(shí)際監(jiān)測門限在2.6～4.5 ms之間。當(dāng)其余從機(jī)的同步信號與新主機(jī)的同步信號相位差大于該門限時,監(jiān)測電路才能監(jiān)測到,這意味著因元件容差引起的相位滯后大于4.5 ms,監(jiān)測電路才會動作,強(qiáng)迫其它逆變器變?yōu)閺臋C(jī)。監(jiān)測信號波形如圖4所示。

圖4 監(jiān)測信號波形

多次模擬不間斷電源系統(tǒng)工況,發(fā)現(xiàn)當(dāng)從機(jī)與新主機(jī)的同步信號相位差小于4.5 ms時,通信卡無法監(jiān)測到從機(jī)與新主機(jī)之間的信號差異,最終導(dǎo)致同步母線中同時存在兩個不同步的主機(jī)信號,如圖5所示。

圖5 異常情況下同步母線信號

由于主機(jī)區(qū)分不清,逆變器的輸出無法及時同步,供電母線產(chǎn)生反向電位差,導(dǎo)致逆變器一次輸出側(cè)出現(xiàn)環(huán)流[8]。另一方面,因逆變器彼此間不斷尋求同步,電壓相角不斷輕微調(diào)整,導(dǎo)致并列逆變器間環(huán)流急劇增大,最終觸發(fā)逆變器內(nèi)部過流保護(hù)動作,母線失電。過流保護(hù)動作后,逆變器嘗試自動復(fù)位啟動,母線短時失電后恢復(fù)。

5 改進(jìn)措施

核電站不間斷電源系統(tǒng)異常的原因?yàn)槎嗯_逆變器同步運(yùn)行時無法準(zhǔn)確快速定位主從機(jī),最終導(dǎo)致逆變器同步失敗,母線出現(xiàn)環(huán)流。處理這一類故障的核心在于提高逆變器的同步速度與效率。為通信卡附加高精度相位檢測模塊,增強(qiáng)通信卡上多主機(jī)探測電路模塊的精確度,使監(jiān)測從機(jī)同步信號的能力提升一個數(shù)量級,進(jìn)而使通信卡能更快地跟蹤同步總線上的信號,避免出現(xiàn)切換時兩臺從機(jī)同時成為主機(jī)的情況,能夠從根本上解決這一問題。聯(lián)系設(shè)備制造廠家進(jìn)行改進(jìn)方案討論,對附加AD8302高精度相位檢測模塊進(jìn)行論證。

AD8302高精度相位檢測模塊能同時測量從低頻到2.7 GHz頻率范圍內(nèi)兩個輸入信號之間的幅度比和相位差,主要由精密匹配的寬帶對數(shù)放大器、相位檢測器、輸出放大器組、偏置單元、輸出參考電壓緩沖器組成,功能結(jié)構(gòu)如圖6所示。AD8302高精度相位檢測模塊內(nèi)部的兩個寬帶對數(shù)放大器,每個都由六個10 dB增益級串聯(lián)而成,六個增益級都帶有七個輔助濾波器,使AD8302高精度相位檢測模塊具有對數(shù)壓縮功能,可以將寬頻帶的兩個輸入電壓變?yōu)檎l帶的分貝刻度輸出,從而實(shí)現(xiàn)對兩個輸入信號增益的測量,將輸入信號的相位差變換為電壓輸出,范圍為0～1.8 V[9]。

圖6 AD8302高精度相位檢測模塊功能結(jié)構(gòu)

高精度相位檢測系統(tǒng)原理如圖7所示。將不間斷電源系統(tǒng)的總線同步信號作為參考信號,輸入AD8302高精度相位檢測模塊,再分別將兩臺逆變器的同步信號分別輸入兩個AD8302高精度相位檢測模塊,與參考信號進(jìn)行比較。用兩個AD8302高精度相位檢測模塊的目的是保證與待測信號比較時參考信號的相位連續(xù)性。AD8302高精度相位檢測模塊輸出的相位差進(jìn)入數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片,再傳送至通信卡主板上的單片機(jī)。在單片機(jī)中運(yùn)算,得到待測信號之間的相位差調(diào)節(jié)信號。將調(diào)節(jié)信號發(fā)送至各臺逆變器進(jìn)行同步信號調(diào)節(jié),從而達(dá)到提升通信卡信號檢測電路精度的目的。

圖7 高精度相位檢測系統(tǒng)原理

6 改進(jìn)效果

通過在原有通信卡的基礎(chǔ)上附加高精度相位檢測模塊,對每臺逆變器接收到的同步信號數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理,將處理后的數(shù)據(jù)反饋至主通信卡,進(jìn)而將多主機(jī)探測電路的門限由2.6～4.5 ms升級到0.45～0.55 ms。通信卡的通信時鐘頻率為125 Hz,所能發(fā)出的同步信號相位最小步差為0.8 ms。通過在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行不同相位差的同步信號發(fā)送試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)主從機(jī)同步信號相位差在0.8 ms依然能夠快速定位同步總線,主機(jī)信號與同步總線信號完全同步,不會出現(xiàn)同步混亂的現(xiàn)象。改進(jìn)后同步母線信號如圖8所示。

圖8 改進(jìn)后同步母線信號

與此同時,根據(jù)故障分析的結(jié)論制訂部件老化處理方案,在通信卡運(yùn)行一定期限后對其進(jìn)行更換,防止部件老化導(dǎo)致檢測精度下降[10]。

7 結(jié)束語

筆者對核電站不間斷電源系統(tǒng)異常停機(jī)故障進(jìn)行分析,確認(rèn)不間斷電源系統(tǒng)整盤失電的直接原因是系統(tǒng)中存在多臺主機(jī),逆變器之間同步信號異常,逆變器一次輸出側(cè)產(chǎn)生較大環(huán)流,觸發(fā)逆變器內(nèi)部過流保護(hù)動作,導(dǎo)致母線短時失電。存在多臺主機(jī)的根本原因是逆變器通信卡信號檢測電路精度不高,無法及時對微小相位差同步信號進(jìn)行調(diào)節(jié)。

為解決這一問題,對逆變器通信卡附加高精度相位檢測模塊,提升通信卡的信號檢測精度,保證整個不間斷電源系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。