核電站不間斷電源系統(tǒng)異常停機的原因分析與改進措施

董 磊, 星國龍, 張立國

中廣核運營有限公司 廣東陽江 529941

1 故障情況

2013年10月6日,某核電站2號機組進行系統(tǒng)斷電試驗。試驗開始后,執(zhí)行程序停運2LNE002DL逆變器。當斷開下游交流開關時,交流不間斷電源系統(tǒng)母線失電2 s,電壓最低為2 V,導致下游機組監(jiān)測設備停止工作,觸發(fā)主控操作員主動干預。

2 不間斷電源系統(tǒng)分析

發(fā)生故障的不間斷電源系統(tǒng)為非安全級不間斷電源系統(tǒng),通過四臺逆變器將來自上游220V直流電源系統(tǒng)的220 V直流電通過逆變橋轉換為間距不等的方波,再通過單相變壓器轉換為220 V交流電,由配電盤送至下游負荷。下游負荷主要有核監(jiān)測儀表機柜系統(tǒng)、集散控制機柜系統(tǒng)、集中數據處理系統(tǒng)等。此外,不間斷電源系統(tǒng)還向核反應堆控制棒供電系統(tǒng)、核電站輻射監(jiān)測系統(tǒng)、核取樣系統(tǒng)等核電站重要系統(tǒng)設備供電。

如果不間斷電源系統(tǒng)發(fā)生故障,母線失電,將導致多組設備失去冗余供電,機組產生多個第二組隨機事件[1]。不間斷電源系統(tǒng)的結構如圖1所示,采用無旁路四機冗余逆變系統(tǒng),四臺逆變器并列運行,上游采用唯一供電電源,沒有交流旁路變壓器備用回路。四臺逆變器使用總線通信,實現(xiàn)四臺逆變器的狀態(tài)跟蹤與信號同步,其中同步信號由四臺逆變器中隨機產生的主機發(fā)出[2]。

圖1 不間斷電源系統(tǒng)結構

并機運行的逆變器分為主機和從機。逆變器啟動過程中,先啟動的逆變器作為主機,主機通過通信卡將同步信號發(fā)送至同步總線[3]。后啟動的三臺逆變器從同步總線上獲取同步信號,并自動調節(jié)交流輸出,與主機輸出保持一致,從而保證四臺逆變器同步運行。運行過程中,如果主機停運,剩余三臺從機隨機重新產生一臺主機,由新主機向同步總線發(fā)送同步信號。四臺逆變器并聯(lián)運行過程中,負載平均分配。各逆變器間通過通信卡實現(xiàn)總線通信[4],通信卡又分別與各逆變器的主控制卡連接,實現(xiàn)通信后的逆變器狀態(tài)轉換功能。通信卡拓撲結構如圖2所示。

圖2 通信卡拓撲結構

通信卡控制不間斷電源系統(tǒng)四臺逆變器的同步并機,主要有四種功能。

(1) 同步。使并列運行的四臺逆變器輸出的電壓、相位、頻率保持在容差范圍內,同步頻率范圍為45～65 Hz[5]。

(2) 運行模式控制。用于并聯(lián)運行逆變器間的通信,保證各逆變器工作在同一模式,即冗余運行模式,當系統(tǒng)中個別逆變器出現(xiàn)故障時,其它逆變器仍能正常運行。

(3) 負荷分擔。保證四臺逆變器所帶的負載大小相同。

(4) 主從機選擇。當第一臺逆變器向同步母線發(fā)送同步信號時,通信卡自動識別,將其作為主機,同時識別其它逆變器的同步信號,強制調整至與主機同步信號一致。

3 同步并機原理

不間斷電源系統(tǒng)中,每臺逆變器都有獨立的內部同步信號源,能夠使逆變器向同步總線輸出同步信號。正常情況下,首先啟動的逆變器會成為主機,主機將內部同步信號發(fā)送至逆變器同步總線。所有逆變器從逆變器同步總線上獲取同步信息,自動調整輸出,以此保證所有逆變器同步運行。從機調整內部同步信號,與逆變器同步總線信號一致,由此保證從機不用進行任何移相操作,就可以隨時替換主機在逆變器同步總線上的功能[6]。當主機停機后,任何一個從機都可以替代主機,實現(xiàn)主機的功能。為防止逆變器同步總線故障引發(fā)系統(tǒng)故障,同步總線采用總線拓撲結構[7]。

