核电厂交流不间断供电系统分析及改进

李好

【摘 要】交流不间断电源系统（以下简称UPS系统）是稳定的、能连续可靠供电的电源系统，因为核电站安全运行的重要性，所以核电厂相关重要的仪表、重要的阀门等负荷都由UPS系统来供电。本文主要以AP1000和VVER机组的UPS供电系统作为参考，详细描述了UPS的运行、故障处理及经验反馈。

【关键词】核电站；UPS；分析探讨

1 UPS的逆变装置

在UPS系统中，逆变装置是核心部件，实现直流-交流的转换。在逆变电路中，开关器件在承受正电压时关断。最初的逆变电路以晶闸管作为开关器件，由于晶闸管操作的复杂性，使逆变装置体积庞大。现在，一般采用全控型自关断电力电子器件，如GTO、BJT、IGBT、MOSFET等等。

目前，在逆变装置中，脉宽调制（简称PWM）控制技术应用最为广泛，使用开关器件一般是IGBT（绝缘栅双极晶体管）。脉宽调制就是靠改变触发脉冲宽度来控制输出电压。触发脉冲的宽度按正弦规律变化，输出电压波形也按正弦规律变化，叫做正弦脉宽调制（简称SPWM）。目前普遍采用调制法得到触发脉冲，即把正弦波作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。通常用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波上下宽度与高度成线形关系，且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，在交点时刻控制电路中开关器件的通、断，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，逆变装置输出电压波形也按正弦规律变化。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，可改变逆变装置输出电压的大小。

2 系统运行过程中容易出现的故障

2.1 蓄电池寿命无法达到设计要求

一般我们使用的蓄电池在三年时就会出现严重劣化，使用超过5年的蓄电池很少蓄电池。原因是在使用中对蓄电池没有有效、合理地进行管理以及维护，造成蓄电池在早期出现劣化，并且没有及时发现落后电池，致使劣化积累、加剧，导致蓄电池过早报废。

2.2 对蓄电池的运行情况、性能状况不明

蓄电池组中如果有落后的蓄电池，可以通过一定深度的放电、充电循环，在一定程度上减少落后的差别。但由于没有良好的管理手段，对于蓄电池内部性能参数，如蓄电池的内阻、当前的剩余容量，无法十分清楚地了解，所以相应的措施就无法实施。

2.3 对于单体电池而言，充电机制可靠性需要完善

由于目前国内直流系统的充电机制不是非常的完善，在实际中存在电压漂移的情况，蓄电池长期处于浮冲状态，如果浮冲电压偏离正常的范围，就会造成蓄电池的过充或欠充，长期的过充或欠充对于蓄电池的性能影响非常大。

2.4 单体电池之间不均衡

目前蓄电池组由数量很多的单体电池组成，实际运行中存在单体电池之之间充电电压、内阻等差异较大的情况，特别是在浮充下，这种不均衡现象显得非常严重。个别落后电池充电不完全，如果没有及时发现并处理，这种落后就会加剧。如此反复，这种不均衡就加重，致使落后电池失效，从而引起整组蓄电池的容量过早丧失。

2.5 无人值守站点的维护工作缺乏良好的管理监测手段

对于许多无人值守的站点，由于没有网络管理监测的手段，对于蓄电池的维护更加薄弱，特别是对于蓄电池的运行情况以及性能状况，不能清楚的了解。大量的维护与管理工作由人工进行，同时数据的整理与分析需要维护人员有较强的专业知识。

2.6 蓄电池终止寿命无法提前刹断以及蓄电池的更换缺乏科学的依据

我们对于蓄电池的寿命终止，希望能够提前作出判断，为蓄电池的更换赢得时间。但目前对于蓄电池寿命的终止，没有一个可靠的手段，仅仅根据多年的经验来进行。所以在实际中，往往是蓄电池放电的容量低于最低要求后，才在放电中发现蓄电池的寿命终止。

3 国内核电站UPS设计对比

目前国内核电站已普遍采用UPS作为其安全相关负荷的供电，本文主要以AP1000型机组的UPS和VVER-1000机组的UPS设置进行对比，找出各自的不同并加以研究。

3.1 AP1000核电厂UPS运行方式

AP1000核电厂中1E 级UPS 系统给电厂仪表、控制、监控和电厂启动、正常运行及正常或紧急停堆所需重要设备提供不间断电源。一旦完全失去厂内和厂外交流电源，电池组是电厂需要的UPS 负载的电力来源，此外，1E 级直UPS 系统给主控室和远方停堆工作站的正常和应急照明提供电力。主要负载是保护和安全监控系统。

