核電廠交流不間斷電源系統(tǒng)

朱曉峰

(中國核電工程有限公司,北京 100840)

由于核電廠安全運行的重要性，重要儀表、重要閥門和控制負荷都必需一種不間斷、高可靠、高性能的電源，因此交流不間斷電源（以下簡稱UPS）系統(tǒng)在核電廠內(nèi)有著大量的應(yīng)用。

1 UPS系統(tǒng)功能

UPS系統(tǒng)是保證給不能承受輕微電壓擾動或沖擊的裝置供應(yīng)電源。更為重要的是，在斷電條件下，UPS可以緊急填補電源缺口，當(dāng)遇到這種情況時，系統(tǒng)將自動切換至備用直流電源，直到主電源恢復(fù)為止。

2 UPS組成結(jié)構(gòu)

UPS系統(tǒng)主要由整流器、逆變器、蓄電池組、靜態(tài)開關(guān)、手動旁路開關(guān)等組成。

整流器應(yīng)用于向逆變器提供穩(wěn)定的直流電壓。整流系統(tǒng)由輸入隔離變壓器、整流器和控制盤等組成,交流工作電源輸入經(jīng)整流器變成直流，一部分能量給蓄電池組充電，另一部分能量經(jīng)逆變器變成交流給負載供電。逆變器由具有恒頻恒壓的靜態(tài)裝置構(gòu)成，具有全自動限流功能，用來防止其輸出超過最大運行值和輸出側(cè)的過負荷或短路。逆變器的輸入來自整流器的直流輸出或來自蓄電池組（直流電系統(tǒng)）。UPS系統(tǒng)運行時，逆變器自動跟蹤旁路電源的頻率并與旁路電源同步，在主機故障或工作電源消失時, 實現(xiàn)無擾動切換到旁路。靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)又稱靜止開關(guān)，是一種無觸點開關(guān)，由兩個可控硅(SCR)反向并聯(lián)組成，閉合和斷開由邏輯控制器控制。手動旁路開關(guān)具有自動、測試和旁路三位轉(zhuǎn)換，便于維護UPS設(shè)備。手動旁路開關(guān)是先通后斷結(jié)構(gòu), 以保證在切換過程中UPS輸出交流電源的連續(xù)性。

3 核電廠UPS系統(tǒng)的設(shè)計

本文以向反應(yīng)堆保護設(shè)備供電的LNA系統(tǒng)為例進行分析。LNA系統(tǒng)為在線式UPS，其容量為10kVA，所帶負荷約為5.5kVA，功率因數(shù)約為0.7，蓄電池組為GFD固定型防酸式鉛酸蓄電池，容量為250 Ah，節(jié)數(shù)為53節(jié)。

3.1 UPS工作方式選擇

UPS按工作方式，分為后備式、在線式和在線互動式。

后備式UPS平常電網(wǎng)走旁路直接供電給負載，只有停電時才由蓄電池經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換為交流電源提供給負載電力。后備式UPS具有電路簡單、成本低、可靠性高的優(yōu)點，但是其輸出電壓穩(wěn)定精度差，電網(wǎng)失電時負載供電有一段時間的中斷，另外受切換電流和動作時間的限制，輸出功率一般較小。

在線式UPS無論是電網(wǎng)供電正常時或供電不正常而由直流電源（蓄電池組）供電時，它對負載的供電均由UPS的逆變器提供，當(dāng)電網(wǎng)失電，在線式UPS沒有任何轉(zhuǎn)換動作，其對負載供電的轉(zhuǎn)換時間為零。當(dāng)逆變器或直流電源輸入故障時，由切換時間小于5mS的靜態(tài)開關(guān)瞬間轉(zhuǎn)換成旁路電源供電。這就從根本上消除了來自電網(wǎng)的任何電壓波動和干擾對負載的影響，真正實現(xiàn)了對負載的無干擾穩(wěn)壓供電。并且在線式UPS輸出正弦波的波形失真系數(shù)較小，一般小于3%。