總線拓撲結構指將網絡中的所有設備通過相應硬件接口直接連接到公共總線上,節(jié)點之間按廣播方式通信,一個節(jié)點發(fā)出信息,總線上的其它節(jié)點均可接收到。總線拓撲結構的優(yōu)點在于結構簡單、布線容易、可靠性較高、易于擴充,缺點包括所有數據都需經過總線傳送,總線成為整個系統(tǒng)的瓶頸,出現(xiàn)故障時診斷困難。

4 故障分析

故障出現(xiàn)后,電廠維修班組對不間斷電源系統(tǒng)進行復盤操作,維修人員手動逐個停運逆變器,當停運LNE003DL逆變器,并斷開下游交流開關時,母線電壓降至214 V,隨后迅速恢復,再次出現(xiàn)電壓波動情況,但此次并沒有導致整個系統(tǒng)失電。專家組根據現(xiàn)場情況,初步定位故障點為逆變器同步并機,當停運主機時,就會出現(xiàn)不間斷電源系統(tǒng)波動,甚至整盤失電的情況。

對不間斷電源系統(tǒng)的同步總線進行監(jiān)測,在正常運行工況下,主從機向同步母線發(fā)送的信號一致,主從機區(qū)分清晰,如圖3所示。

圖3 正常工況下同步母線信號

正常情況下,逆變器會逐臺啟動,最先啟動的逆變器會自動成為主機。第一臺逆變器啟動時,同步母線中只有一個同步信號。當出現(xiàn)主機停運時,理論上在另外三臺從機中隨機產生一臺主機,但此時同步母線中同時有三臺從機發(fā)出的同步信號。隨機產生新主機后,通信卡會識別其它從機的同步信號,與新主機信號進行對比。當識別到從機同步信號與新主機不同步時,會迫使從機調整同步信號,保持與新主機同步信號一致,從而實現(xiàn)新主機的替換功能。

復盤不間斷電源系統(tǒng)故障工況時,對同步總線進行信號分析,發(fā)現(xiàn)同步總線同時存在兩個主機信號,說明通信卡功能有問題。不間斷電源系統(tǒng)的同步并機主要依靠通信卡實現(xiàn),于是維修組重點進行通信卡的診斷分析。將通信卡送往卡件實驗室進行模擬試驗,通信卡上有專門的回路用于探測逆變器同步總線上的多主機狀態(tài),但該回路因精度不高,不能實時強迫影子主機變?yōu)閺臋C。

監(jiān)測電路由模擬元件、數字元件組成,因元件的容差引起電路對相位差的監(jiān)測范圍變寬,實際監(jiān)測門限在2.6～4.5 ms之間。當其余從機的同步信號與新主機的同步信號相位差大于該門限時,監(jiān)測電路才能監(jiān)測到,這意味著因元件容差引起的相位滯后大于4.5 ms,監(jiān)測電路才會動作,強迫其它逆變器變?yōu)閺臋C。監(jiān)測信號波形如圖4所示。

圖4 監(jiān)測信號波形

多次模擬不間斷電源系統(tǒng)工況,發(fā)現(xiàn)當從機與新主機的同步信號相位差小于4.5 ms時,通信卡無法監(jiān)測到從機與新主機之間的信號差異,最終導致同步母線中同時存在兩個不同步的主機信號,如圖5所示。

圖5 異常情況下同步母線信號

由于主機區(qū)分不清,逆變器的輸出無法及時同步,供電母線產生反向電位差,導致逆變器一次輸出側出現(xiàn)環(huán)流[8]。另一方面,因逆變器彼此間不斷尋求同步,電壓相角不斷輕微調整,導致并列逆變器間環(huán)流急劇增大,最終觸發(fā)逆變器內部過流保護動作,母線失電。過流保護動作后,逆變器嘗試自動復位啟動,母線短時失電后恢復。

