核電站全廠斷電工況下蓄電池供電時(shí)間的探討

賈良博(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 314300)

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核電站全廠斷電工況下蓄電池供電時(shí)間的探討

賈良博
(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 314300)

〔摘 要〕介紹了蓄電池組在全廠斷電工況下的作用；對(duì)蓄電池在全廠斷電工況下的持續(xù)供電時(shí)間進(jìn)行了分析，為處理全廠斷電事故提供了時(shí)間依據(jù)；最后，為了確保在核電廠全廠停電工況下蓄電池的必要供電時(shí)間，提出了對(duì)蓄電池的養(yǎng)護(hù)建議及蓄電池事故的處理預(yù)案。

〔關(guān)鍵詞〕核電站；全廠斷電；蓄電池；供電時(shí)間；經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式

0 引言

核電廠用不間斷電源由整流裝置(充電器)、蓄電池組、逆變裝置(逆變器)構(gòu)成，共設(shè)置2套實(shí)體上分隔和電氣上隔離的不間斷電源裝置，主要向反應(yīng)堆安全停堆系統(tǒng)、安注系統(tǒng)、重要監(jiān)視儀表等設(shè)備提供控制電源。

在核電站運(yùn)行工況下，蓄電池組與充電器并聯(lián)運(yùn)行。在充電器發(fā)生故障或供充電器的380 V交流電源丟失時(shí)，蓄電池組不僅能不間斷地向用電設(shè)備提供直流電源，保證核安全相關(guān)設(shè)備的短時(shí)控制電源不丟失，還能為充電器不能供給的瞬時(shí)尖峰負(fù)荷(例如由充電器調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)或電流限值等原因造成的尖峰負(fù)荷)供電。

1 全廠斷電工況下蓄電池供電時(shí)間分析

1.1 全廠斷電工況

某核電廠3，4號(hào)機(jī)組6 kV中壓系統(tǒng)正常狀態(tài)下由500 kV主變壓器、220 kV輔助變壓器供電。每臺(tái)機(jī)組有正常廠用母線4段(LGA，LGB，LGC，LGD)、應(yīng)急母線2段(LHA，LHB)、循泵房母線2段(LGEA，LGEB)、2臺(tái)機(jī)組共用母線2 段(LGIA，LGIB)、備用電源母線2段(LGR001，LGR002)。

當(dāng)LHA，LHB 2段應(yīng)急母線故障報(bào)警同時(shí)觸發(fā)，且該2段母線主控電壓指示表同時(shí)顯示為0時(shí)，便可診斷出發(fā)生了全廠斷電事故。此時(shí)，核電廠電源控制方面應(yīng)進(jìn)行的操作有：

(1) LLS柴油機(jī)啟動(dòng)向應(yīng)急電源配電箱LNE360CR供電；

(2) 將不間斷電源LNE系統(tǒng)(LNE系統(tǒng)直流電源來(lái)自220 V LAA系統(tǒng)，且LAA系統(tǒng)僅LNE系統(tǒng)這一負(fù)荷。因此，LNE系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式計(jì)算的是LAA蓄電池的情況)和LCA系統(tǒng)(48 V直流系統(tǒng))轉(zhuǎn)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式、LGIA切換至LGC母線帶載。

LNE系統(tǒng)上游電源來(lái)自LAA系統(tǒng)，LAA系統(tǒng)上游電源來(lái)自LLC配電盤(pán)；LCA系統(tǒng)上游電源同樣來(lái)自LLC配電盤(pán)。LLC母線由LHA母線段提供電源，LHA母線段失電造成LNE系統(tǒng)和LCA系統(tǒng)直流母線段電源失去。此時(shí)，失去正常電源的直流母線由LAA系統(tǒng)和LCA系統(tǒng)電源蓄電池帶載。