在線互動式UPS平常由旁路輸出給負載，逆變器此時做為充電器，當(dāng)斷電時逆變器則將蓄電池能量轉(zhuǎn)為交流電供給負載。在線互動式UPS具有效率高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高的優(yōu)點，但是它大部分時間由電網(wǎng)直接給負載供電，輸出電壓質(zhì)量差，電網(wǎng)失電時交流旁路開關(guān)存在斷開時間，導(dǎo)致UPS輸出存在一定時間的電能中斷。

綜上三種UPS工作方式的特點，對于核電廠內(nèi)不允許斷電且對電源質(zhì)量要求較高的重要用電設(shè)備來說，則須選用在線式UPS系統(tǒng)。

3.2 UPS容量選擇

UPS容量選擇是一個很重要的問題：選大了，造成投資過大，而且過度輕載，可能造成市電停電時蓄電池放電電流小，放電時間偏長，從而造成蓄電池深度放電；選小了，雖然節(jié)約一部分資金，但UPS長期處于重載狀態(tài)，會使輸出波形發(fā)生畸變，不能滿足用電設(shè)備的要求，也容易造成逆變器的損壞。

在確定UPS容量前,先要計算出負載的總?cè)萘俊PS最佳帶載量應(yīng)控制在額定容量的60%～80%,同時兼顧考慮以后升級,應(yīng)留有一定的擴充余地。另外，UPS 的逆變器設(shè)有過載保護,一般當(dāng)輸出電流超過(1.2～1.25)In時,將自動切換至旁路供電。為了避免多臺負載同時啟動時的迭加沖擊電流使UPS運行方式發(fā)生頻繁切換,而且避免主回路元件不至于過熱,UPS容量也應(yīng)留有足夠的余地。

UPS 的容量可以根據(jù)下式進行計算：U P S額定輸出容量S=n×m×P—公式(1)。式中S：UPS容量。P：實際負載功率。n：UPS 安全系數(shù)，一般為1.2～1.5。m：余量系數(shù)，通常為1.15～ 1.2。

現(xiàn)根據(jù)公式（1）進行驗證，UPS 安全系數(shù)n 取1.5，余量系數(shù) m 取 1.2，則 ：

UPS額定輸出容量S=n×m×P=1.5×1.2×5.5=9.9kVA

所以LNA系統(tǒng)容量選擇為10kVA是較為合適的。

3.3 蓄電池組選擇

為保證電網(wǎng)停電時UPS能繼續(xù)向負載提供電源，后備蓄電池組的選擇尤為重要，核電要求其后備時間不低于1小時。

（1）蓄電池節(jié)數(shù)確定

蓄電池節(jié)數(shù)還應(yīng)根據(jù)實際設(shè)備情況滿足以下條件：蓄電池組最低端電壓/蓄電池放電終止電壓＜蓄電池節(jié)數(shù)＜蓄電池組最高端電壓/蓄電池單體均充電壓

LNA系統(tǒng)逆變器輸入電壓范圍為110V(-15%～+20%)，則蓄電池組最低端電壓為93.5V；充電器電壓不能超過121V，則蓄電池組最高端電壓為121V；蓄電池單體放電終止電壓為1.86V，蓄電池單體均充電壓為2.28V。計算可知50.3＜蓄電池節(jié)數(shù)＜53.1，因此LNA系統(tǒng)所用蓄電池組選擇的是53節(jié)蓄電池可以滿足要求。

由于UPS 的逆變器設(shè)置了低電壓保護,當(dāng)電池的個數(shù)多一點時，放電至逆變器低電壓自動關(guān)閉時的單個電池電壓會低一點,從而延長放電時間，能充分發(fā)揮電池容量；但這樣，容易使蓄電池放電后期單個電池的電壓過低，從而導(dǎo)致過放電，所以為了保護電池, 電池個數(shù)應(yīng)少一點，設(shè)計時需要適當(dāng)?shù)靥幚磉@一矛盾。核電常規(guī)島部分UPS系統(tǒng)采用的是52節(jié)電池，而核島部分采用的是53節(jié)電池就是出于這個考慮。

