核電廠交流不間斷供電系統分析及改進

李好

【摘 要】交流不間斷電源系統（以下簡稱UPS系統）是穩定的、能連續可靠供電的電源系統，因為核電站安全運行的重要性，所以核電廠相關重要的儀表、重要的閥門等負荷都由UPS系統來供電。本文主要以AP1000和VVER機組的UPS供電系統作為參考，詳細描述了UPS的運行、故障處理及經驗反饋。

【關鍵詞】核電站；UPS；分析探討

1 UPS的逆變裝置

在UPS系統中，逆變裝置是核心部件，實現直流-交流的轉換。在逆變電路中，開關器件在承受正電壓時關斷。最初的逆變電路以晶閘管作為開關器件，由于晶閘管操作的復雜性，使逆變裝置體積龐大?，F在，一般采用全控型自關斷電力電子器件，如GTO、BJT、IGBT、MOSFET等等。

目前，在逆變裝置中，脈寬調制（簡稱PWM）控制技術應用最為廣泛，使用開關器件一般是IGBT（絕緣柵雙極晶體管）。脈寬調制就是靠改變觸發脈沖寬度來控制輸出電壓。觸發脈沖的寬度按正弦規律變化，輸出電壓波形也按正弦規律變化，叫做正弦脈寬調制（簡稱SPWM）。目前普遍采用調制法得到觸發脈沖，即把正弦波作為調制信號，把接受調制的信號作為載波，通過對載波的調制得到所期望的PWM波形。通常用等腰三角波作為載波，因為等腰三角波上下寬度與高度成線形關系，且左右對稱，當它與任何一個平緩變化的調制信號波相交時，在交點時刻控制電路中開關器件的通、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律變化。按一定的規則對各脈沖的寬度進行調制，可改變逆變裝置輸出電壓的大小。

2 系統運行過程中容易出現的故障

2.1 蓄電池壽命無法達到設計要求

一般我們使用的蓄電池在三年時就會出現嚴重劣化，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、合理地進行管理以及維護，造成蓄電池在早期出現劣化，并且沒有及時發現落后電池，致使劣化積累、加劇，導致蓄電池過早報廢。

2.2 對蓄電池的運行情況、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，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，對于蓄電池內部性能參數，如蓄電池的內阻、當前的剩余容量，無法十分清楚地了解，所以相應的措施就無法實施。

2.3 對于單體電池而言，充電機制可靠性需要完善

由于目前國內直流系統的充電機制不是非常的完善，在實際中存在電壓漂移的情況，蓄電池長期處于浮沖狀態，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

目前蓄電池組由數量很多的單體電池組成，實際運行中存在單體電池之之間充電電壓、內阻等差異較大的情況，特別是在浮充下，這種不均衡現象顯得非常嚴重。個別落后電池充電不完全，如果沒有及時發現并處理，這種落后就會加劇。如此反復，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 無人值守站點的維護工作缺乏良好的管理監測手段

對于許多無人值守的站點，由于沒有網絡管理監測的手段，對于蓄電池的維護更加薄弱，特別是對于蓄電池的運行情況以及性能狀況，不能清楚的了解。大量的維護與管理工作由人工進行，同時數據的整理與分析需要維護人員有較強的專業知識。

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的依據

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，僅僅根據多年的經驗來進行。所以在實際中，往往是蓄電池放電的容量低于最低要求后，才在放電中發現蓄電池的壽命終止。

3 國內核電站UPS設計對比

目前國內核電站已普遍采用UPS作為其安全相關負荷的供電，本文主要以AP1000型機組的UPS和VVER-1000機組的UPS設置進行對比，找出各自的不同并加以研究。

3.1 AP1000核電廠UPS運行方式

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

IDS 在正常的啟動、滿功率運行、停堆、換料期間基本是自動運行的。當廠內和廠外交流電源可用時，直流和UPS 系統通過蓄電池充電器為配電設施提供直流125 V 和交流220 V UPS 電源。蓄電池充電器由廠內備用柴油機做備用電源的電機控制中心提供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。備用充電器從廠內備用柴油發電機支持的電機控制中心接受380 V 交流并且給備用的帶保險絲的轉換開關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。當交流電源恢復時，充電器自給負載提供電力和給蓄電池重新充電。

3.2 VVER核電廠UPS運行方式

VVER機組的UPS主要用于向第一類和第二類負荷的安全級設備供電，應急供電系統的設計，與核電廠工藝安全系統的通道劃分相適應，按照設備的組成和執行的功能分為4 個互相獨立的冗余通道，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運行方式優缺點分析

通過對兩個電廠UPS運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為交流電，而VVER機組采用的是充電機、逆變器組的方式，將上游母線的交流電變化為UPS電源，應該說兩種方式是各有利弊的，AP1000機組UPS采用從直流母線取電的方式能夠最大限度的減少設備的數量，節約投資成本，并且其旁路電源取自備用柴油機所帶的交流母線，與原取電母線不相關，且它根據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UPS的供電可靠性；而VVER機組采用整流器、逆變器組的方式，將整流器和逆變器集中在一個箱體內，占地面積減少，而且維護方便，使運行維護人員能很方便的檢查UPS的運行狀態查找故障原因。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系統運行優化措施研究

通過對兩個核電站UPS長期運行的跟蹤和研究，我覺得需要從以下幾個方面入手進行創新研發：

4.1 加強對UPS運行人員的培訓

1）加強對運行人員的培訓，使其認識到蓄電池對于電力系統安全穩定運行的重要性。加強對蓄電池的巡視，及時發現問題，及時處理。

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

4.2 引進原理先進的充電機

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

建議可以使用均浮充自動轉換的充電機，便于對虧電電池快速充電以及維護。

4.3 開發先進的智能放電設備

1）采用智能放電設備，用于檢驗蓄電池容量，作為核對性試驗時的直流負荷。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，保證了蓄電池的良好使用。在機組檢修、設備維護周期內，定期對各電壓等級的所有蓄電池進行充放電試驗，檢測現有蓄電池的健康狀況。

2）蓄電池在進入系統工作之前，應進行細致的充放電試驗，認真檢測每一節電池，以保證蓄電池性能一致。

3）現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

采用智能檢測設備，改變以往只用電表測量輸出電壓的簡單方法。傳統的電池電壓測量方法只是用電表測電池在浮充狀態下的電池端電壓，實際上只能知道電池在浮充狀態下的化學電勢，即使是一個容量非常小的電池，在浮充狀態下其端電壓也可能顯示正常，所以通過在浮充狀態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 結束語

目前世界各國的核電站安全系統均設置了UPS供電裝置，它是關乎核電安全的最后一道防線，如何使UPS系統安全穩定的運行是擺在新一代核電運行、調試人員面前的一個重要問題，而使用新一代的核電專用UPS監測控制系統，將極大的改善UPS的運行環境，提高核電廠在應對多種特殊環境中的供電可靠性，保證核電廠在嚴重事故情況下各關鍵安全系統重要參數的持續監視，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。