福清核电核岛UPS电源系统的故障分析和处理

(福建福清核电有限公司，福建 福清 350300)

福清核电核岛UPS系统，又称220 V交流重要不间断电源系统LNA、LNB、LNC和LND，由充电器、蓄电池、逆变器、旁路调压器、静态开关EA/N及电缆连接件组成。在3号机组运行期间该系统曾出现1次P007卡件和多次旁路N1控制器失效等故障，触发非计划I0等重大隐患，对机组的稳定运行造成影响，本文针对此种情况，深入分析UPS设备故障原因，并提出优化措施，为后续类似问题的处理提供经验。

1 概 述

1.1 核岛UPS重要性

核岛UPS设备主要任务是产生和分配220 V交流不间断电源，给反应堆四个保护组供电，同时也给反应堆保护系统专用传感器和相关的记录仪表等供电，如果LNA、LNB、LNC和LND四个电源系统其中任意一个系统失电，则相应的保护通道仪表失去电源，此时若出现另一系统电源故障失电叠加，将导致停机停堆事件。

1.2 运行特性

如图1所示，正常情况下市电有效，蓄电池通过充电器保持浮充状态，逆变器由充电器供电，输出是通过静态开关EA连接到负载，蓄电池和旁路作冗余备用电源；当充电器市电故障时，逆变器由蓄电池供电；当市电恢复供电后，蓄电池再由充电器补充电；当在过载和逆变器输出故障情况下，静态开关把负载不间断地切到旁路，切换是由静态开关EA/EN来完成的。

图1 核岛UPS原理图Fig.1 Schematic of the UPS of nuclear island

1.3 两个典型故障分析

根据核岛UPS的运行特性，分析P007卡件故障和多次旁路N1控制器失效的故障原因。

2 针对P007损坏问题总体分析及处理

2.1 问题描述

2016年9月25—26日，3号机组于出现3 LNA505KA：101DL故障报警，2 min后出现蓄电池开始放电报警，随后运行人员按照操作票将LNA切至旁路供电，主控出现“110 V直流接地故障”报警。就地检查UPS内部记录故障信息具体如表1所示。

表1 UPS内部记录故障信息Table 1 Internal record fault information of the UPS

故障序号No.故障名称Alarm时间及日期Date and Time备注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 原因分析及处理

分析2.1节中各故障信息的因果逻辑关系，结合故障树的分析方法，绘图如2所示。

图2 故障树图Fig.2 The fault tree

如图2所示，导致“3 LNA505KA UPS故障报警”的底事件为：接地继电器A014动作、110 V直流真实接地故障、互感器P007故障、充电器输出过流(电流超出额定电流值)、充电器关机、继电器A200动作。

(1)“直流110 V接地故障”导致UPS故障报警分析

继电器A014为接地故障检测继电器，通过对该继电器测试无异常，检查蓄电池无漏液、接地迹象。查看主控报警信息时间序列，此报警是在UPS切换至旁路运行时出现，因此确认，导致主控出现110 V直流接地报警的原因为：人为操作UPS设备至旁路引起，属于正常触发报警。

(2)“蓄电池开始放电报警” 导致UPS故障报警分析

继电器A200为蓄电池放电电流检测节继电器，对A200卡件进行校验无异常。检查确认充电器正常，无充电器关机信息。充电器限流检查，检查UPS记录有DC CURRENT LIMIT限流报警。

通过分析，认为触发“蓄电池开始放电报警”是由于继电器A200动作导致，至于蓄电池放电的原因，需与直流限流进一步检查和分析。

(3) “DC CURRENT LIMIT直流限流报警” 导致UPS故障报警分析

充电器直流限流功能原理介绍：

1)在充电器的输出电缆穿过一个限流CT(譬如P007)，当CT检测到充电器所带的负荷电流IOVERLOAD超过限流设定值IDC时，如图3所示，充电器将进入限流状态，为了降低电流，通过调整充电装置的输出电压下降；同时限流功能超过5 s，UPS将触发“DC current limit”报警。

