核电站不间断电源系统异常停机的原因分析与改进措施

董 磊, 星国龙, 张立国

中广核运营有限公司 广东阳江 529941

1 故障情况

2013年10月6日,某核电站2号机组进行系统断电试验。试验开始后,执行程序停运2LNE002DL逆变器。当断开下游交流开关时,交流不间断电源系统母线失电2 s,电压最低为2 V,导致下游机组监测设备停止工作,触发主控操作员主动干预。

2 不间断电源系统分析

发生故障的不间断电源系统为非安全级不间断电源系统,通过四台逆变器将来自上游220V直流电源系统的220 V直流电通过逆变桥转换为间距不等的方波,再通过单相变压器转换为220 V交流电,由配电盘送至下游负荷。下游负荷主要有核监测仪表机柜系统、集散控制机柜系统、集中数据处理系统等。此外,不间断电源系统还向核反应堆控制棒供电系统、核电站辐射监测系统、核取样系统等核电站重要系统设备供电。

如果不间断电源系统发生故障,母线失电,将导致多组设备失去冗余供电,机组产生多个第二组随机事件[1]。不间断电源系统的结构如图1所示,采用无旁路四机冗余逆变系统,四台逆变器并列运行,上游采用唯一供电电源,没有交流旁路变压器备用回路。四台逆变器使用总线通信,实现四台逆变器的状态跟踪与信号同步,其中同步信号由四台逆变器中随机产生的主机发出[2]。

图1 不间断电源系统结构

并机运行的逆变器分为主机和从机。逆变器启动过程中,先启动的逆变器作为主机,主机通过通信卡将同步信号发送至同步总线[3]。后启动的三台逆变器从同步总线上获取同步信号,并自动调节交流输出,与主机输出保持一致,从而保证四台逆变器同步运行。运行过程中,如果主机停运,剩余三台从机随机重新产生一台主机,由新主机向同步总线发送同步信号。四台逆变器并联运行过程中,负载平均分配。各逆变器间通过通信卡实现总线通信[4],通信卡又分别与各逆变器的主控制卡连接,实现通信后的逆变器状态转换功能。通信卡拓扑结构如图2所示。

图2 通信卡拓扑结构

通信卡控制不间断电源系统四台逆变器的同步并机,主要有四种功能。

(1) 同步。使并列运行的四台逆变器输出的电压、相位、频率保持在容差范围内,同步频率范围为45～65 Hz[5]。

(2) 运行模式控制。用于并联运行逆变器间的通信,保证各逆变器工作在同一模式,即冗余运行模式,当系统中个别逆变器出现故障时,其它逆变器仍能正常运行。

(3) 负荷分担。保证四台逆变器所带的负载大小相同。

(4) 主从机选择。当第一台逆变器向同步母线发送同步信号时,通信卡自动识别,将其作为主机,同时识别其它逆变器的同步信号,强制调整至与主机同步信号一致。

3 同步并机原理

不间断电源系统中,每台逆变器都有独立的内部同步信号源,能够使逆变器向同步总线输出同步信号。正常情况下,首先启动的逆变器会成为主机,主机将内部同步信号发送至逆变器同步总线。所有逆变器从逆变器同步总线上获取同步信息,自动调整输出,以此保证所有逆变器同步运行。从机调整内部同步信号,与逆变器同步总线信号一致,由此保证从机不用进行任何移相操作,就可以随时替换主机在逆变器同步总线上的功能[6]。当主机停机后,任何一个从机都可以替代主机,实现主机的功能。为防止逆变器同步总线故障引发系统故障,同步总线采用总线拓扑结构[7]。

总线拓扑结构指将网络中的所有设备通过相应硬件接口直接连接到公共总线上,节点之间按广播方式通信,一个节点发出信息,总线上的其它节点均可接收到。总线拓扑结构的优点在于结构简单、布线容易、可靠性较高、易于扩充,缺点包括所有数据都需经过总线传送,总线成为整个系统的瓶颈,出现故障时诊断困难。

4 故障分析

故障出现后,电厂维修班组对不间断电源系统进行复盘操作,维修人员手动逐个停运逆变器,当停运LNE003DL逆变器,并断开下游交流开关时,母线电压降至214 V,随后迅速恢复,再次出现电压波动情况,但此次并没有导致整个系统失电。专家组根据现场情况,初步定位故障点为逆变器同步并机,当停运主机时,就会出现不间断电源系统波动,甚至整盘失电的情况。

对不间断电源系统的同步总线进行监测,在正常运行工况下,主从机向同步母线发送的信号一致,主从机区分清晰,如图3所示。

图3 正常工况下同步母线信号

正常情况下,逆变器会逐台启动,最先启动的逆变器会自动成为主机。第一台逆变器启动时,同步母线中只有一个同步信号。当出现主机停运时,理论上在另外三台从机中随机产生一台主机,但此时同步母线中同时有三台从机发出的同步信号。随机产生新主机后,通信卡会识别其它从机的同步信号,与新主机信号进行对比。当识别到从机同步信号与新主机不同步时,会迫使从机调整同步信号,保持与新主机同步信号一致,从而实现新主机的替换功能。

