核電廠直流和交流不間斷電源系統(tǒng)的介紹

核電廠直流和交流不間斷電源系統(tǒng)的介紹摘要:本文以方家山核電項目作為參考，描述了核電廠中電氣直流和交流不間斷電源(UPS)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和系統(tǒng)運行，同時講述了直流系統(tǒng)主要設(shè)備——蓄電池、充電器和直流配電柜以及交流不間斷電源(UPS)系統(tǒng)主要設(shè)備——逆變器的功能特性。同時對主要設(shè)備的調(diào)試內(nèi)容做了介紹,從而確保核電廠安全、可靠、穩(wěn)定運行。關(guān)鍵詞:直流系統(tǒng)、交流不間斷電源(UPS)系統(tǒng)、充電器、逆變器核電廠的直流系統(tǒng)作為操作電源，是斷路器的分閘、合閘回路,繼電保護裝置的操作回路、控制回路、信號回路和保護回路的工作電源，是核電廠廠用電系統(tǒng)的最重要組成部分。220V交流不間斷電源(UPS)系統(tǒng)是核電廠計算機、通信系統(tǒng)以及安全保護重要設(shè)備必需的一種不間斷、高可靠、高性能的電源。直流系統(tǒng)和交流不間斷電源(UPS)系統(tǒng)對保證核反應(yīng)堆的安全運行有著至關(guān)重要的作用，為了滿足單一故障準(zhǔn)則,核安全級的直流和交流不間斷電源系統(tǒng)需要冗余，電氣上隔離,實體上分隔。1直流和UPS系統(tǒng)的運行1.1直流系統(tǒng)的運行方式在核電廠中，直流系統(tǒng)的電壓可以分為24V、48V、110V和220V四種等級,其中某些系統(tǒng)為核安全級，對其中的設(shè)備有嚴(yán)格要求，必須按照RCC-E標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計制造和試驗。方家山核電工程的直流系統(tǒng)接線方式采用單母線分段形式，包括兩臺充電器和一組蓄電池，母聯(lián)開關(guān)將母線分為A和B兩段,A段母線上連接有一臺充電器、一組蓄電池和蓄電池試驗回路;B段母線連接有另一臺充電器、微機絕緣監(jiān)測儀以及饋線回路。正常運行時，由B段母線上的充電器向直流負(fù)荷供電，同時向蓄電池組浮充電,該充電器能提供最大持續(xù)負(fù)荷電流，同時維持蓄電池組端電壓不變。當(dāng)運行的該臺充電器發(fā)生故障時，就地手動切換到A段母線上的充電器，切換期間由蓄電池組為負(fù)荷進(jìn)行供電，為了提高供電的可靠性,兩臺充電器允許并聯(lián)運行,中間不設(shè)機械閉鎖。兩臺充電器的上游進(jìn)線電源取自不同的380V母線段。蓄電池組工作在浮充電狀態(tài)時，它僅需提供瞬時尖峰負(fù)荷。一旦充電器或其交流電源故障，蓄電池組能夠向本系統(tǒng)全部直流負(fù)荷供電至少1小時。如果1小時后還未恢復(fù)充電器供電,則系統(tǒng)有可能失電。蓄電池試驗回路系統(tǒng)與直流系統(tǒng)相配套,用于檢驗安裝在廠區(qū)內(nèi)的鉛酸蓄電池是否處于良好的工作狀態(tài)。當(dāng)直流系統(tǒng)停用時，即可進(jìn)行蓄電池10小時容量放電試驗以及1小時核對性放電試驗。放電電流可以在放電試驗小車上進(jìn)行調(diào)節(jié)。1.2交流不間斷電源(UPS)系統(tǒng)的運行方式220V交流不間斷電源(UPS)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如左圖所示，其主要有以下幾種工作模式:正常工作模式，電池工作模式,旁路工作模式和充電器工作模式。