1.2 LAA系統(tǒng)和LCA系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式分析

經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式是指在輸出電能相同的條件下，通過(guò)擇優(yōu)選取最佳運(yùn)行方式和調(diào)整負(fù)載，使蓄電池不必要的電能輸出降到最低。其中，在全廠斷電情況下，蓄電池上游電源丟失，此時(shí)蓄電池處于直接對(duì)負(fù)載放電模式。調(diào)整負(fù)載是實(shí)現(xiàn)蓄電池經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式的主要手段，具體計(jì)算方法如下。

計(jì)算可分為2個(gè)階段，第1階段：30 min內(nèi)，按正常運(yùn)行期間的電流計(jì)算；第2階段：30 min后，按設(shè)計(jì)要求保留的負(fù)荷計(jì)算。下面以3號(hào)機(jī)組為例，計(jì)算3LAA和3LCA系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式。

3LAA系統(tǒng)第1階段正常運(yùn)行時(shí)測(cè)量的3LAA系統(tǒng)進(jìn)線電流為98 A；第2階段，測(cè)量的保留負(fù)荷運(yùn)行電流為37．4 A。

3LCA系統(tǒng)第1階段正常運(yùn)行時(shí)測(cè)量的3LCA系統(tǒng)進(jìn)線電流為104 A；第2階段，測(cè)量的保留負(fù)荷運(yùn)行電流為55．6 A。

由于使用鉛酸蓄電池放電時(shí)間Peukert經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算與試驗(yàn)得到的結(jié)果的符合性較好，而使用IEEE485計(jì)算得到的鉛酸蓄電池放電時(shí)間較保守，因此下面使用Peukert經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行分析。Peukert經(jīng)驗(yàn)公式如下：

K=Int (1)

式(1)中，K為蓄電池理論容量；I為放電電流；t為放電持續(xù)時(shí)間；n為Peukert常數(shù)，其值在1．15-1．42。

Peukert經(jīng)驗(yàn)公式表明，放電電流愈大，蓄電池容量愈小。但采用該方法計(jì)算沒(méi)有考慮環(huán)境溫度、設(shè)計(jì)裕度和老化系數(shù)的影響，且當(dāng)放電電流很小時(shí)不適用。

LAA和LCA蓄電池使用的是GFD-2000型蓄電池，根據(jù)廠家說(shuō)明書(shū)，蓄電池的終止放電電壓為1．87 V/只，5 h放電電流為296．0 A，10 h放電電流為185．6 A。將數(shù)據(jù)分別代入Peukert經(jīng)驗(yàn)公式，有K=185．6n×10=296n×5，計(jì)算得到Peukert常數(shù)n=1．485，蓄電池理論容量K=23 379 Ah。

(1) 3LAA蓄電池組全廠斷電工況下帶載放電時(shí)間分析如下。

第1階段：正常運(yùn)行電流為98 A，帶載放電時(shí)間為0．5 h，K1=Int=981．485×0．5=905．672× 0．5=453 Ah。

第2階段：蓄電池剩余容量K2=K-K1=23 379-453=22 926 Ah。

第2階段放電電流I=37．4 A，代入公式(1)，則29 926=37．41．485t，t=138．1 h。

這樣計(jì)算得到蓄電池總共的放電時(shí)間為138．1+0．5=138．6 h。

(2) 3LCA蓄電池組全廠斷電工況下帶載放電時(shí)間分析如下。

第1階段：正常運(yùn)行電流為104 A，帶載放電時(shí)間為0．5 h，K1=Int=1041．485×0．5=494 Ah。

第2階段：蓄電池剩余容量K2=K-K1=23 379-494=22 885 Ah。

第2階段放電電流I=55．6A，代入公式(1)，則22 885=55．61．485t，t=58．6 h。

這樣計(jì)算得到蓄電池總共的放電時(shí)間為58．6+0．5=59．1 h。

(3) 計(jì)算結(jié)果。該核電廠3，4號(hào)機(jī)組在全廠斷電工況下涉及的蓄電池放電時(shí)間為：LAA蓄電池放電時(shí)間為138．6 h；LCA蓄電池放電時(shí)間為59．1 h。