复盘不间断电源系统故障工况时,对同步总线进行信号分析,发现同步总线同时存在两个主机信号,说明通信卡功能有问题。不间断电源系统的同步并机主要依靠通信卡实现,于是维修组重点进行通信卡的诊断分析。将通信卡送往卡件实验室进行模拟试验,通信卡上有专门的回路用于探测逆变器同步总线上的多主机状态,但该回路因精度不高,不能实时强迫影子主机变为从机。

监测电路由模拟元件、数字元件组成,因元件的容差引起电路对相位差的监测范围变宽,实际监测门限在2.6～4.5 ms之间。当其余从机的同步信号与新主机的同步信号相位差大于该门限时,监测电路才能监测到,这意味着因元件容差引起的相位滞后大于4.5 ms,监测电路才会动作,强迫其它逆变器变为从机。监测信号波形如图4所示。

图4 监测信号波形

多次模拟不间断电源系统工况,发现当从机与新主机的同步信号相位差小于4.5 ms时,通信卡无法监测到从机与新主机之间的信号差异,最终导致同步母线中同时存在两个不同步的主机信号,如图5所示。

图5 异常情况下同步母线信号

由于主机区分不清,逆变器的输出无法及时同步,供电母线产生反向电位差,导致逆变器一次输出侧出现环流[8]。另一方面,因逆变器彼此间不断寻求同步,电压相角不断轻微调整,导致并列逆变器间环流急剧增大,最终触发逆变器内部过流保护动作,母线失电。过流保护动作后,逆变器尝试自动复位启动,母线短时失电后恢复。

5 改进措施

核电站不间断电源系统异常的原因为多台逆变器同步运行时无法准确快速定位主从机,最终导致逆变器同步失败,母线出现环流。处理这一类故障的核心在于提高逆变器的同步速度与效率。为通信卡附加高精度相位检测模块,增强通信卡上多主机探测电路模块的精确度,使监测从机同步信号的能力提升一个数量级,进而使通信卡能更快地跟踪同步总线上的信号,避免出现切换时两台从机同时成为主机的情况,能够从根本上解决这一问题。联系设备制造厂家进行改进方案讨论,对附加AD8302高精度相位检测模块进行论证。

AD8302高精度相位检测模块能同时测量从低频到2.7 GHz频率范围内两个输入信号之间的幅度比和相位差,主要由精密匹配的宽带对数放大器、相位检测器、输出放大器组、偏置单元、输出参考电压缓冲器组成,功能结构如图6所示。AD8302高精度相位检测模块内部的两个宽带对数放大器,每个都由六个10 dB增益级串联而成,六个增益级都带有七个辅助滤波器,使AD8302高精度相位检测模块具有对数压缩功能,可以将宽频带的两个输入电压变为窄频带的分贝刻度输出,从而实现对两个输入信号增益的测量,将输入信号的相位差变换为电压输出,范围为0～1.8 V[9]。

图6 AD8302高精度相位检测模块功能结构

高精度相位检测系统原理如图7所示。将不间断电源系统的总线同步信号作为参考信号,输入AD8302高精度相位检测模块,再分别将两台逆变器的同步信号分别输入两个AD8302高精度相位检测模块,与参考信号进行比较。用两个AD8302高精度相位检测模块的目的是保证与待测信号比较时参考信号的相位连续性。AD8302高精度相位检测模块输出的相位差进入数模转换芯片,再传送至通信卡主板上的单片机。在单片机中运算,得到待测信号之间的相位差调节信号。将调节信号发送至各台逆变器进行同步信号调节,从而达到提升通信卡信号检测电路精度的目的。

图7 高精度相位检测系统原理

6 改进效果

通过在原有通信卡的基础上附加高精度相位检测模块,对每台逆变器接收到的同步信号数据进行再处理,将处理后的数据反馈至主通信卡,进而将多主机探测电路的门限由2.6～4.5 ms升级到0.45～0.55 ms。通信卡的通信时钟频率为125 Hz,所能发出的同步信号相位最小步差为0.8 ms。通过在实验室进行不同相位差的同步信号发送试验,发现主从机同步信号相位差在0.8 ms依然能够快速定位同步总线,主机信号与同步总线信号完全同步,不会出现同步混乱的现象。改进后同步母线信号如图8所示。

图8 改进后同步母线信号

与此同时,根据故障分析的结论制订部件老化处理方案,在通信卡运行一定期限后对其进行更换,防止部件老化导致检测精度下降[10]。

7 结束语

笔者对核电站不间断电源系统异常停机故障进行分析,确认不间断电源系统整盘失电的直接原因是系统中存在多台主机,逆变器之间同步信号异常,逆变器一次输出侧产生较大环流,触发逆变器内部过流保护动作,导致母线短时失电。存在多台主机的根本原因是逆变器通信卡信号检测电路精度不高,无法及时对微小相位差同步信号进行调节。

为解决这一问题,对逆变器通信卡附加高精度相位检测模块,提升通信卡的信号检测精度,保证整个不间断电源系统的稳定运行。