5 改進措施

核電站不間斷電源系統(tǒng)異常的原因為多臺逆變器同步運行時無法準確快速定位主從機,最終導致逆變器同步失敗,母線出現(xiàn)環(huán)流。處理這一類故障的核心在于提高逆變器的同步速度與效率。為通信卡附加高精度相位檢測模塊,增強通信卡上多主機探測電路模塊的精確度,使監(jiān)測從機同步信號的能力提升一個數量級,進而使通信卡能更快地跟蹤同步總線上的信號,避免出現(xiàn)切換時兩臺從機同時成為主機的情況,能夠從根本上解決這一問題。聯(lián)系設備制造廠家進行改進方案討論,對附加AD8302高精度相位檢測模塊進行論證。

AD8302高精度相位檢測模塊能同時測量從低頻到2.7 GHz頻率范圍內兩個輸入信號之間的幅度比和相位差,主要由精密匹配的寬帶對數放大器、相位檢測器、輸出放大器組、偏置單元、輸出參考電壓緩沖器組成,功能結構如圖6所示。AD8302高精度相位檢測模塊內部的兩個寬帶對數放大器,每個都由六個10 dB增益級串聯(lián)而成,六個增益級都帶有七個輔助濾波器,使AD8302高精度相位檢測模塊具有對數壓縮功能,可以將寬頻帶的兩個輸入電壓變?yōu)檎l帶的分貝刻度輸出,從而實現(xiàn)對兩個輸入信號增益的測量,將輸入信號的相位差變換為電壓輸出,范圍為0～1.8 V[9]。

圖6 AD8302高精度相位檢測模塊功能結構

高精度相位檢測系統(tǒng)原理如圖7所示。將不間斷電源系統(tǒng)的總線同步信號作為參考信號,輸入AD8302高精度相位檢測模塊,再分別將兩臺逆變器的同步信號分別輸入兩個AD8302高精度相位檢測模塊,與參考信號進行比較。用兩個AD8302高精度相位檢測模塊的目的是保證與待測信號比較時參考信號的相位連續(xù)性。AD8302高精度相位檢測模塊輸出的相位差進入數模轉換芯片,再傳送至通信卡主板上的單片機。在單片機中運算,得到待測信號之間的相位差調節(jié)信號。將調節(jié)信號發(fā)送至各臺逆變器進行同步信號調節(jié),從而達到提升通信卡信號檢測電路精度的目的。

圖7 高精度相位檢測系統(tǒng)原理

6 改進效果

通過在原有通信卡的基礎上附加高精度相位檢測模塊,對每臺逆變器接收到的同步信號數據進行再處理,將處理后的數據反饋至主通信卡,進而將多主機探測電路的門限由2.6～4.5 ms升級到0.45～0.55 ms。通信卡的通信時鐘頻率為125 Hz,所能發(fā)出的同步信號相位最小步差為0.8 ms。通過在實驗室進行不同相位差的同步信號發(fā)送試驗,發(fā)現(xiàn)主從機同步信號相位差在0.8 ms依然能夠快速定位同步總線,主機信號與同步總線信號完全同步,不會出現(xiàn)同步混亂的現(xiàn)象。改進后同步母線信號如圖8所示。

圖8 改進后同步母線信號

與此同時,根據故障分析的結論制訂部件老化處理方案,在通信卡運行一定期限后對其進行更換,防止部件老化導致檢測精度下降[10]。

7 結束語

筆者對核電站不間斷電源系統(tǒng)異常停機故障進行分析,確認不間斷電源系統(tǒng)整盤失電的直接原因是系統(tǒng)中存在多臺主機,逆變器之間同步信號異常,逆變器一次輸出側產生較大環(huán)流,觸發(fā)逆變器內部過流保護動作,導致母線短時失電。存在多臺主機的根本原因是逆變器通信卡信號檢測電路精度不高,無法及時對微小相位差同步信號進行調節(jié)。

為解決這一問題,對逆變器通信卡附加高精度相位檢測模塊,提升通信卡的信號檢測精度,保證整個不間斷電源系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。