1.3 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式供電時(shí)間評(píng)價(jià)

LAA/LCA系統(tǒng)的主要負(fù)荷是6 kV及380 V電源開(kāi)關(guān)控制部分、RGL棒控系統(tǒng)控制電源部分、電動(dòng)閥門(mén)過(guò)程控制部分、操作員控制室模擬盤(pán)、計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、直流配電盤(pán)接地故障探測(cè)器、記錄儀和指示儀以及堆芯儀控系統(tǒng)。

經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式計(jì)算中的第1階段是正常帶載情況下蓄電池的供電時(shí)間，要求為30 min。在這30 min內(nèi)，主控操作員要將反應(yīng)堆停堆，具體操作時(shí)間統(tǒng)計(jì)情況如下。

(1) 反應(yīng)堆控制棒插入堆芯底部使反應(yīng)堆停堆共225步。當(dāng)反應(yīng)堆失去廠外電源導(dǎo)致停堆時(shí)，控制棒在重力作用下掉入堆芯底部，耗時(shí)約2．4 s。當(dāng)需要人工操作將控制棒插入堆芯底部時(shí)，控制棒的插入速度在6-72步/min內(nèi)可調(diào)，一般控制在48 步/min，耗時(shí)約4．687 5 min，最慢速度情況下耗時(shí)37．5 min。

(2) 6 kV開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)間為30 ms，此時(shí)間為大修期間主控操作斷路器的平均分閘時(shí)間。當(dāng)人為斷開(kāi)6 kV斷路器時(shí)，熟練工1 min可斷開(kāi)1臺(tái)斷路器。每臺(tái)機(jī)組6 kV母線共計(jì)有12段。因此，當(dāng)失去廠外電源時(shí)，依次斷開(kāi)6 kV斷路器所需的時(shí)間為：主控操作0．36 s，人工操作12 min。考慮到異常情況，可將操作斷路器的時(shí)間控制在30 min內(nèi)。

通過(guò)上述計(jì)算，在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式的第1階段中，反應(yīng)堆的停堆操作可控制在30 min內(nèi)(反應(yīng)堆停堆和6 kV開(kāi)關(guān)分閘操作同時(shí)進(jìn)行)。在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式的第2階段，LAA/LCA系統(tǒng)向計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、記錄儀和指示儀供電，主要起到監(jiān)視和數(shù)據(jù)分析作用，在此階段已完成了主要設(shè)備的安全操作。根據(jù)上述分析，該核電廠在全廠斷電工況下，2組蓄電池的供電時(shí)間均可滿足核電廠的安全操作及事故處理時(shí)間要求。

2 蓄電池維護(hù)建議及其事故處理預(yù)案

為了確保在核電廠全廠斷電工況下蓄電池的供電時(shí)間，應(yīng)加強(qiáng)蓄電池的維護(hù)。下面主要從蓄電池初次充放電、日常充放電、蓄電池事故處理預(yù)案及防止蓄電池接地4方面進(jìn)行分析。

2.1 初次充放電

在核電站安裝階段中，蓄電池的初次充放電工作一般在廠家完成，如對(duì)工期有特殊要求，可以在核電廠調(diào)試工地進(jìn)行初次充放電工作。在初次充放電過(guò)程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

(1) 初次充放電步驟。依次分為初次充電3．6倍額定容量，初次放電全部額定容量；C10充電，C10放電；C10充電，ID放電；C10補(bǔ)充電4個(gè)步驟。

(2) 初次充放電冷卻方式。在初次充放電過(guò)程中，蓄電池發(fā)熱量較大，需要及時(shí)降溫。可采取水浴或冰塊冷卻方式，以保證電解液溫度穩(wěn)定在45 ℃以下。

2.2 日常充放電

蓄電池安裝調(diào)試完成后，將其運(yùn)至核電廠進(jìn)入電池的使用階段。在此階段中，蓄電池應(yīng)進(jìn)行如下養(yǎng)護(hù)工作。

