核电厂交流不间断电源系统

朱晓峰

(中国核电工程有限公司,北京 100840)

由于核电厂安全运行的重要性，重要仪表、重要阀门和控制负荷都必需一种不间断、高可靠、高性能的电源，因此交流不间断电源（以下简称UPS）系统在核电厂内有着大量的应用。

1 UPS系统功能

UPS系统是保证给不能承受轻微电压扰动或冲击的装置供应电源。更为重要的是，在断电条件下，UPS可以紧急填补电源缺口，当遇到这种情况时，系统将自动切换至备用直流电源，直到主电源恢复为止。

2 UPS组成结构

UPS系统主要由整流器、逆变器、蓄电池组、静态开关、手动旁路开关等组成。

整流器应用于向逆变器提供稳定的直流电压。整流系统由输入隔离变压器、整流器和控制盘等组成,交流工作电源输入经整流器变成直流，一部分能量给蓄电池组充电，另一部分能量经逆变器变成交流给负载供电。逆变器由具有恒频恒压的静态装置构成，具有全自动限流功能，用来防止其输出超过最大运行值和输出侧的过负荷或短路。逆变器的输入来自整流器的直流输出或来自蓄电池组（直流电系统）。UPS系统运行时，逆变器自动跟踪旁路电源的频率并与旁路电源同步，在主机故障或工作电源消失时, 实现无扰动切换到旁路。静态转换开关又称静止开关，是一种无触点开关，由两个可控硅(SCR)反向并联组成，闭合和断开由逻辑控制器控制。手动旁路开关具有自动、测试和旁路三位转换，便于维护UPS设备。手动旁路开关是先通后断结构, 以保证在切换过程中UPS输出交流电源的连续性。

3 核电厂UPS系统的设计

本文以向反应堆保护设备供电的LNA系统为例进行分析。LNA系统为在线式UPS，其容量为10kVA，所带负荷约为5.5kVA，功率因数约为0.7，蓄电池组为GFD固定型防酸式铅酸蓄电池，容量为250 Ah，节数为53节。

3.1 UPS工作方式选择

UPS按工作方式，分为后备式、在线式和在线互动式。

后备式UPS平常电网走旁路直接供电给负载，只有停电时才由蓄电池经逆变器转换为交流电源提供给负载电力。后备式UPS具有电路简单、成本低、可靠性高的优点，但是其输出电压稳定精度差，电网失电时负载供电有一段时间的中断，另外受切换电流和动作时间的限制，输出功率一般较小。

在线式UPS无论是电网供电正常时或供电不正常而由直流电源（蓄电池组）供电时，它对负载的供电均由UPS的逆变器提供，当电网失电，在线式UPS没有任何转换动作，其对负载供电的转换时间为零。当逆变器或直流电源输入故障时，由切换时间小于5mS的静态开关瞬间转换成旁路电源供电。这就从根本上消除了来自电网的任何电压波动和干扰对负载的影响，真正实现了对负载的无干扰稳压供电。并且在线式UPS输出正弦波的波形失真系数较小，一般小于3%。

在线互动式UPS平常由旁路输出给负载，逆变器此时做为充电器，当断电时逆变器则将蓄电池能量转为交流电供给负载。在线互动式UPS具有效率高、结构简单、成本低、可靠性高的优点，但是它大部分时间由电网直接给负载供电，输出电压质量差，电网失电时交流旁路开关存在断开时间，导致UPS输出存在一定时间的电能中断。

综上三种UPS工作方式的特点，对于核电厂内不允许断电且对电源质量要求较高的重要用电设备来说，则须选用在线式UPS系统。

3.2 UPS容量选择

UPS容量选择是一个很重要的问题：选大了，造成投资过大，而且过度轻载，可能造成市电停电时蓄电池放电电流小，放电时间偏长，从而造成蓄电池深度放电；选小了，虽然节约一部分资金，但UPS长期处于重载状态，会使输出波形发生畸变，不能满足用电设备的要求，也容易造成逆变器的损坏。

在确定UPS容量前,先要计算出负载的总容量。UPS最佳带载量应控制在额定容量的60%～80%,同时兼顾考虑以后升级,应留有一定的扩充余地。另外，UPS 的逆变器设有过载保护,一般当输出电流超过(1.2～1.25)In时,将自动切换至旁路供电。为了避免多台负载同时启动时的迭加冲击电流使UPS运行方式发生频繁切换,而且避免主回路元件不至于过热,UPS容量也应留有足够的余地。

UPS 的容量可以根据下式进行计算：U P S额定输出容量S=n×m×P—公式(1)。式中S：UPS容量。P：实际负载功率。n：UPS 安全系数，一般为1.2～1.5。m：余量系数，通常为1.15～ 1.2。

