核電站全廠斷電工況下蓄電池供電時間的探討

賈良博(中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300)

?

核電站全廠斷電工況下蓄電池供電時間的探討

賈良博
(中核核電運行管理有限公司，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；對蓄電池在全廠斷電工況下的持續供電時間進行了分析，為處理全廠斷電事故提供了時間依據；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間，提出了對蓄電池的養護建議及蓄電池事故的處理預案。

〔關鍵詞〕核電站；全廠斷電；蓄電池；供電時間；經濟運行模式

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)構成，共設置2套實體上分隔和電氣上隔離的不間斷電源裝置，主要向反應堆安全停堆系統、安注系統、重要監視儀表等設備提供控制電源。

在核電站運行工況下，蓄電池組與充電器并聯運行。在充電器發生故障或供充電器的380 V交流電源丟失時，蓄電池組不僅能不間斷地向用電設備提供直流電源，保證核安全相關設備的短時控制電源不丟失，還能為充電器不能供給的瞬時尖峰負荷(例如由充電器調節響應時間較長或電流限值等原因造成的尖峰負荷)供電。

1 全廠斷電工況下蓄電池供電時間分析

1.1 全廠斷電工況

某核電廠3，4號機組6 kV中壓系統正常狀態下由500 kV主變壓器、220 kV輔助變壓器供電。每臺機組有正常廠用母線4段(LGA，LGB，LGC，LGD)、應急母線2段(LHA，LHB)、循泵房母線2段(LGEA，LGEB)、2臺機組共用母線2 段(LGIA，LGIB)、備用電源母線2段(LGR001，LGR002)。

當LHA，LHB 2段應急母線故障報警同時觸發，且該2段母線主控電壓指示表同時顯示為0時，便可診斷出發生了全廠斷電事故。此時，核電廠電源控制方面應進行的操作有：

(1) LLS柴油機啟動向應急電源配電箱LNE360CR供電；

(2) 將不間斷電源LNE系統(LNE系統直流電源來自220 V LAA系統，且LAA系統僅LNE系統這一負荷。因此，LNE系統的經濟運行模式計算的是LAA蓄電池的情況)和LCA系統(48 V直流系統)轉到經濟運行模式、LGIA切換至LGC母線帶載。

LNE系統上游電源來自LAA系統，LAA系統上游電源來自LLC配電盤；LCA系統上游電源同樣來自LLC配電盤。LLC母線由LHA母線段提供電源，LHA母線段失電造成LNE系統和LCA系統直流母線段電源失去。此時，失去正常電源的直流母線由LAA系統和LCA系統電源蓄電池帶載。

1.2 LAA系統和LCA系統經濟運行模式分析

經濟運行模式是指在輸出電能相同的條件下，通過擇優選取最佳運行方式和調整負載，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，此時蓄電池處于直接對負載放電模式。調整負載是實現蓄電池經濟運行模式的主要手段，具體計算方法如下。

計算可分為2個階段，第1階段：30 min內，按正常運行期間的電流計算；第2階段：30 min后，按設計要求保留的負荷計算。下面以3號機組為例，計算3LAA和3LCA系統的經濟運行模式。

3LAA系統第1階段正常運行時測量的3LAA系統進線電流為98 A；第2階段，測量的保留負荷運行電流為37．4 A。

3LCA系統第1階段正常運行時測量的3LCA系統進線電流為104 A；第2階段，測量的保留負荷運行電流為55．6 A。

由于使用鉛酸蓄電池放電時間Peukert經驗公式計算與試驗得到的結果的符合性較好，而使用IEEE485計算得到的鉛酸蓄電池放電時間較保守，因此下面使用Peukert經驗公式進行分析。Peukert經驗公式如下：

K=Int (1)

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

Peukert經驗公式表明，放電電流愈大，蓄電池容量愈小。但采用該方法計算沒有考慮環境溫度、設計裕度和老化系數的影響，且當放電電流很小時不適用。

LAA和LCA蓄電池使用的是GFD-2000型蓄電池，根據廠家說明書，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。將數據分別代入Peukert經驗公式，有K=185．6n×10=296n×5，計算得到Peukert常數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間分析如下。