正常工作模式下，由交流線路通過AC-DC整流電路、逆變器,向負(fù)載供電。交流線路欠壓或失電時，由蓄電池通過逆變器向負(fù)載供電。如果逆變器過載或者失效,靜態(tài)開關(guān)斷開逆變器通路，同時將負(fù)載與旁路回路接通。當(dāng)負(fù)載恢復(fù)正常,或者系統(tǒng)恢復(fù)供電條件時,系統(tǒng)會自動從旁路工作模式切換回正常工作模式。逆變器自動跟蹤旁路電源的頻率并與旁路電源同步，當(dāng)旁路電源超出正常范圍50Hz±6%時，逆變器放棄跟蹤，轉(zhuǎn)為自動調(diào)整輸出頻率為50Hz。以上的相互切換,是靠控制靜態(tài)開關(guān)EA&EN來實現(xiàn)的。靜態(tài)開關(guān)切換時間不大于1毫秒。以上的工作模式切換是調(diào)試的重要內(nèi)容，是保證對重要負(fù)荷不間斷電源供給的重要一環(huán)。2直流系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和功能直流系統(tǒng)設(shè)備主要包括蓄電池、充電器、直流配電柜以及接地故障探測儀等。2.1蓄電池目前，核電廠直流系統(tǒng)廣泛使用鉛酸蓄電池,鉛酸蓄電池由二氧化鉛(PbO2)的正極板、鉛(Pb)的負(fù)極板和密度為1.2g/cm3?1.4g/cm3的稀硫酸(H2SO4)電解液構(gòu)成。方家山核電項目使用的是沈陽東北蓄電池有限公司生產(chǎn)的GFD系列固定型防酸式鉛酸蓄電池。該蓄電池具有管狀正極板，套以微孔套管及格柵式涂膏負(fù)極板。正、負(fù)極板之間插入微孔隔板，組裝在一個耐酸透明的電池槽內(nèi)，所有的正、負(fù)極板各自集合在正負(fù)極柱上。電池槽中的電解液比重在環(huán)境溫度20°C時為1.24g/cm3。每個電池均裝有防爆帽、液位指示器，每組配有兩套電解液比重計和溫度計。單個蓄電池的均衡充電電壓為2.30V,浮充電電壓為2.23V,事故放電終止電壓為1.87V。蓄電池初次使用前必須進(jìn)行初充電。初充電可以使用恒流充電和恒壓充電。蓄電池10小時容量放電試驗和1小時核對性放電試驗結(jié)束后，必須進(jìn)行補充電。此外為了使全列蓄電池的電解液密度、電壓均衡一致,從而增加電池的容量，延長使用壽命,還需進(jìn)行均衡充電。對蓄電池的充放電試驗和容量測試試驗，應(yīng)根據(jù)廠家提供的操作說明書和相應(yīng)的規(guī)范來進(jìn)行。2.2充電器方家山核電工程直流系統(tǒng)使用的充電器的整流模塊為三相橋式全控整流電路,包含電力二極管和可控硅。功率半導(dǎo)體用快速動作高分?jǐn)嗄芰Φ娜蹟嗥鞅Ｗo。充電器裝有限流保護，防止充電器過熱及部件損壞。為滿足對蓄電池的充電要求,充電器還應(yīng)具有穩(wěn)壓、穩(wěn)流、限流以及輸出電壓可調(diào)等特性。每個充電器由三相380V交流供電，都能承擔(dān)正常的穩(wěn)定負(fù)荷和給蓄電池浮充電。由一個蓄電池組與一個或兩個充電器組構(gòu)成各種電壓等級的直流電源。2.3直流配電柜直流配電柜采用的是廈門ABB的MNS型抽屜柜。本配電柜有三路進(jìn)線，其中兩路由充電器供電，一路由蓄電池組供電，正常運行時只有一臺充電器向本配電柜供電，同時經(jīng)直流母線向蓄電池組浮充電。當(dāng)充電器或其380V交流電源故障時,由蓄電池組向本配電柜供電。