2)当CT检查到充电器所带的负荷电流IOVERLOAD严重超过限流设定值IDC时，充电器将可能因调整电压过低或无法限流而关机。

图3 输出电流超限Fig.3 Exceeding the limit of output current

根据以上充电器限流原理，检查充电器输出电压、电流，蓄电池电压、电流无异常。检测互感器POO7检查，如图4所示，操作按5键查看蓄电池电流为0 A，按5+ 查看充电器输出电流显示253 A，此时充电器和蓄电池均未带负载，应显示电流0 A，与实际情况不符，确认故障与检测总直流电流的互感器P007有关。

图4 电流显示Fig.4 Current display

如图5所示，进一步对P007进行核实，使用钳形电流表测量充电器的输出电流，实际只有0.3 A。断开直流互感器P007端子，此时查看面板总直流电流显示0 A，直流限流告警信息也消除，按开机键可以正常开机，从而确认直流电流互感器P007故障。

图5 钳形表测量电流Fig.5 Measuring the current by the clamp meter

更换新直流互感器P007(0P6281A)，启动UPS后，查看面板显示信息正常，如表2所示。

表2 直流互感器面板显示信息Table 2 Panel display information

结论：通过故障树图中的各底事件分析，确认出现UPS故障报警的原因为直流互感器P007损坏，从而使P007检测到虚拟的直流电流253 A(实际电流26 A)，超过充电器限流设定值200 A，引起限流功能动作，触发DC CURRENT LIMIT告警，导致主控“101DL故障”报警。同时充电器限流功能调节输出电压降低，当低于蓄电池回路电压时，蓄电池与充电器形成压差，蓄电池开始放电，导致A200继电器检测到放电电流动作，触发主控“蓄电池开始放电”报警。

3 UPS旁路N1控制器失效问题分析及处理

3.1 问题描述

2016年9月2日，3 LND系统UPS旁路上游(3 LKD)进行DVC风机启动，期间3 LKD母线电压从398 V降至373 V，瞬时触发UPS“不同步”故障报警，约7 s后旁路上游电源稳定至392 V，“不同步”故障消失，现场对3 LND旁路调压器的N1控制器检查，发现无法实现调压功能。

对3号机组3 LNA、3 LNC、3 LNB检查发现N1控制器均无法调压问题。详细记载N1控制器失效次数如表3所示。

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

3.2 旁路变压器的调压原理

旁路变压器主要作用是在UPS逆变器出现故障时，通过静态开关自动切换至旁路供电，待逆变器电源恢复或故障消除后，再自动切至逆变器正常运行，确保给负荷持续供电。若UPS触发“不同步”故障，同时逆变器故障叠加，则静态开关可能切换失效，后果将非常严重。

如图6所示，旁路变压器主要通过电机M1驱动的自耦调压器T2、补偿变压器T1和N1控制器组成。NI控制器将输出电压与可调的设定值比较，根据比较后的偏移量发送设定的脉冲至自耦调压器的电机M1；M1驱动电机调整自耦变压器T2的电压，调整后的电压被送至补偿变压器T1的初级线圈，T1的次级线圈串联与旁路输入主回路中，从而补充输入电压的偏移量，保证了输出电压稳定。在输入电压的偏移为±10%时，旁路变压器输出电压精度可达±2%，此外负荷的改变不会影响输出电压的精度。

图6 基本连接Fig.6 Basic connection

3.3 原因分析及处理

根据旁路变压器的结构和原理，不同步故障原因分析先外部再内部，先整体再局部的原则，分析原因具体有以下两个方面。

(1)旁路输入电压超出限值

触发不同步报警的条件：逆变器输出与旁路输出的瞬时电压、平均电压、频率、相位角中的任意一项超出了允许范围，就会触发不同步报警。逆变器输出与旁路输出的瞬时电压、平均电压、频率、相位角的允许范围如下所示：