（2）蓄電池容量確定

蓄電池容量選擇條件：

1.應(yīng)滿足全廠事故全停電時間內(nèi)的放電容量；

2.應(yīng)滿足事故初期(1min)直流電動機啟動電流和其他沖擊負荷電流的放電容量；

3.應(yīng)滿足蓄電池組持續(xù)放電時間（5S）內(nèi)沖擊負荷電流的放電容量；

4.應(yīng)以最嚴(yán)重的事故放電階段，計算直流母線電壓水平；

蓄電池容量有兩種計算方法：電壓控制法（亦稱容量換算法）和階梯計算法（亦稱電流換算法）。本文以電壓控制法進行分析。

電壓控制法，即先計算滿足事故全停電狀態(tài)下的持續(xù)放電容量，再按蓄電池端電壓進行驗證，具體計算步驟如下：

1.按事故放電時間分別統(tǒng)計事故放電容量。

2.根據(jù)蓄電池型式、放電終止電壓和放電時間，確定相應(yīng)的容量系數(shù)KCC。

3.根據(jù)事故放電容量計算所需容量CC。選取與計算容量最大值接近的蓄電池標(biāo)稱容量C10。

4.進行蓄電池端電壓水平的計算，應(yīng)滿足直流系統(tǒng)最低電壓的要求。

（一）先計算滿足事故全停電狀態(tài)下的持續(xù)放電容量—公式（3）。式中CC：蓄電池10h放電率計算容量。CSX：事故全停電狀態(tài)下相對應(yīng)的持續(xù)放電時間的放電容量。KK：可靠系數(shù)，取1.40。KCC：容量系數(shù)，在指定放電終止電壓，對應(yīng)放電時間，查表1得。

表1 GFD型3000Ah及以下防酸式鉛酸蓄電池（單體2V）的容量選擇系數(shù)表

當(dāng)LNA系統(tǒng)在電網(wǎng)失電啟用蓄電池組給逆變器供電時，考慮最極端情況，既UPS滿載容量10kVA情況下，能運行至少一小時來計算蓄電池容量。

LNA系統(tǒng)逆變器最低輸入電壓為93.5V，蓄電池組為53節(jié)電池，可知蓄電池實際最低放電電壓為1.76V。

查表（1）KCC=0.47，UPS滿載10kVA情況下

圖1 GFD型2000Ah及以下防酸式鉛酸蓄電池持續(xù)放電1.0h后沖擊放電曲線

（二）驗證任意事故放電階段末期，蓄電池能保持的電壓應(yīng)滿足要求—公式（4）。式中CSX：事故全停電狀態(tài)下相對應(yīng)的持續(xù)放電時間的放電容量。KK：可靠系數(shù)，取1.10。Kmx：任意事故放電階段的10h放電率電流倍數(shù)。I10：蓄電池10h放電率電流。t：事故放電時間。Kchmx：xh事故放電末期沖擊系數(shù)。

在圖1中，根據(jù)Kmx值找出相應(yīng)的曲線，對應(yīng)Kchmx=0值，查出單體電池電壓值Ud。根據(jù)公式（4） ，查圖1可知單體電池放電末期電壓值Ud大約1.90V，大于1.76V，能滿足要求。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合核電廠實際情況，針對UPS設(shè)備容量、蓄電池組容量及節(jié)數(shù)的設(shè)計過程進行詳細分析，這對核電設(shè)計和核電調(diào)試都有較高的參考價值。

[1] 電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)范，DL/T5044-2004

[2] 核電廠用鉛酸蓄電池，EJ/T 525-2002

［3] 鄭文權(quán)，孫翠英，UPS在電廠中的應(yīng)用.電力學(xué)報，2006,（3）

［4] 周志敏，周繼海，UPS實用技術(shù)-應(yīng)用與維護，北京：人民郵電出版社，2003

［5] 王艷霞，王永強，UPS電源的選擇和使用,焦作大學(xué)學(xué)報，2007,（10）