蓄電池進(jìn)線斷路器、充電器進(jìn)線斷路器和出線斷路器均配有延時動作的電磁脫扣器，以使短路保護具有選擇性，充電器進(jìn)線斷路器和出線斷路器還裝有熱脫扣器作為過載保護。另外，斷路器具有機械指示器指示分合閘狀態(tài)。2.4接地故障探測儀直流系統(tǒng)為不接地系統(tǒng),在接地故障中，危害較大的是兩點接地，可能造成嚴(yán)重后果。直流系統(tǒng)發(fā)生兩點接地故障，便可能構(gòu)成接地短路，造成繼電保護、信號、自動裝置誤動或拒動,或造成直流保險熔斷，使保護及自動裝置、控制回路失去電源。在復(fù)雜的保護回路中同極兩點接地,還可能將某些繼電器短接,不能動作于跳閘、致使越級跳閘。方家山核電工程使用了先進(jìn)的接地故障探測器來連續(xù)地監(jiān)測系統(tǒng)絕緣完整性,它能夠測出母線電壓,各分支回路的正極、負(fù)極對地的電壓值和絕緣電阻值，發(fā)生故障時，可以出指示故障極性及報警。調(diào)試試驗時,分別在母線和各分支回路出線端中接一滑線電阻器(35KQ—80KQ)調(diào)節(jié)滑線電阻器，當(dāng)其電阻值低于設(shè)定電阻值時，探測器上的紅燈亮并發(fā)出報警，同時液晶顯示屏上顯示發(fā)生接地故障的支路數(shù)和接地電阻值，同時通過DCS向主控室發(fā)出報警信號。3交流不間斷電源(UPS)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和功能UPS系統(tǒng)包括逆變器部分、整流器部分、靜態(tài)開關(guān)、手動旁路開關(guān)、隔離變壓器、調(diào)壓變壓器和交流配電屏等。3.1逆變器方家山核電工程交流不間斷電源(UPS)系統(tǒng)使用的逆變器單元主要由以下元件組成:逆變器、靜態(tài)開關(guān)EA&EN、三位手動旁路開關(guān)和旁路變壓器。其中的逆變功能模塊由IGBT組成的電壓型單相全橋逆變電路完成，使用SPWM控制技術(shù)使輸出得到品質(zhì)優(yōu)良的正弦波。逆變器的調(diào)試中，需要測量輸出波形并計算諧波總畸變(THD)以判斷是否達(dá)到性能要求。3.2整流器UPS系統(tǒng)中的整流器工作原理與直流充電器非常相似，這里不再介紹。380V三相交流電通過隔離變壓器和LC濾波后，輸入整流器，整流器將交流電轉(zhuǎn)化為直流電,輸送給逆變器，由于在蓄電池回路加裝逆止二極管,整流器正常工作時,不對蓄電池進(jìn)行充電，這樣能保證對逆變器負(fù)荷的能量供給。對于直接由直流系統(tǒng)供電的逆變系統(tǒng)，則沒有整流器設(shè)備。3.3靜態(tài)開關(guān)靜態(tài)開關(guān)是實現(xiàn)逆變器輸出和旁路回路切換的裝置，當(dāng)UPS的輸出故障或負(fù)載異常時,逆變器的輸出自動無中斷的切換到旁路市電，切換也可以是手動完成，手動切換同樣無中斷供電。靜態(tài)開關(guān)是用兩個可控硅(SCR)反向并聯(lián)組成的一種交流開關(guān),其閉合和斷開由邏輯控制器控制。4結(jié)語核電廠中直流和交流不間斷電源系統(tǒng)包含的系統(tǒng)很多,供電負(fù)荷較多。由于部分系統(tǒng)涉及到核安全，因此結(jié)構(gòu)復(fù)雜,運行方式靈活。在這些系統(tǒng)試驗調(diào)試前,要做好充分的準(zhǔn)備,熟練掌握系統(tǒng)的設(shè)備、組成結(jié)構(gòu)、功能和運行特性以及相關(guān)