賈良博(中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300)

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核電站全廠斷電工況下蓄電池供電時間的探討

賈良博
(中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300)

〔摘 要〕介紹了蓄電池組在全廠斷電工況下的作用；對蓄電池在全廠斷電工況下的持續(xù)供電時間進行了分析，為處理全廠斷電事故提供了時間依據(jù)；最后，為了確保在核電廠全廠停電工況下蓄電池的必要供電時間，提出了對蓄電池的養(yǎng)護建議及蓄電池事故的處理預(yù)案。

〔關(guān)鍵詞〕核電站；全廠斷電；蓄電池；供電時間；經(jīng)濟運行模式

0 引言

核電廠用不間斷電源由整流裝置(充電器)、蓄電池組、逆變裝置(逆變器)構(gòu)成，共設(shè)置2套實體上分隔和電氣上隔離的不間斷電源裝置，主要向反應(yīng)堆安全停堆系統(tǒng)、安注系統(tǒng)、重要監(jiān)視儀表等設(shè)備提供控制電源。

在核電站運行工況下，蓄電池組與充電器并聯(lián)運行。在充電器發(fā)生故障或供充電器的380 V交流電源丟失時，蓄電池組不僅能不間斷地向用電設(shè)備提供直流電源，保證核安全相關(guān)設(shè)備的短時控制電源不丟失，還能為充電器不能供給的瞬時尖峰負(fù)荷(例如由充電器調(diào)節(jié)響應(yīng)時間較長或電流限值等原因造成的尖峰負(fù)荷)供電。

1 全廠斷電工況下蓄電池供電時間分析

1.1 全廠斷電工況

某核電廠3，4號機組6 kV中壓系統(tǒng)正常狀態(tài)下由500 kV主變壓器、220 kV輔助變壓器供電。每臺機組有正常廠用母線4段(LGA，LGB，LGC，LGD)、應(yīng)急母線2段(LHA，LHB)、循泵房母線2段(LGEA，LGEB)、2臺機組共用母線2 段(LGIA，LGIB)、備用電源母線2段(LGR001，LGR002)。

當(dāng)LHA，LHB 2段應(yīng)急母線故障報警同時觸發(fā)，且該2段母線主控電壓指示表同時顯示為0時，便可診斷出發(fā)生了全廠斷電事故。此時，核電廠電源控制方面應(yīng)進行的操作有：

(1) LLS柴油機啟動向應(yīng)急電源配電箱LNE360CR供電；

(2) 將不間斷電源LNE系統(tǒng)(LNE系統(tǒng)直流電源來自220 V LAA系統(tǒng)，且LAA系統(tǒng)僅LNE系統(tǒng)這一負(fù)荷。因此，LNE系統(tǒng)的經(jīng)濟運行模式計算的是LAA蓄電池的情況)和LCA系統(tǒng)(48 V直流系統(tǒng))轉(zhuǎn)到經(jīng)濟運行模式、LGIA切換至LGC母線帶載。

LNE系統(tǒng)上游電源來自LAA系統(tǒng)，LAA系統(tǒng)上游電源來自LLC配電盤；LCA系統(tǒng)上游電源同樣來自LLC配電盤。LLC母線由LHA母線段提供電源，LHA母線段失電造成LNE系統(tǒng)和LCA系統(tǒng)直流母線段電源失去。此時，失去正常電源的直流母線由LAA系統(tǒng)和LCA系統(tǒng)電源蓄電池帶載。

1.2 LAA系統(tǒng)和LCA系統(tǒng)經(jīng)濟運行模式分析

經(jīng)濟運行模式是指在輸出電能相同的條件下，通過擇優(yōu)選取最佳運行方式和調(diào)整負(fù)載，使蓄電池不必要的電能輸出降到最低。其中，在全廠斷電情況下，蓄電池上游電源丟失，此時蓄電池處于直接對負(fù)載放電模式。調(diào)整負(fù)載是實現(xiàn)蓄電池經(jīng)濟運行模式的主要手段，具體計算方法如下。

計算可分為2個階段，第1階段：30 min內(nèi)，按正常運行期間的電流計算；第2階段：30 min后，按設(shè)計要求保留的負(fù)荷計算。下面以3號機組為例，計算3LAA和3LCA系統(tǒng)的經(jīng)濟運行模式。

