核电厂直流和交流不间断电源系统的介绍

核电厂直流和交流不间断电源系统的介绍摘要:本文以方家山核电项目作为参考，描述了核电厂中电气直流和交流不间断电源(UPS)系统的结构组成和系统运行，同时讲述了直流系统主要设备——蓄电池、充电器和直流配电柜以及交流不间断电源(UPS)系统主要设备——逆变器的功能特性。同时对主要设备的调试内容做了介绍,从而确保核电厂安全、可靠、稳定运行。关键词:直流系统、交流不间断电源(UPS)系统、充电器、逆变器核电厂的直流系统作为操作电源，是断路器的分闸、合闸回路,继电保护装置的操作回路、控制回路、信号回路和保护回路的工作电源，是核电厂厂用电系统的最重要组成部分。220V交流不间断电源(UPS)系统是核电厂计算机、通信系统以及安全保护重要设备必需的一种不间断、高可靠、高性能的电源。直流系统和交流不间断电源(UPS)系统对保证核反应堆的安全运行有着至关重要的作用，为了满足单一故障准则,核安全级的直流和交流不间断电源系统需要冗余，电气上隔离,实体上分隔。1直流和UPS系统的运行1.1直流系统的运行方式在核电厂中，直流系统的电压可以分为24V、48V、110V和220V四种等级,其中某些系统为核安全级，对其中的设备有严格要求，必须按照RCC-E标准进行设计制造和试验。方家山核电工程的直流系统接线方式采用单母线分段形式，包括两台充电器和一组蓄电池，母联开关将母线分为A和B两段,A段母线上连接有一台充电器、一组蓄电池和蓄电池试验回路;B段母线连接有另一台充电器、微机绝缘监测仪以及馈线回路。正常运行时，由B段母线上的充电器向直流负荷供电，同时向蓄电池组浮充电,该充电器能提供最大持续负荷电流，同时维持蓄电池组端电压不变。当运行的该台充电器发生故障时，就地手动切换到A段母线上的充电器，切换期间由蓄电池组为负荷进行供电，为了提高供电的可靠性,两台充电器允许并联运行,中间不设机械闭锁。两台充电器的上游进线电源取自不同的380V母线段。蓄电池组工作在浮充电状态时，它仅需提供瞬时尖峰负荷。一旦充电器或其交流电源故障，蓄电池组能够向本系统全部直流负荷供电至少1小时。如果1小时后还未恢复充电器供电,则系统有可能失电。蓄电池试验回路系统与直流系统相配套,用于检验安装在厂区内的铅酸蓄电池是否处于良好的工作状态。当直流系统停用时，即可进行蓄电池10小时容量放电试验以及1小时核对性放电试验。放电电流可以在放电试验小车上进行调节。1.2交流不间断电源(UPS)系统的运行方式220V交流不间断电源(UPS)系统结构图如左图所示，其主要有以下几种工作模式:正常工作模式，电池工作模式,旁路工作模式和充电器工作模式。正常工作模式下，由交流线路通过AC-DC整流电路、逆变器,向负载供电。交流线路欠压或失电时，由蓄电池通过逆变器向负载供电。如果逆变器过载或者失效,静态开关断开逆变器通路，同时将负载与旁路回路接通。当负载恢复正常,或者系统恢复供电条件时,系统会自动从旁路工作模式切换回正常工作模式。逆变器自动跟踪旁路电源的频率并与旁路电源同步，当旁路电源超出正常范围50Hz±6%时，逆变器放弃跟踪，转为自动调整输出频率为50Hz。以上的相互切换,是靠控制静态开关EA&EN来实现的。静态开关切换时间不大于1毫秒。以上的工作模式切换是调试的重要内容，是保证对重要负荷不间断电源供给的重要一环。2直流系统的组成结构和功能直流系统设备主要包括蓄电池、充电器、直流配电柜以及接地故障探测仪等。2.1蓄电池目前，核电厂直流系统广泛使用铅酸蓄电池,铅酸蓄电池由二氧化铅(PbO2)的正极板、铅(Pb)的负极板和密度为1.2g/cm3〜1.4g/cm3的稀硫酸(H2SO4)电解液构成。方家山核电项目使用的是沈阳东北蓄电池有限公司生产的GFD系列固定型防酸式铅酸蓄电池。该蓄电池具有管状正极板，套以微孔套管及格栅式涂膏负极板。正、负极板之间插入微孔隔板，组装在一个耐酸透明的电池槽内，所有的正、负极板各自集合在正负极柱上。电池槽中的电解液比重在环境温度20°C时为1.24g/cm3。