IDS 在正常的启动、满功率运行、停堆、换料期间基本是自动运行的。当厂内和厂外交流电源可用时，直流和UPS 系统通过蓄电池充电器为配电设施提供直流125 V 和交流220 V UPS 电源。蓄电池充电器由厂内备用柴油机做备用电源的电机控制中心提供380 V 交流电，输出125V 直流电供给直流母线和对应逆变器。逆变器提供交流220 V UPS 输出电源给仪控母线。IDS 配置了带有备用充电器的备用蓄电池组。备用充电器从厂内备用柴油发电机支持的电机控制中心接受380 V 交流并且给备用的带保险丝的转换开关箱母线和备用终端箱提供125 V 直流输出电源。如果失去交流电源，蓄电池自动提供电源。当交流电源恢复时，充电器自给负载提供电力和给蓄电池重新充电。

3.2 VVER核电厂UPS运行方式

VVER机组的UPS主要用于向第一类和第二类负荷的安全级设备供电，应急供电系统的设计，与核电厂工艺安全系统的通道划分相适应，按照设备的组成和执行的功能分为4 个互相独立的冗余通道，每个通道都能满足100%安全停堆功能的供电需要，即冗余度为4x100%。

每台机组由 12 段400/220V 交流不间断母线BSA～BSM，其整流器-逆变器分别接在4 段380V 交流应急母线上，每台整流器-逆变器组配有一组蓄电池组。

3.3 UPS运行方式优缺点分析

通过对两个电厂UPS运行方式的对比我们可以很清晰的看到他们之间的差别，AP1000机组的UPS主要采用了从直流母线上直接接入逆变器的方式的来将直流电变为交流电，而VVER机组采用的是充电机、逆变器组的方式，将上游母线的交流电变化为UPS电源，应该说两种方式是各有利弊的，AP1000机组UPS采用从直流母线取电的方式能够最大限度的减少设备的数量，节约投资成本，并且其旁路电源取自备用柴油机所带的交流母线，与原取电母线不相关，且它根据上游母线蓄电池的放电时间分为了三段母线，可以极大的增强UPS的供电可靠性；而VVER机组采用整流器、逆变器组的方式，将整流器和逆变器集中在一个箱体内，占地面积减少，而且维护方便，使运行维护人员能很方便的检查UPS的运行状态查找故障原因。但由于其主路供电和旁路供电取自同一条母线，所以其供电的可靠性不高，且检修方式不灵活。

4 UPS系统运行优化措施研究

通过对两个核电站UPS长期运行的跟踪和研究，我觉得需要从以下几个方面入手进行创新研发：

4.1 加强对UPS运行人员的培训

1）加强对运行人员的培训，使其认识到蓄电池对于电力系统安全稳定运行的重要性。加强对蓄电池的巡视，及时发现问题，及时处理。

2）从硬件上对运行人员提供支持。可以在现有设备的基础上增加电池组智能巡检仪，方便运行人员巡视。

4.2 引进原理先进的充电机

现有的各电压等级的充电器常采用浮充的方式，由于充电器运行时间比较长，设备存在一定的老化现象，存在诸如触点粘合、整定值偏移、实际电压输出值与现场检测值存在较大偏差等故障，使得现有的充电设备在一定程度上对机组的安全运行造成威胁。

建议可以使用均浮充自动转换的充电机，便于对亏电电池快速充电以及维护。

4.3 开发先进的智能放电设备

1）采用智能放电设备，用于检验蓄电池容量，作为核对性试验时的直流负荷。由于其可以对蓄电池恒流放电，改变了无法控制放电电流的缺点，保证了蓄电池的良好使用。在机组检修、设备维护周期内，定期对各电压等级的所有蓄电池进行充放电试验，检测现有蓄电池的健康状况。

2）蓄电池在进入系统工作之前，应进行细致的充放电试验，认真检测每一节电池，以保证蓄电池性能一致。

3）现使用的蓄电池大多是密封铅酸蓄电池，采用定电压限流充电新技术后，确保了蓄电池的使用寿命。

4.4 改变检测蓄电池容量的手段

采用智能检测设备，改变以往只用电表测量输出电压的简单方法。传统的电池电压测量方法只是用电表测电池在浮充状态下的电池端电压，实际上只能知道电池在浮充状态下的化学电势，即使是一个容量非常小的电池，在浮充状态下其端电压也可能显示正常，所以通过在浮充状态下测量电池电压来判断电池好坏的方法不可取。新型装置不仅可以测量电池电池内阻、充放电时电池电流及端电压的变化，还可以从容量分析判断电池的性能。

5 结束语

目前世界各国的核电站安全系统均设置了UPS供电装置，它是关乎核电安全的最后一道防线，如何使UPS系统安全稳定的运行是摆在新一代核电运行、调试人员面前的一个重要问题，而使用新一代的核电专用UPS监测控制系统，将极大的改善UPS的运行环境，提高核电厂在应对多种特殊环境中的供电可靠性，保证核电厂在严重事故情况下各关键安全系统重要参数的持续监视，缓解事故的后果，为核电站的事故处理提供可靠的电源保障，保证核电站安全的最终线。