3LAA系統(tǒng)第1階段正常運行時測量的3LAA系統(tǒng)進線電流為98 A；第2階段，測量的保留負(fù)荷運行電流為37．4 A。

3LCA系統(tǒng)第1階段正常運行時測量的3LCA系統(tǒng)進線電流為104 A；第2階段，測量的保留負(fù)荷運行電流為55．6 A。

由于使用鉛酸蓄電池放電時間Peukert經(jīng)驗公式計算與試驗得到的結(jié)果的符合性較好，而使用IEEE485計算得到的鉛酸蓄電池放電時間較保守，因此下面使用Peukert經(jīng)驗公式進行分析。Peukert經(jīng)驗公式如下：

K=Int (1)

式(1)中，K為蓄電池理論容量；I為放電電流；t為放電持續(xù)時間；n為Peukert常數(shù)，其值在1．15-1．42。

Peukert經(jīng)驗公式表明，放電電流愈大，蓄電池容量愈小。但采用該方法計算沒有考慮環(huán)境溫度、設(shè)計裕度和老化系數(shù)的影響，且當(dāng)放電電流很小時不適用。

LAA和LCA蓄電池使用的是GFD-2000型蓄電池，根據(jù)廠家說明書，蓄電池的終止放電電壓為1．87 V/只，5 h放電電流為296．0 A，10 h放電電流為185．6 A。將數(shù)據(jù)分別代入Peukert經(jīng)驗公式，有K=185．6n×10=296n×5，計算得到Peukert常數(shù)n=1．485，蓄電池理論容量K=23 379 Ah。

(1) 3LAA蓄電池組全廠斷電工況下帶載放電時間分析如下。

第1階段：正常運行電流為98 A，帶載放電時間為0．5 h，K1=Int=981．485×0．5=905．672× 0．5=453 Ah。

第2階段：蓄電池剩余容量K2=K-K1=23 379-453=22 926 Ah。

第2階段放電電流I=37．4 A，代入公式(1)，則29 926=37．41．485t，t=138．1 h。

這樣計算得到蓄電池總共的放電時間為138．1+0．5=138．6 h。

(2) 3LCA蓄電池組全廠斷電工況下帶載放電時間分析如下。

第1階段：正常運行電流為104 A，帶載放電時間為0．5 h，K1=Int=1041．485×0．5=494 Ah。

第2階段：蓄電池剩余容量K2=K-K1=23 379-494=22 885 Ah。

第2階段放電電流I=55．6A，代入公式(1)，則22 885=55．61．485t，t=58．6 h。

這樣計算得到蓄電池總共的放電時間為58．6+0．5=59．1 h。

(3) 計算結(jié)果。該核電廠3，4號機組在全廠斷電工況下涉及的蓄電池放電時間為：LAA蓄電池放電時間為138．6 h；LCA蓄電池放電時間為59．1 h。

1.3 經(jīng)濟運行模式供電時間評價

LAA/LCA系統(tǒng)的主要負(fù)荷是6 kV及380 V電源開關(guān)控制部分、RGL棒控系統(tǒng)控制電源部分、電動閥門過程控制部分、操作員控制室模擬盤、計算機和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、直流配電盤接地故障探測器、記錄儀和指示儀以及堆芯儀控系統(tǒng)。

經(jīng)濟運行模式計算中的第1階段是正常帶載情況下蓄電池的供電時間，要求為30 min。在這30 min內(nèi)，主控操作員要將反應(yīng)堆停堆，具體操作時間統(tǒng)計情況如下。

(1) 反應(yīng)堆控制棒插入堆芯底部使反應(yīng)堆停堆共225步。當(dāng)反應(yīng)堆失去廠外電源導(dǎo)致停堆時，控制棒在重力作用下掉入堆芯底部，耗時約2．4 s。當(dāng)需要人工操作將控制棒插入堆芯底部時，控制棒的插入速度在6-72步/min內(nèi)可調(diào)，一般控制在48 步/min，耗時約4．687 5 min，最慢速度情況下耗時37．5 min。

(2) 6 kV開關(guān)斷開時間為30 ms，此時間為大修期間主控操作斷路器的平均分閘時間。當(dāng)人為斷開6 kV斷路器時，熟練工1 min可斷開1臺斷路器。每臺機組6 kV母線共計有12段。因此，當(dāng)失去廠外電源時，依次斷開6 kV斷路器所需的時間為：主控操作0．36 s，人工操作12 min?？紤]到異常情況，可將操作斷路器的時間控制在30 min內(nèi)。

通過上述計算，在經(jīng)濟運行模式的第1階段中，反應(yīng)堆的停堆操作可控制在30 min內(nèi)(反應(yīng)堆停堆和6 kV開關(guān)分閘操作同時進行)。在經(jīng)濟運行模式的第2階段，LAA/LCA系統(tǒng)向計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、記錄儀和指示儀供電，主要起到監(jiān)視和數(shù)據(jù)分析作用，在此階段已完成了主要設(shè)備的安全操作。根據(jù)上述分析，該核電廠在全廠斷電工況下，2組蓄電池的供電時間均可滿足核電廠的安全操作及事故處理時間要求。

