核電廠交流不間斷電源系統

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）系統在核電廠內有著大量的應用。

1 UPS系統功能

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

2 UPS組成結構

UPS系統主要由整流器、逆變器、蓄電池組、靜態開關、手動旁路開關等組成。

整流器應用于向逆變器提供穩定的直流電壓。整流系統由輸入隔離變壓器、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裝置構成，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）。UPS系統運行時，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, 實現無擾動切換到旁路。靜態轉換開關又稱靜止開關，是一種無觸點開關，由兩個可控硅(SCR)反向并聯組成，閉合和斷開由邏輯控制器控制。手動旁路開關具有自動、測試和旁路三位轉換，便于維護UPS設備。手動旁路開關是先通后斷結構, 以保證在切換過程中UPS輸出交流電源的連續性。

3 核電廠UPS系統的設計

本文以向反應堆保護設備供電的LNA系統為例進行分析。LNA系統為在線式UPS，其容量為10kVA，所帶負荷約為5.5kVA，功率因數約為0.7，蓄電池組為GFD固定型防酸式鉛酸蓄電池，容量為250 Ah，節數為53節。

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平常電網走旁路直接供電給負載，只有停電時才由蓄電池經逆變器轉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、可靠性高的優點，但是其輸出電壓穩定精度差，電網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，當電網失電，在線式UPS沒有任何轉換動作，其對負載供電的轉換時間為零。當逆變器或直流電源輸入故障時，由切換時間小于5mS的靜態開關瞬間轉換成旁路電源供電。這就從根本上消除了來自電網的任何電壓波動和干擾對負載的影響，真正實現了對負載的無干擾穩壓供電。并且在線式UPS輸出正弦波的波形失真系數較小，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，當斷電時逆變器則將蓄電池能量轉為交流電供給負載。在線互動式UPS具有效率高、結構簡單、成本低、可靠性高的優點，但是它大部分時間由電網直接給負載供電，輸出電壓質量差，電網失電時交流旁路開關存在斷開時間，導致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，對于核電廠內不允許斷電且對電源質量要求較高的重要用電設備來說，則須選用在線式UPS系統。

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，雖然節約一部分資金，但UPS長期處于重載狀態，會使輸出波形發生畸變，不能滿足用電設備的要求，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容量。UPS最佳帶載量應控制在額定容量的60%～80%,同時兼顧考慮以后升級,應留有一定的擴充余地。另外，UPS 的逆變器設有過載保護,一般當輸出電流超過(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運行方式發生頻繁切換,而且避免主回路元件不至于過熱,UPS容量也應留有足夠的余地。

UPS 的容量可以根據下式進行計算：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，一般為1.2～1.5。m：余量系數，通常為1.15～ 1.2。

現根據公式（1）進行驗證，UPS 安全系數n 取1.5，余量系數 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

為保證電網停電時UPS能繼續向負載提供電源，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）蓄電池節數確定

蓄電池節數還應根據實際設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＜蓄電池節數＜蓄電池組最高端電壓/蓄電池單體均充電壓

LNA系統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＜蓄電池節數＜53.1，因此LNA系統所用蓄電池組選擇的是53節蓄電池可以滿足要求。

由于UPS 的逆變器設置了低電壓保護,當電池的個數多一點時，放電至逆變器低電壓自動關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，從而導致過放電，所以為了保護電池, 電池個數應少一點，設計時需要適當地處理這一矛盾。核電常規島部分UPS系統采用的是52節電池，而核島部分采用的是53節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.應滿足全廠事故全停電時間內的放電容量；

2.應滿足事故初期(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.應滿足蓄電池組持續放電時間（5S）內沖擊負荷電流的放電容量；

4.應以最嚴重的事故放電階段，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下的持續放電容量，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計事故放電容量。

2.根據蓄電池型式、放電終止電壓和放電時間，確定相應的容量系數KCC。

3.根據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稱容量C10。

4.進行蓄電池端電壓水平的計算，應滿足直流系統最低電壓的要求。

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

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

當LNA系統在電網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系統逆變器最低輸入電壓為93.5V，蓄電池組為53節電池，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滿足要求—公式（4）。式中CSX：事故全停電狀態下相對應的持續放電時間的放電容量。KK：可靠系數，取1.10。Kmx：任意事故放電階段的10h放電率電流倍數。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。

在圖1中，根據Kmx值找出相應的曲線，對應Kchmx=0值，查出單體電池電壓值Ud。根據公式（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 結束語

本文結合核電廠實際情況，針對UPS設備容量、蓄電池組容量及節數的設計過程進行詳細分析，這對核電設計和核電調試都有較高的參考價值。

[1] 電力工程直流系統設計技術規范，DL/T5044-2004

[2] 核電廠用鉛酸蓄電池，EJ/T 525-2002

［3] 鄭文權，孫翠英，UPS在電廠中的應用.電力學報，2006,（3）

［4] 周志敏，周繼海，UPS實用技術-應用與維護，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,焦作大學學報，2007,（10）