现根据公式（1）进行验证，UPS 安全系数n 取1.5，余量系数 m 取 1.2，则 ：

UPS额定输出容量S=n×m×P=1.5×1.2×5.5=9.9kVA

所以LNA系统容量选择为10kVA是较为合适的。

3.3 蓄电池组选择

为保证电网停电时UPS能继续向负载提供电源，后备蓄电池组的选择尤为重要，核电要求其后备时间不低于1小时。

（1）蓄电池节数确定

蓄电池节数还应根据实际设备情况满足以下条件：蓄电池组最低端电压/蓄电池放电终止电压＜蓄电池节数＜蓄电池组最高端电压/蓄电池单体均充电压

LNA系统逆变器输入电压范围为110V(-15%～+20%)，则蓄电池组最低端电压为93.5V；充电器电压不能超过121V，则蓄电池组最高端电压为121V；蓄电池单体放电终止电压为1.86V，蓄电池单体均充电压为2.28V。计算可知50.3＜蓄电池节数＜53.1，因此LNA系统所用蓄电池组选择的是53节蓄电池可以满足要求。

由于UPS 的逆变器设置了低电压保护,当电池的个数多一点时，放电至逆变器低电压自动关闭时的单个电池电压会低一点,从而延长放电时间，能充分发挥电池容量；但这样，容易使蓄电池放电后期单个电池的电压过低，从而导致过放电，所以为了保护电池, 电池个数应少一点，设计时需要适当地处理这一矛盾。核电常规岛部分UPS系统采用的是52节电池，而核岛部分采用的是53节电池就是出于这个考虑。

（2）蓄电池容量确定

蓄电池容量选择条件：

1.应满足全厂事故全停电时间内的放电容量；

2.应满足事故初期(1min)直流电动机启动电流和其他冲击负荷电流的放电容量；

3.应满足蓄电池组持续放电时间（5S）内冲击负荷电流的放电容量；

4.应以最严重的事故放电阶段，计算直流母线电压水平；

蓄电池容量有两种计算方法：电压控制法（亦称容量换算法）和阶梯计算法（亦称电流换算法）。本文以电压控制法进行分析。

电压控制法，即先计算满足事故全停电状态下的持续放电容量，再按蓄电池端电压进行验证，具体计算步骤如下：

1.按事故放电时间分别统计事故放电容量。

2.根据蓄电池型式、放电终止电压和放电时间，确定相应的容量系数KCC。

3.根据事故放电容量计算所需容量CC。选取与计算容量最大值接近的蓄电池标称容量C10。

4.进行蓄电池端电压水平的计算，应满足直流系统最低电压的要求。

（一）先计算满足事故全停电状态下的持续放电容量—公式（3）。式中CC：蓄电池10h放电率计算容量。CSX：事故全停电状态下相对应的持续放电时间的放电容量。KK：可靠系数，取1.40。KCC：容量系数，在指定放电终止电压，对应放电时间，查表1得。

表1 GFD型3000Ah及以下防酸式铅酸蓄电池（单体2V）的容量选择系数表

当LNA系统在电网失电启用蓄电池组给逆变器供电时，考虑最极端情况，既UPS满载容量10kVA情况下，能运行至少一小时来计算蓄电池容量。

LNA系统逆变器最低输入电压为93.5V，蓄电池组为53节电池，可知蓄电池实际最低放电电压为1.76V。

查表（1）KCC=0.47，UPS满载10kVA情况下

图1 GFD型2000Ah及以下防酸式铅酸蓄电池持续放电1.0h后冲击放电曲线

（二）验证任意事故放电阶段末期，蓄电池能保持的电压应满足要求—公式（4）。式中CSX：事故全停电状态下相对应的持续放电时间的放电容量。KK：可靠系数，取1.10。Kmx：任意事故放电阶段的10h放电率电流倍数。I10：蓄电池10h放电率电流。t：事故放电时间。Kchmx：xh事故放电末期冲击系数。

在图1中，根据Kmx值找出相应的曲线，对应Kchmx=0值，查出单体电池电压值Ud。根据公式（4） ，查图1可知单体电池放电末期电压值Ud大约1.90V，大于1.76V，能满足要求。

4 结束语

本文结合核电厂实际情况，针对UPS设备容量、蓄电池组容量及节数的设计过程进行详细分析，这对核电设计和核电调试都有较高的参考价值。

[1] 电力工程直流系统设计技术规范，DL/T5044-2004

[2] 核电厂用铅酸蓄电池，EJ/T 525-2002

［3] 郑文权，孙翠英，UPS在电厂中的应用.电力学报，2006,（3）

［4] 周志敏，周继海，UPS实用技术-应用与维护，北京：人民邮电出版社，2003

［5] 王艳霞，王永强，UPS电源的选择和使用,焦作大学学报，2007,（10）