每个电池均装有防爆帽、液位指示器，每组配有两套电解液比重计和温度计。单个蓄电池的均衡充电电压为2.30V,浮充电电压为2.23V,事故放电终止电压为1.87V。蓄电池初次使用前必须进行初充电。初充电可以使用恒流充电和恒压充电。蓄电池10小时容量放电试验和1小时核对性放电试验结束后，必须进行补充电。此外为了使全列蓄电池的电解液密度、电压均衡一致,从而增加电池的容量，延长使用寿命,还需进行均衡充电。对蓄电池的充放电试验和容量测试试验，应根据厂家提供的操作说明书和相应的规范来进行。2.2充电器方家山核电工程直流系统使用的充电器的整流模块为三相桥式全控整流电路,包含电力二极管和可控硅。功率半导体用快速动作高分断能力的熔断器保护。充电器装有限流保护，防止充电器过热及部件损坏。为满足对蓄电池的充电要求,充电器还应具有稳压、稳流、限流以及输出电压可调等特性。每个充电器由三相380V交流供电，都能承担正常的稳定负荷和给蓄电池浮充电。由一个蓄电池组与一个或两个充电器组构成各种电压等级的直流电源。2.3直流配电柜直流配电柜采用的是厦门ABB的MNS型抽屉柜。本配电柜有三路进线，其中两路由充电器供电，一路由蓄电池组供电，正常运行时只有一台充电器向本配电柜供电，同时经直流母线向蓄电池组浮充电。当充电器或其380V交流电源故障时,由蓄电池组向本配电柜供电。蓄电池进线断路器、充电器进线断路器和出线断路器均配有延时动作的电磁脱扣器，以使短路保护具有选择性，充电器进线断路器和出线断路器还装有热脱扣器作为过载保护。另外，断路器具有机械指示器指示分合闸状态。2.4接地故障探测仪直流系统为不接地系统,在接地故障中，危害较大的是两点接地，可能造成严重后果。直流系统发生两点接地故障，便可能构成接地短路，造成继电保护、信号、自动装置误动或拒动,或造成直流保险熔断，使保护及自动装置、控制回路失去电源。在复杂的保护回路中同极两点接地,还可能将某些继电器短接,不能动作于跳闸、致使越级跳闸。方家山核电工程使用了先进的接地故障探测器来连续地监测系统绝缘完整性,它能够测出母线电压,各分支回路的正极、负极对地的电压值和绝缘电阻值，发生故障时，可以出指示故障极性及报警。调试试验时,分别在母线和各分支回路出线端中接一滑线电阻器(35KQ—80KQ)调节滑线电阻器，当其电阻值低于设定电阻值时，探测器上的红灯亮并发出报警，同时液晶显示屏上显示发生接地故障的支路数和接地电阻值，同时通过DCS向主控室发出报警信号。3交流不间断电源(UPS)系统的组成结构和功能UPS系统包括逆变器部分、整流器部分、静态开关、手动旁路开关、隔离变压器、调压变压器和交流配电屏等。3.1逆变器方家山核电工程交流不间断电源(UPS)系统使用的逆变器单元主要由以下元件组成:逆变器、静态开关EA&EN、三位手动旁路开关和旁路变压器。其中的逆变功能模块由IGBT组成的电压型单相全桥逆变电路完成，使用SPWM控制技术使输出得到品质优良的正弦波。逆变器的调试中，需要测量输出波形并计算谐波总畸变(THD)以判断是否达到性能要求。3.2整流器UPS系统中的整流器工作原理与直流充电器非常相似，这里不再介绍。380V三相交流电通过隔离变压器和LC滤波后，输入整流器，整流器将交流电转化为直流电,输送给逆变器，由于在蓄电池回路加装逆止二极管,整流器正常工作时,不对蓄电池进行充电，这样能保证对逆变器负荷的能量供给。对于直接由直流系统供电的逆变系统，则没有整流器设备。3.3静态开关静态开关是实现逆变器输出和旁路回路切换的装置，当UPS的输出故障或负载异常时,逆变器的输出自动无中断的切换到旁路市电，切换也可以是手动完成，手动切换同样无中断供电。静态开关是用两个可控硅(SCR)反向并联组成的一种交流开关,其闭合和断开由逻辑控制器控制。4结语核电厂中直流和交流不间断电源系统包含的系统很多,供电负荷较多。由于部分系统涉及到核安全，因此结构复杂,运行方式灵活。在这些系统试验调试前,要做好充分的准备,熟练掌握系统的设备、组成结构、功能和运行特性以及相关