福清核電核島UPS電源系統的故障分析和處理

(福建福清核電有限公司，福建 福清 350300)

福清核電核島UPS系統，又稱220 V交流重要不間斷電源系統LNA、LNB、LNC和LND，由充電器、蓄電池、逆變器、旁路調壓器、靜態開關EA/N及電纜連接件組成。在3號機組運行期間該系統曾出現1次P007卡件和多次旁路N1控制器失效等故障，觸發非計劃I0等重大隱患，對機組的穩定運行造成影響，本文針對此種情況，深入分析UPS設備故障原因，并提出優化措施，為后續類似問題的處理提供經驗。

1 概 述

1.1 核島UPS重要性

核島UPS設備主要任務是產生和分配220 V交流不間斷電源，給反應堆四個保護組供電，同時也給反應堆保護系統專用傳感器和相關的記錄儀表等供電，如果LNA、LNB、LNC和LND四個電源系統其中任意一個系統失電，則相應的保護通道儀表失去電源，此時若出現另一系統電源故障失電疊加，將導致停機停堆事件。

1.2 運行特性

如圖1所示，正常情況下市電有效，蓄電池通過充電器保持浮充狀態，逆變器由充電器供電，輸出是通過靜態開關EA連接到負載，蓄電池和旁路作冗余備用電源；當充電器市電故障時，逆變器由蓄電池供電；當市電恢復供電后，蓄電池再由充電器補充電；當在過載和逆變器輸出故障情況下，靜態開關把負載不間斷地切到旁路，切換是由靜態開關EA/EN來完成的。

圖1 核島UPS原理圖Fig.1 Schematic of the UPS of nuclear island

1.3 兩個典型故障分析

根據核島UPS的運行特性，分析P007卡件故障和多次旁路N1控制器失效的故障原因。

2 針對P007損壞問題總體分析及處理

2.1 問題描述

2016年9月25—26日，3號機組于出現3 LNA505KA：101DL故障報警，2 min后出現蓄電池開始放電報警，隨后運行人員按照操作票將LNA切至旁路供電，主控出現“110 V直流接地故障”報警。就地檢查UPS內部記錄故障信息具體如表1所示。

表1 UPS內部記錄故障信息Table 1 Internal record fault information of the UPS

故障序號No.故障名稱Alarm時間及日期Date and Time備注Remark43:Output inst out of tol-erance16.09.25;21.53.4844:Output is out of toler-ance16.09.25;21.53.4854:Fan fault16.09.25;21.53.4812:CB03 current warning16.09.25;21.53.4853:CB03 current shutdown16.09.25;21.53.490 ︳OFF button pushed16.09.25;21.53.5036:Low DC warning16.09.25;21.57.5237:Low DC shutdown16.09.25;21.53.5455:Fault in int power supply16.09.25;21.58.0051:Synchronization error16.09.25;21.59.0718:Bypass is out of tolerance16.09.25;21.59.07

2.2 原因分析及處理

分析2.1節中各故障信息的因果邏輯關系，結合故障樹的分析方法，繪圖如2所示。

圖2 故障樹圖Fig.2 The fault tree

如圖2所示，導致“3 LNA505KA UPS故障報警”的底事件為：接地繼電器A014動作、110 V直流真實接地故障、互感器P007故障、充電器輸出過流(電流超出額定電流值)、充電器關機、繼電器A200動作。

(1)“直流110 V接地故障”導致UPS故障報警分析

繼電器A014為接地故障檢測繼電器，通過對該繼電器測試無異常，檢查蓄電池無漏液、接地跡象。查看主控報警信息時間序列，此報警是在UPS切換至旁路運行時出現，因此確認，導致主控出現110 V直流接地報警的原因為：人為操作UPS設備至旁路引起，屬于正常觸發報警。

(2)“蓄電池開始放電報警” 導致UPS故障報警分析

繼電器A200為蓄電池放電電流檢測節繼電器，對A200卡件進行校驗無異常。檢查確認充電器正常，無充電器關機信息。充電器限流檢查，檢查UPS記錄有DC CURRENT LIMIT限流報警。

