核電廠直流和交流不間斷電源系統的介紹

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）系統的結構組成和系統運行，同時講述了直流系統主要設備蓄電池、充電器和直流配電柜以及交流不間斷電源（UPS）系統主要設備逆變器的功能特性。針對主要設備的調試內容做了簡要介紹。

關鍵詞：直流系統 交流不間斷電源系統 充電器 逆變器

中圖分類號：TG457.6 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（b）-0107-02

核電廠的直流系統作為斷路器的分閘、合閘回路，繼電保護裝置的操作、控制、信號和保護回路的工作電源，是核電廠廠用電系統最重要組成部分。220 V交流不間斷電源（UPS）系統是核電廠計算機、通信系統以及安全保護設備必需的一種不間斷、高可靠的電源。直流系統和UPS系統對保證核反應堆的安全運行有著至關重要的作用，為了滿足單一故障準則，核安全級的直流和交流不間斷電源系統需要冗余配置。并且電氣上隔離，實體上分隔。

1 直流和UPS系統的運行

1.1 直流系統的運行方式

在核電廠中，直流系統按電壓可以分為24 V、48 V、110 V和220 V四種等級，其中某些系統為核安全級，必須按照RCC-E標準進行設計制造和試驗。

核電工程的直流系統接線通常采用單母線分段形式，包括兩臺充電器和一組蓄電池，母聯開關將母線分為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荷供電，同時向蓄電池組浮充電，該充電器能提供最大持續負荷電流，同時維持蓄電池組端電壓不變。當運行的該臺充電器發生故障時，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荷進行供電，為了提高供電的可靠性，兩臺充電器允許并聯運行，中間不設機械閉鎖。直流系統進線電源取自不同的380 V母線段。

蓄電池組工作在浮充電狀態時，它僅需提供瞬時尖峰負荷。一旦充電器或其交流電源故障，蓄電池組能夠向本系統全部直流負荷供電至少1 h。如果1 h后還未恢復充電器供電，則系統有可能失電。

蓄電池試驗回路系統與直流系統相配套，用于檢驗安裝在廠區內的鉛酸蓄電池是否處于良好的工作狀態。當直流系統停用時，即可進行蓄電池10 h容量放電試驗以及1 h核對性放電試驗。放電電流可以在放電試驗小車上進行調節。

1.2 交流不間斷電源（UPS）系統的運行方式

220 V交流不間斷電源（UPS）系統結構圖如右圖所示，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。（如圖1）

正常工作模式下，由交流線路通過AC-DC整流電路、逆變器，向負載供電。交流線路欠壓或失電時，由蓄電池通過逆變器向負載供電。如果逆變器過載或者失效，靜態開關斷開逆變器通路，同時將負載與旁路回路接通。當負載恢復正常，或者系統恢復供電條件時，系統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，當旁路電源超出正常范圍50Hz±6%時，逆變器放棄跟蹤，轉為自動調整輸出頻率為50 Hz。以上的相互切換，是靠控制靜態開關EA&EN來實現的。靜態開關切換時間不大于1 ms。以上的工作模式切換是調試的重要內容，是保證對重要負荷不間斷電源供給的重要一環。

2 直流系統的組成結構和功能

直流系統設備主要包括蓄電池、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）的負極板和密度為1.2～ 1.4 g/cm3的稀硫酸（H2SO4）電解液構成。單個蓄電池的均衡充電電壓為2.30 V，浮充電電壓為2.23 V，事故放電終止電壓為 1.87 V。

蓄電池初次使用前必須進行初充電。初充電可恒流充電或恒壓充電。蓄電池10 h容量放電試驗和1 h核對性放電試驗結束后，必須進行補充電。此外為了使全列蓄電池的電解液密度、電壓均衡一致，還需進行均衡充電。

對蓄電池的充放電試驗和容量測試試驗，應根據廠家提供的操作說明書和相應的規范來進行。

2.2 充電器

直流系統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。功率半導體用快速動作高分斷能力的熔斷器保護。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，充電器還應具有穩壓、均流、限流以及輸出電壓可調等特性。

2.3 直流配電柜

核電廠直流配電柜常采用抽屜柜。共有三路進線，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配電柜供電，同時經直流母線向蓄電池組浮充電。當充電器或其380 V交流電源故障時，則由蓄電池組向配電柜供電。

蓄電池進線、充電器進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。

2.4 接地故障探測儀

直流系統接地故障探測器可連續地監測系統絕緣完整性，它能夠測出母線電壓，各分支回路的正極、負極對地的電壓值和絕緣電阻值，發生故障時，可以指示故障極性及報警。

調試試驗時，應分別在母線和各分支回路出線端中接一滑線電阻器（35～80 kΩ），調節滑線電阻器，當其電阻值低于設定電阻值時，探測器上的紅燈亮并發出報警，同時液晶顯示屏上顯示發生接地故障的支路數和接地電阻值，同時通過DCS向主控室發出報警信號。

3 交流不間斷電源（UPS）系統的組成結構和功能

UPS系統包括逆變器、整流器、靜態開關、手動旁路開關、隔離變、調壓變和交流配電屏等。

3.1 逆變器

UPS系統使用的逆變器單元主要由以下元件組成：逆變器、靜態開關EA&EN、三位手動旁路開關和旁路變壓器。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控制技術使輸出得到品質優良的正弦波。逆變器調試時，需要測量輸出波形并計算諧波總畸變（THD）以判斷是否達到性能要求。

3.2 整流器

380 V三相交流電通過隔離變和LC濾波后，輸入整流器轉化為直流電，再輸送給逆變器，由于在蓄電池回路加裝逆止二極管，整流器正常工作時，不對蓄電池進行充電，這樣能保證對逆變器負荷的能量供給。對于直接由直流系統供電的逆變系統，則沒有整流器設備。

3.3 靜態開關

靜態開關是實現逆變器輸出和旁路回路切換的裝置，當UPS的輸出故障或負載異常時，逆變器的輸出可自動的切換到旁路市電，切換也可以是手動完成，手動切換同樣無中斷供電。

4 結語

核電廠直流和UPS電源系統包含子系統很多，供電負荷也多。由于部分系統涉及到核安全，因此結構復雜，運行方式靈活。在這些系統試驗調試前，要做好充分的準備，熟練掌握系統的設備、組成結構、功能和運行特性以及相關試驗內容和方法，才能確保調試工作順利進行。

參考文獻

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