核电站全厂断电工况下蓄电池供电时间的探讨

贾良博(中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴 314300)



核电站全厂断电工况下蓄电池供电时间的探讨

贾良博
(中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴 314300)

〔摘 要〕介绍了蓄电池组在全厂断电工况下的作用；对蓄电池在全厂断电工况下的持续供电时间进行了分析，为处理全厂断电事故提供了时间依据；最后，为了确保在核电厂全厂停电工况下蓄电池的必要供电时间，提出了对蓄电池的养护建议及蓄电池事故的处理预案。

〔关键词〕核电站；全厂断电；蓄电池；供电时间；经济运行模式

0 引言

核电厂用不间断电源由整流装置(充电器)、蓄电池组、逆变装置(逆变器)构成，共设置2套实体上分隔和电气上隔离的不间断电源装置，主要向反应堆安全停堆系统、安注系统、重要监视仪表等设备提供控制电源。

在核电站运行工况下，蓄电池组与充电器并联运行。在充电器发生故障或供充电器的380 V交流电源丢失时，蓄电池组不仅能不间断地向用电设备提供直流电源，保证核安全相关设备的短时控制电源不丢失，还能为充电器不能供给的瞬时尖峰负荷(例如由充电器调节响应时间较长或电流限值等原因造成的尖峰负荷)供电。

1 全厂断电工况下蓄电池供电时间分析

1.1 全厂断电工况

某核电厂3，4号机组6 kV中压系统正常状态下由500 kV主变压器、220 kV辅助变压器供电。每台机组有正常厂用母线4段(LGA，LGB，LGC，LGD)、应急母线2段(LHA，LHB)、循泵房母线2段(LGEA，LGEB)、2台机组共用母线2 段(LGIA，LGIB)、备用电源母线2段(LGR001，LGR002)。

当LHA，LHB 2段应急母线故障报警同时触发，且该2段母线主控电压指示表同时显示为0时，便可诊断出发生了全厂断电事故。此时，核电厂电源控制方面应进行的操作有：

(1) LLS柴油机启动向应急电源配电箱LNE360CR供电；

(2) 将不间断电源LNE系统(LNE系统直流电源来自220 V LAA系统，且LAA系统仅LNE系统这一负荷。因此，LNE系统的经济运行模式计算的是LAA蓄电池的情况)和LCA系统(48 V直流系统)转到经济运行模式、LGIA切换至LGC母线带载。

LNE系统上游电源来自LAA系统，LAA系统上游电源来自LLC配电盘；LCA系统上游电源同样来自LLC配电盘。LLC母线由LHA母线段提供电源，LHA母线段失电造成LNE系统和LCA系统直流母线段电源失去。此时，失去正常电源的直流母线由LAA系统和LCA系统电源蓄电池带载。

1.2 LAA系统和LCA系统经济运行模式分析

经济运行模式是指在输出电能相同的条件下，通过择优选取最佳运行方式和调整负载，使蓄电池不必要的电能输出降到最低。其中，在全厂断电情况下，蓄电池上游电源丢失，此时蓄电池处于直接对负载放电模式。调整负载是实现蓄电池经济运行模式的主要手段，具体计算方法如下。

计算可分为2个阶段，第1阶段：30 min内，按正常运行期间的电流计算；第2阶段：30 min后，按设计要求保留的负荷计算。下面以3号机组为例，计算3LAA和3LCA系统的经济运行模式。

3LAA系统第1阶段正常运行时测量的3LAA系统进线电流为98 A；第2阶段，测量的保留负荷运行电流为37．4 A。

3LCA系统第1阶段正常运行时测量的3LCA系统进线电流为104 A；第2阶段，测量的保留负荷运行电流为55．6 A。

由于使用铅酸蓄电池放电时间Peukert经验公式计算与试验得到的结果的符合性较好，而使用IEEE485计算得到的铅酸蓄电池放电时间较保守，因此下面使用Peukert经验公式进行分析。Peukert经验公式如下：

K=Int (1)

式(1)中，K为蓄电池理论容量；I为放电电流；t为放电持续时间；n为Peukert常数，其值在1．15-1．42。

Peukert经验公式表明，放电电流愈大，蓄电池容量愈小。但采用该方法计算没有考虑环境温度、设计裕度和老化系数的影响，且当放电电流很小时不适用。

LAA和LCA蓄电池使用的是GFD-2000型蓄电池，根据厂家说明书，蓄电池的终止放电电压为1．87 V/只，5 h放电电流为296．0 A，10 h放电电流为185．6 A。将数据分别代入Peukert经验公式，有K=185．6n×10=296n×5，计算得到Peukert常数n=1．485，蓄电池理论容量K=23 379 Ah。

(1) 3LAA蓄电池组全厂断电工况下带载放电时间分析如下。

第1阶段：正常运行电流为98 A，带载放电时间为0．5 h，K1=Int=981．485×0．5=905．672× 0．5=453 Ah。

第2阶段：蓄电池剩余容量K2=K-K1=23 379-453=22 926 Ah。

第2阶段放电电流I=37．4 A，代入公式(1)，则29 926=37．41．485t，t=138．1 h。

这样计算得到蓄电池总共的放电时间为138．1+0．5=138．6 h。

(2) 3LCA蓄电池组全厂断电工况下带载放电时间分析如下。

第1阶段：正常运行电流为104 A，带载放电时间为0．5 h，K1=Int=1041．485×0．5=494 Ah。

第2阶段：蓄电池剩余容量K2=K-K1=23 379-494=22 885 Ah。

第2阶段放电电流I=55．6A，代入公式(1)，则22 885=55．61．485t，t=58．6 h。

这样计算得到蓄电池总共的放电时间为58．6+0．5=59．1 h。

(3) 计算结果。该核电厂3，4号机组在全厂断电工况下涉及的蓄电池放电时间为：LAA蓄电池放电时间为138．6 h；LCA蓄电池放电时间为59．1 h。

1.3 经济运行模式供电时间评价

LAA/LCA系统的主要负荷是6 kV及380 V电源开关控制部分、RGL棒控系统控制电源部分、电动阀门过程控制部分、操作员控制室模拟盘、计算机和数据处理系统、直流配电盘接地故障探测器、记录仪和指示仪以及堆芯仪控系统。