(1) 每月1次蓄電池月檢工作：測(cè)量電池端電壓、電解液密度參數(shù)，要求其滿足要求。

(2) 核電廠機(jī)組大修期間進(jìn)行常規(guī)充放電試驗(yàn)，使用10 h放電率進(jìn)行充放電工作。大修時(shí)最好使用恒流法進(jìn)行充電，如果下游負(fù)載無(wú)法脫開(kāi)，需帶負(fù)荷充放電時(shí)，設(shè)置的充電器充電電流要加上負(fù)荷電流，放電電流要扣除負(fù)荷電流。

2.3 蓄電池事故處理預(yù)案

在全廠斷電工況下，下游負(fù)載切換至蓄電池帶載，此時(shí)如果發(fā)生過(guò)電流故障，蓄電池進(jìn)線開(kāi)關(guān)會(huì)跳閘，具體分析如下。

在蓄電池進(jìn)線抽屜內(nèi)設(shè)置1個(gè)過(guò)電流保護(hù)繼電器，當(dāng)發(fā)生過(guò)電流時(shí)該繼電器發(fā)出跳閘信號(hào)，蓄電池進(jìn)線開(kāi)關(guān)跳閘，同時(shí)聯(lián)跳充電器上游開(kāi)關(guān)和充電器輸出直流開(kāi)關(guān)，以保護(hù)充電器及下游負(fù)載。但在實(shí)際使用過(guò)程中，由于過(guò)電流保護(hù)繼電器存在誤動(dòng)作的可能，因此，建議在過(guò)電流跳閘信號(hào)回路中串聯(lián)1個(gè)充電器直流輸出低電壓常開(kāi)觸點(diǎn)。當(dāng)充電器輸出電壓正常時(shí)，觸點(diǎn)閉合，允許過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作；在全廠斷電工況下，充電器上游電源丟失，充電器輸出電壓低，常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，過(guò)流保護(hù)失效，依靠蓄電池進(jìn)線開(kāi)關(guān)內(nèi)部熔絲保護(hù)。這樣既保留了保護(hù)功能，又降低了保護(hù)誤動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 防止蓄電池接地

在蓄電池使用過(guò)程中，還易發(fā)生直流系統(tǒng)接地故障，可能造成電氣或熱工設(shè)備控制和保護(hù)拒動(dòng)或誤動(dòng)。蓄電池電解液漏液，通過(guò)外殼與大地相通是導(dǎo)致直流系統(tǒng)接地的主要原因。因此，在蓄電池日常維護(hù)中，要注意以下幾點(diǎn)：

(1) 蓄電池電解液不要加至高液位，只要加到高液位的2/3處即可；

(2) 若蓄電池上端蓋接縫處受酸液腐蝕而開(kāi)裂，應(yīng)及時(shí)修復(fù)；

(3) 蓄電池月檢完成后外殼要擦拭干凈，確保無(wú)液體殘留。

3 結(jié)束語(yǔ)

該核電廠3，4號(hào)機(jī)組在全廠斷電工況下，直流電源可應(yīng)急持續(xù)供電時(shí)間為：LAA蓄電池為138．6 h，LCA蓄電池為59．1 h。通過(guò)對(duì)此時(shí)反應(yīng)堆安全停堆操作時(shí)間的分析計(jì)算，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式下的蓄電池組供電時(shí)間可滿足安全停堆時(shí)間要求和后續(xù)的反應(yīng)堆控制的邏輯計(jì)算及記錄儀表供電要求。為了確保在全廠斷電工況下蓄電池的可靠供電，必須高度重視對(duì)蓄電池的維護(hù)。

賈良博(1983-)，男，工程師，主要從事核電站電氣維修工作，email：jialb@cnnp．com．cn。

作者簡(jiǎn)介：

收稿日期：2015-10-13。