核电厂直流和交流不间断电源系统的介绍

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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。针对主要设备的调试内容做了简要介绍。

关键词：直流系统 交流不间断电源系统 充电器 逆变器

中图分类号：TG457.6 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）06（b）-0107-02

核电厂的直流系统作为断路器的分闸、合闸回路，继电保护装置的操作、控制、信号和保护回路的工作电源，是核电厂厂用电系统最重要组成部分。220 V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设备必需的一种不间断、高可靠的电源。直流系统和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配置。并且电气上隔离，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，直流系统按电压可以分为24 V、48 V、110 V和220 V四种等级，其中某些系统为核安全级，必须按照RCC-E标准进行设计制造和试验。

核电工程的直流系统接线通常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。直流系统进线电源取自不同的380 V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 h。如果1 h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 h容量放电试验以及1 h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

220 V交流不间断电源（UPS）系统结构图如右图所示，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。（如图1）

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50 Hz。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 ms。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1.2～ 1.4 g/cm3的稀硫酸（H2SO4）电解液构成。单个蓄电池的均衡充电电压为2.30 V，浮充电电压为2.23 V，事故放电终止电压为 1.87 V。

蓄电池初次使用前必须进行初充电。初充电可恒流充电或恒压充电。蓄电池10 h容量放电试验和1 h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，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

直流系统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、均流、限流以及输出电压可调等特性。

2.3 直流配电柜

核电厂直流配电柜常采用抽屉柜。共有三路进线，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380 V交流电源故障时，则由蓄电池组向配电柜供电。

蓄电池进线、充电器进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。

2.4 接地故障探测仪

直流系统接地故障探测器可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，可以指示故障极性及报警。

调试试验时，应分别在母线和各分支回路出线端中接一滑线电阻器（35～80 kΩ），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、整流器、静态开关、手动旁路开关、隔离变、调压变和交流配电屏等。

3.1 逆变器

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。逆变器调试时，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

380 V三相交流电通过隔离变和LC滤波后，输入整流器转化为直流电，再输送给逆变器，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，逆变器的输出可自动的切换到旁路市电，切换也可以是手动完成，手动切换同样无中断供电。

4 结语

核电厂直流和UPS电源系统包含子系统很多，供电负荷也多。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试验内容和方法，才能确保调试工作顺利进行。

参考文献

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