通過分析，認為觸發“蓄電池開始放電報警”是由于繼電器A200動作導致，至于蓄電池放電的原因，需與直流限流進一步檢查和分析。

(3) “DC CURRENT LIMIT直流限流報警” 導致UPS故障報警分析

充電器直流限流功能原理介紹：

1)在充電器的輸出電纜穿過一個限流CT(譬如P007)，當CT檢測到充電器所帶的負荷電流IOVERLOAD超過限流設定值IDC時，如圖3所示，充電器將進入限流狀態，為了降低電流，通過調整充電裝置的輸出電壓下降；同時限流功能超過5 s，UPS將觸發“DC current limit”報警。

2)當CT檢查到充電器所帶的負荷電流IOVERLOAD嚴重超過限流設定值IDC時，充電器將可能因調整電壓過低或無法限流而關機。

圖3 輸出電流超限Fig.3 Exceeding the limit of output current

根據以上充電器限流原理，檢查充電器輸出電壓、電流，蓄電池電壓、電流無異常。檢測互感器POO7檢查，如圖4所示，操作按5鍵查看蓄電池電流為0 A，按5+ 查看充電器輸出電流顯示253 A，此時充電器和蓄電池均未帶負載，應顯示電流0 A，與實際情況不符，確認故障與檢測總直流電流的互感器P007有關。

圖4 電流顯示Fig.4 Current display

如圖5所示，進一步對P007進行核實，使用鉗形電流表測量充電器的輸出電流，實際只有0.3 A。斷開直流互感器P007端子，此時查看面板總直流電流顯示0 A，直流限流告警信息也消除，按開機鍵可以正常開機，從而確認直流電流互感器P007故障。

圖5 鉗形表測量電流Fig.5 Measuring the current by the clamp meter

更換新直流互感器P007(0P6281A)，啟動UPS后，查看面板顯示信息正常，如表2所示。

表2 直流互感器面板顯示信息Table 2 Panel display information

結論：通過故障樹圖中的各底事件分析，確認出現UPS故障報警的原因為直流互感器P007損壞，從而使P007檢測到虛擬的直流電流253 A(實際電流26 A)，超過充電器限流設定值200 A，引起限流功能動作，觸發DC CURRENT LIMIT告警，導致主控“101DL故障”報警。同時充電器限流功能調節輸出電壓降低，當低于蓄電池回路電壓時，蓄電池與充電器形成壓差，蓄電池開始放電，導致A200繼電器檢測到放電電流動作，觸發主控“蓄電池開始放電”報警。

3 UPS旁路N1控制器失效問題分析及處理

3.1 問題描述

2016年9月2日，3 LND系統UPS旁路上游(3 LKD)進行DVC風機啟動，期間3 LKD母線電壓從398 V降至373 V，瞬時觸發UPS“不同步”故障報警，約7 s后旁路上游電源穩定至392 V，“不同步”故障消失，現場對3 LND旁路調壓器的N1控制器檢查，發現無法實現調壓功能。

對3號機組3 LNA、3 LNC、3 LNB檢查發現N1控制器均無法調壓問題。詳細記載N1控制器失效次數如表3所示。

表3 N1控制器失效次數Table 3 N1 controller Failure times

3.2 旁路變壓器的調壓原理

旁路變壓器主要作用是在UPS逆變器出現故障時，通過靜態開關自動切換至旁路供電，待逆變器電源恢復或故障消除后，再自動切至逆變器正常運行，確保給負荷持續供電。若UPS觸發“不同步”故障，同時逆變器故障疊加，則靜態開關可能切換失效，后果將非常嚴重。

如圖6所示，旁路變壓器主要通過電機M1驅動的自耦調壓器T2、補償變壓器T1和N1控制器組成。NI控制器將輸出電壓與可調的設定值比較，根據比較后的偏移量發送設定的脈沖至自耦調壓器的電機M1；M1驅動電機調整自耦變壓器T2的電壓，調整后的電壓被送至補償變壓器T1的初級線圈，T1的次級線圈串聯與旁路輸入主回路中，從而補充輸入電壓的偏移量，保證了輸出電壓穩定。在輸入電壓的偏移為±10%時，旁路變壓器輸出電壓精度可達±2%，此外負荷的改變不會影響輸出電壓的精度。