2 蓄電池維護建議及其事故處理預(yù)案

為了確保在核電廠全廠斷電工況下蓄電池的供電時間，應(yīng)加強蓄電池的維護。下面主要從蓄電池初次充放電、日常充放電、蓄電池事故處理預(yù)案及防止蓄電池接地4方面進行分析。

2.1 初次充放電

在核電站安裝階段中，蓄電池的初次充放電工作一般在廠家完成，如對工期有特殊要求，可以在核電廠調(diào)試工地進行初次充放電工作。在初次充放電過程中應(yīng)注意以下幾點。

(1) 初次充放電步驟。依次分為初次充電3．6倍額定容量，初次放電全部額定容量；C10充電，C10放電；C10充電，ID放電；C10補充電4個步驟。

(2) 初次充放電冷卻方式。在初次充放電過程中，蓄電池發(fā)熱量較大，需要及時降溫?？刹扇∷』虮鶋K冷卻方式，以保證電解液溫度穩(wěn)定在45 ℃以下。

2.2 日常充放電

蓄電池安裝調(diào)試完成后，將其運至核電廠進入電池的使用階段。在此階段中，蓄電池應(yīng)進行如下養(yǎng)護工作。

(1) 每月1次蓄電池月檢工作：測量電池端電壓、電解液密度參數(shù)，要求其滿足要求。

(2) 核電廠機組大修期間進行常規(guī)充放電試驗，使用10 h放電率進行充放電工作。大修時最好使用恒流法進行充電，如果下游負(fù)載無法脫開，需帶負(fù)荷充放電時，設(shè)置的充電器充電電流要加上負(fù)荷電流，放電電流要扣除負(fù)荷電流。

2.3 蓄電池事故處理預(yù)案

在全廠斷電工況下，下游負(fù)載切換至蓄電池帶載，此時如果發(fā)生過電流故障，蓄電池進線開關(guān)會跳閘，具體分析如下。

在蓄電池進線抽屜內(nèi)設(shè)置1個過電流保護繼電器，當(dāng)發(fā)生過電流時該繼電器發(fā)出跳閘信號，蓄電池進線開關(guān)跳閘，同時聯(lián)跳充電器上游開關(guān)和充電器輸出直流開關(guān)，以保護充電器及下游負(fù)載。但在實際使用過程中，由于過電流保護繼電器存在誤動作的可能，因此，建議在過電流跳閘信號回路中串聯(lián)1個充電器直流輸出低電壓常開觸點。當(dāng)充電器輸出電壓正常時，觸點閉合，允許過電流保護動作；在全廠斷電工況下，充電器上游電源丟失，充電器輸出電壓低，常開觸點斷開，過流保護失效，依靠蓄電池進線開關(guān)內(nèi)部熔絲保護。這樣既保留了保護功能，又降低了保護誤動作的風(fēng)險。

2.4 防止蓄電池接地

在蓄電池使用過程中，還易發(fā)生直流系統(tǒng)接地故障，可能造成電氣或熱工設(shè)備控制和保護拒動或誤動。蓄電池電解液漏液，通過外殼與大地相通是導(dǎo)致直流系統(tǒng)接地的主要原因。因此，在蓄電池日常維護中，要注意以下幾點：

(1) 蓄電池電解液不要加至高液位，只要加到高液位的2/3處即可；

(2) 若蓄電池上端蓋接縫處受酸液腐蝕而開裂，應(yīng)及時修復(fù)；

(3) 蓄電池月檢完成后外殼要擦拭干凈，確保無液體殘留。

3 結(jié)束語

該核電廠3，4號機組在全廠斷電工況下，直流電源可應(yīng)急持續(xù)供電時間為：LAA蓄電池為138．6 h，LCA蓄電池為59．1 h。通過對此時反應(yīng)堆安全停堆操作時間的分析計算，經(jīng)濟運行模式下的蓄電池組供電時間可滿足安全停堆時間要求和后續(xù)的反應(yīng)堆控制的邏輯計算及記錄儀表供電要求。為了確保在全廠斷電工況下蓄電池的可靠供電，必須高度重視對蓄電池的維護。

賈良博(1983-)，男，工程師，主要從事核電站電氣維修工作，email：jialb@cnnp．com．cn。

作者簡介：

收稿日期：2015-10-13。