第1階段：正常運行電流為98 A，帶載放電時間為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。

這樣計算得到蓄電池總共的放電時間為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間分析如下。

第1階段：正常運行電流為104 A，帶載放電時間為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。

這樣計算得到蓄電池總共的放電時間為58．6+0．5=59．1 h。

(3) 計算結果。該核電廠3，4號機組在全廠斷電工況下涉及的蓄電池放電時間為：LAA蓄電池放電時間為138．6 h；LCA蓄電池放電時間為59．1 h。

1.3 經濟運行模式供電時間評價

LAA/LCA系統的主要負荷是6 kV及380 V電源開關控制部分、RGL棒控系統控制電源部分、電動閥門過程控制部分、操作員控制室模擬盤、計算機和數據處理系統、直流配電盤接地故障探測器、記錄儀和指示儀以及堆芯儀控系統。

經濟運行模式計算中的第1階段是正常帶載情況下蓄電池的供電時間，要求為30 min。在這30 min內，主控操作員要將反應堆停堆，具體操作時間統計情況如下。

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

(2) 6 kV開關斷開時間為30 ms，此時間為大修期間主控操作斷路器的平均分閘時間。當人為斷開6 kV斷路器時，熟練工1 min可斷開1臺斷路器。每臺機組6 kV母線共計有12段。因此，當失去廠外電源時，依次斷開6 kV斷路器所需的時間為：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間控制在30 min內。

通過上述計算，在經濟運行模式的第1階段中，反應堆的停堆操作可控制在30 min內(反應堆停堆和6 kV開關分閘操作同時進行)。在經濟運行模式的第2階段，LAA/LCA系統向計算機數據處理系統、記錄儀和指示儀供電，主要起到監視和數據分析作用，在此階段已完成了主要設備的安全操作。根據上述分析，該核電廠在全廠斷電工況下，2組蓄電池的供電時間均可滿足核電廠的安全操作及事故處理時間要求。

2 蓄電池維護建議及其事故處理預案

為了確保在核電廠全廠斷電工況下蓄電池的供電時間，應加強蓄電池的維護。下面主要從蓄電池初次充放電、日常充放電、蓄電池事故處理預案及防止蓄電池接地4方面進行分析。

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，如對工期有特殊要求，可以在核電廠調試工地進行初次充放電工作。在初次充放電過程中應注意以下幾點。

(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補充電4個步驟。

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

2.2 日常充放電

蓄電池安裝調試完成后，將其運至核電廠進入電池的使用階段。在此階段中，蓄電池應進行如下養護工作。

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

(2) 核電廠機組大修期間進行常規充放電試驗，使用10 h放電率進行充放電工作。大修時最好使用恒流法進行充電，如果下游負載無法脫開，需帶負荷充放電時，設置的充電器充電電流要加上負荷電流，放電電流要扣除負荷電流。

2.3 蓄電池事故處理預案

在全廠斷電工況下，下游負載切換至蓄電池帶載，此時如果發生過電流故障，蓄電池進線開關會跳閘，具體分析如下。

在蓄電池進線抽屜內設置1個過電流保護繼電器，當發生過電流時該繼電器發出跳閘信號，蓄電池進線開關跳閘，同時聯跳充電器上游開關和充電器輸出直流開關，以保護充電器及下游負載。但在實際使用過程中，由于過電流保護繼電器存在誤動作的可能，因此，建議在過電流跳閘信號回路中串聯1個充電器直流輸出低電壓常開觸點。當充電器輸出電壓正常時，觸點閉合，允許過電流保護動作；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，常開觸點斷開，過流保護失效，依靠蓄電池進線開關內部熔絲保護。這樣既保留了保護功能，又降低了保護誤動作的風險。

2.4 防止蓄電池接地

在蓄電池使用過程中，還易發生直流系統接地故障，可能造成電氣或熱工設備控制和保護拒動或誤動。蓄電池電解液漏液，通過外殼與大地相通是導致直流系統接地的主要原因。因此，在蓄電池日常維護中，要注意以下幾點：

(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裂，應及時修復；

(3) 蓄電池月檢完成后外殼要擦拭干凈，確保無液體殘留。

3 結束語

該核電廠3，4號機組在全廠斷電工況下，直流電源可應急持續供電時間為：LAA蓄電池為138．6 h，LCA蓄電池為59．1 h。通過對此時反應堆安全停堆操作時間的分析計算，經濟運行模式下的蓄電池組供電時間可滿足安全停堆時間要求和后續的反應堆控制的邏輯計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，必須高度重視對蓄電池的維護。

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。

作者簡介：

收稿日期：2015-10-13。