圖6 基本連接Fig.6 Basic connection

3.3 原因分析及處理

根據旁路變壓器的結構和原理，不同步故障原因分析先外部再內部，先整體再局部的原則，分析原因具體有以下兩個方面。

(1)旁路輸入電壓超出限值

觸發不同步報警的條件：逆變器輸出與旁路輸出的瞬時電壓、平均電壓、頻率、相位角中的任意一項超出了允許范圍，就會觸發不同步報警。逆變器輸出與旁路輸出的瞬時電壓、平均電壓、頻率、相位角的允許范圍如下所示：

1)旁路瞬時電壓檢測范圍220 V±25%;

2)旁路平均電壓檢測范圍220 V±10%;

3)旁路的頻率范圍50 Hz±6%;

4)相位角的范圍：相位角相差6°。

根據3 LKD的母線電壓波動從398 V下降至373 V，計算旁路上游輸入電壓未超過380 V±10%范圍，因此，旁路輸出調壓電壓精度可達220 V±2%。

綜上判斷，認為不同步報警非旁路上游輸入電壓超限引起原因。

(2)旁路N1控制器失效

1)線路檢查，按照廠家原理圖，檢查N1控制器回路的接線、熔絲等，確認接線正確；

2)對機械傳動裝置進行檢查，目測無銹蝕、卡澀情況，確認傳動正常；

3)驅動電機M1檢查，對其外觀、直阻及絕緣檢查，無異常；

4)N1控制器檢查，發現電源指示燈不亮，說明N1工作異常，嘗試手動調節N1反饋電壓，發現調節旁路輸出電壓無變化，初步判斷N1控制器TVR6500故障；

5)將產生故障的N1控制器進行檢測，發現N1控制器的市電檢測電路中一個300 VAC/47nf的電容容量已降至0.55～0.5 nf，導致檢測不到市電電壓，從而導致電機無法驅動。

6)分析300 VAC/47 nf電容下降原因，可能為調試期間現場環境、溫濕度等加速了此電容的老化。

結論：根據上述檢查判斷，3 LND001TB“不同步”報警的根本原因是因為N1控制器失去調節功能導致旁路輸出電壓超限，從而導致觸發“不同步”報警。目前已更換對惡劣環境適應性更強的400 VAC/47 nf的新電容，且系統運行正常。

4 探索核島UPS故障問題處理優化

4.1 P007等元件損壞預防優化

P007電流互感器組件的使用年限為10年，根據解剖和調研統計分析結果：1)影響CT組件的不良主要原因在電子線路部分(即集成電路板)損壞，而集成電路板主要受惡劣環境(環境主要包括：溫/濕度、灰塵等)影響較大;2)調研同行，目前江蘇核電有過同樣損壞情況，但他們是在設備使用年限10年后出現。因此，為避免類似問題出現，不論P007是否達到使用年限，均在每年的預防性維修規程中增加對P007/P009等內部元器件進行檢查、清掃或更換預維項目。

4.2 旁路N1控制器報警功能優化

目前1～4號機組在正常運行期間，均出現過核島UPS設備旁路N1控制器失效問題，此問題在現階段雖然已通過更換新電容(對惡劣環境適應性更強的400 VAC/47 nf)和每年大修檢查更換措施，已大大降低了故障率，但是仍沒有從根本上解決設計上無故障報警功能的問題隱患，譬如，當N1控制器出現失效時，但因無報警信號，運行及維修人員未及時發現和處理，若此時觸發UPS不同步故障和逆變器故障疊加，則靜態開關將可能切換失效，最終導致下游負荷失電，后果非常嚴重。因此，后續推動研究對N1控制器增加報警功能，可以徹底解決該問題隱患，從而提高核島交流不間斷電源系統的可靠運行。

5 結 論

福清核電1～6號機組核島交流不間斷電源系統，采用GUTOR的UPS設備，廣泛應用各堆型機組。該設備從安裝、調試到維修、運行過程中，難免會出現設計、安裝質量及設備問題，本文通過對P007卡件和旁路N1控制器失效等故障問題的深入分析，并提出相應的優化措施，杜絕相同缺陷的重復發生，目前該設備在3號機組所出現的問題均通過經驗反饋至4號機組，并得以妥善處理，保證了3、4號機組核島UPS系統的穩定性和控制性，同時也為5、6號機組(華龍一號)交流不間斷電源系統的維護積累了豐富的經驗，問題的原因分析及處理方法為后續類似問題的處理能提供一些借鑒，為機組的穩定運行及核安全提供有力的保障。