经济运行模式计算中的第1阶段是正常带载情况下蓄电池的供电时间，要求为30 min。在这30 min内，主控操作员要将反应堆停堆，具体操作时间统计情况如下。

(1) 反应堆控制棒插入堆芯底部使反应堆停堆共225步。当反应堆失去厂外电源导致停堆时，控制棒在重力作用下掉入堆芯底部，耗时约2．4 s。当需要人工操作将控制棒插入堆芯底部时，控制棒的插入速度在6-72步/min内可调，一般控制在48 步/min，耗时约4．687 5 min，最慢速度情况下耗时37．5 min。

(2) 6 kV开关断开时间为30 ms，此时间为大修期间主控操作断路器的平均分闸时间。当人为断开6 kV断路器时，熟练工1 min可断开1台断路器。每台机组6 kV母线共计有12段。因此，当失去厂外电源时，依次断开6 kV断路器所需的时间为：主控操作0．36 s，人工操作12 min。考虑到异常情况，可将操作断路器的时间控制在30 min内。

通过上述计算，在经济运行模式的第1阶段中，反应堆的停堆操作可控制在30 min内(反应堆停堆和6 kV开关分闸操作同时进行)。在经济运行模式的第2阶段，LAA/LCA系统向计算机数据处理系统、记录仪和指示仪供电，主要起到监视和数据分析作用，在此阶段已完成了主要设备的安全操作。根据上述分析，该核电厂在全厂断电工况下，2组蓄电池的供电时间均可满足核电厂的安全操作及事故处理时间要求。

2 蓄电池维护建议及其事故处理预案

为了确保在核电厂全厂断电工况下蓄电池的供电时间，应加强蓄电池的维护。下面主要从蓄电池初次充放电、日常充放电、蓄电池事故处理预案及防止蓄电池接地4方面进行分析。

2.1 初次充放电

在核电站安装阶段中，蓄电池的初次充放电工作一般在厂家完成，如对工期有特殊要求，可以在核电厂调试工地进行初次充放电工作。在初次充放电过程中应注意以下几点。

(1) 初次充放电步骤。依次分为初次充电3．6倍额定容量，初次放电全部额定容量；C10充电，C10放电；C10充电，ID放电；C10补充电4个步骤。

(2) 初次充放电冷却方式。在初次充放电过程中，蓄电池发热量较大，需要及时降温。可采取水浴或冰块冷却方式，以保证电解液温度稳定在45 ℃以下。

2.2 日常充放电

蓄电池安装调试完成后，将其运至核电厂进入电池的使用阶段。在此阶段中，蓄电池应进行如下养护工作。

(1) 每月1次蓄电池月检工作：测量电池端电压、电解液密度参数，要求其满足要求。

(2) 核电厂机组大修期间进行常规充放电试验，使用10 h放电率进行充放电工作。大修时最好使用恒流法进行充电，如果下游负载无法脱开，需带负荷充放电时，设置的充电器充电电流要加上负荷电流，放电电流要扣除负荷电流。

2.3 蓄电池事故处理预案

在全厂断电工况下，下游负载切换至蓄电池带载，此时如果发生过电流故障，蓄电池进线开关会跳闸，具体分析如下。

在蓄电池进线抽屉内设置1个过电流保护继电器，当发生过电流时该继电器发出跳闸信号，蓄电池进线开关跳闸，同时联跳充电器上游开关和充电器输出直流开关，以保护充电器及下游负载。但在实际使用过程中，由于过电流保护继电器存在误动作的可能，因此，建议在过电流跳闸信号回路中串联1个充电器直流输出低电压常开触点。当充电器输出电压正常时，触点闭合，允许过电流保护动作；在全厂断电工况下，充电器上游电源丢失，充电器输出电压低，常开触点断开，过流保护失效，依靠蓄电池进线开关内部熔丝保护。这样既保留了保护功能，又降低了保护误动作的风险。

2.4 防止蓄电池接地

在蓄电池使用过程中，还易发生直流系统接地故障，可能造成电气或热工设备控制和保护拒动或误动。蓄电池电解液漏液，通过外壳与大地相通是导致直流系统接地的主要原因。因此，在蓄电池日常维护中，要注意以下几点：

(1) 蓄电池电解液不要加至高液位，只要加到高液位的2/3处即可；

(2) 若蓄电池上端盖接缝处受酸液腐蚀而开裂，应及时修复；

(3) 蓄电池月检完成后外壳要擦拭干净，确保无液体残留。

3 结束语

该核电厂3，4号机组在全厂断电工况下，直流电源可应急持续供电时间为：LAA蓄电池为138．6 h，LCA蓄电池为59．1 h。通过对此时反应堆安全停堆操作时间的分析计算，经济运行模式下的蓄电池组供电时间可满足安全停堆时间要求和后续的反应堆控制的逻辑计算及记录仪表供电要求。为了确保在全厂断电工况下蓄电池的可靠供电，必须高度重视对蓄电池的维护。

贾良博(1983-)，男，工程师，主要从事核电站电气维修工作，email：jialb@cnnp．com．cn。

作者简介：

收稿日期：2015-10-13。