1)旁路瞬时电压检测范围220 V±25%;

2)旁路平均电压检测范围220 V±10%;

3)旁路的频率范围50 Hz±6%;

4)相位角的范围：相位角相差6°。

根据3 LKD的母线电压波动从398 V下降至373 V，计算旁路上游输入电压未超过380 V±10%范围，因此，旁路输出调压电压精度可达220 V±2%。

综上判断，认为不同步报警非旁路上游输入电压超限引起原因。

(2)旁路N1控制器失效

1)线路检查，按照厂家原理图，检查N1控制器回路的接线、熔丝等，确认接线正确；

2)对机械传动装置进行检查，目测无锈蚀、卡涩情况，确认传动正常；

3)驱动电机M1检查，对其外观、直阻及绝缘检查，无异常；

4)N1控制器检查，发现电源指示灯不亮，说明N1工作异常，尝试手动调节N1反馈电压，发现调节旁路输出电压无变化，初步判断N1控制器TVR6500故障；

5)将产生故障的N1控制器进行检测，发现N1控制器的市电检测电路中一个300 VAC/47nf的电容容量已降至0.55～0.5 nf，导致检测不到市电电压，从而导致电机无法驱动。

6)分析300 VAC/47 nf电容下降原因，可能为调试期间现场环境、温湿度等加速了此电容的老化。

结论：根据上述检查判断，3 LND001TB“不同步”报警的根本原因是因为N1控制器失去调节功能导致旁路输出电压超限，从而导致触发“不同步”报警。目前已更换对恶劣环境适应性更强的400 VAC/47 nf的新电容，且系统运行正常。

4 探索核岛UPS故障问题处理优化

4.1 P007等元件损坏预防优化

P007电流互感器组件的使用年限为10年，根据解剖和调研统计分析结果：1)影响CT组件的不良主要原因在电子线路部分(即集成电路板)损坏，而集成电路板主要受恶劣环境(环境主要包括：温/湿度、灰尘等)影响较大;2)调研同行，目前江苏核电有过同样损坏情况，但他们是在设备使用年限10年后出现。因此，为避免类似问题出现，不论P007是否达到使用年限，均在每年的预防性维修规程中增加对P007/P009等内部元器件进行检查、清扫或更换预维项目。

4.2 旁路N1控制器报警功能优化

目前1～4号机组在正常运行期间，均出现过核岛UPS设备旁路N1控制器失效问题，此问题在现阶段虽然已通过更换新电容(对恶劣环境适应性更强的400 VAC/47 nf)和每年大修检查更换措施，已大大降低了故障率，但是仍没有从根本上解决设计上无故障报警功能的问题隐患，譬如，当N1控制器出现失效时，但因无报警信号，运行及维修人员未及时发现和处理，若此时触发UPS不同步故障和逆变器故障叠加，则静态开关将可能切换失效，最终导致下游负荷失电，后果非常严重。因此，后续推动研究对N1控制器增加报警功能，可以彻底解决该问题隐患，从而提高核岛交流不间断电源系统的可靠运行。

5 结 论

福清核电1～6号机组核岛交流不间断电源系统，采用GUTOR的UPS设备，广泛应用各堆型机组。该设备从安装、调试到维修、运行过程中，难免会出现设计、安装质量及设备问题，本文通过对P007卡件和旁路N1控制器失效等故障问题的深入分析，并提出相应的优化措施，杜绝相同缺陷的重复发生，目前该设备在3号机组所出现的问题均通过经验反馈至4号机组，并得以妥善处理，保证了3、4号机组核岛UPS系统的稳定性和控制性，同时也为5、6号机组(华龙一号)交流不间断电源系统的维护积累了丰富的经验，问题的原因分析及处理方法为后续类似问题的处理能提供一些借鉴，为机组的稳定运行及核安全提供有力的保障。