董 磊, 星國龍, 張立國

中廣核運(yùn)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(hào)機(jī)組進(jìn)行系統(tǒng)斷電試驗(yàn)。試驗(yàn)開始后,執(zhí)行程序停運(yùn)2LNE002DL逆變器。當(dāng)斷開下游交流開關(guān)時(shí),交流不間斷電源系統(tǒng)母線失電2 s,電壓最低為2 V,導(dǎo)致下游機(jī)組監(jiān)測設(shè)備停止工作,觸發(fā)主控操作員主動(dòng)干預(yù)。

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(jí)不間斷電源系統(tǒng),通過四臺(tái)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(zhuǎn)換為間距不等的方波,再通過單相變壓器轉(zhuǎn)換為220 V交流電,由配電盤送至下游負(fù)荷。下游負(fù)荷主要有核監(jiān)測儀表機(jī)柜系統(tǒng)、集散控制機(jī)柜系統(tǒng)、集中數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等。此外,不間斷電源系統(tǒng)還向核反應(yīng)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(shè)備供電。

如果不間斷電源系統(tǒng)發(fā)生故障,母線失電,將導(dǎo)致多組設(shè)備失去冗余供電,機(jī)組產(chǎn)生多個(gè)第二組隨機(jī)事件[1]。不間斷電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示,采用無旁路四機(jī)冗余逆變系統(tǒng),四臺(tái)逆變器并列運(yùn)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(tái)逆變器使用總線通信,實(shí)現(xiàn)四臺(tái)逆變器的狀態(tài)跟蹤與信號(hào)同步,其中同步信號(hào)由四臺(tái)逆變器中隨機(jī)產(chǎn)生的主機(jī)發(fā)出[2]。

圖1 不間斷電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

并機(jī)運(yùn)行的逆變器分為主機(jī)和從機(jī)。逆變器啟動(dòng)過程中,先啟動(dòng)的逆變器作為主機(jī),主機(jī)通過通信卡將同步信號(hào)發(fā)送至同步總線[3]。后啟動(dòng)的三臺(tái)逆變器從同步總線上獲取同步信號(hào),并自動(dòng)調(diào)節(jié)交流輸出,與主機(jī)輸出保持一致,從而保證四臺(tái)逆變器同步運(yùn)行。運(yùn)行過程中,如果主機(jī)停運(yùn),剩余三臺(tái)從機(jī)隨機(jī)重新產(chǎn)生一臺(tái)主機(jī),由新主機(jī)向同步總線發(fā)送同步信號(hào)。四臺(tái)逆變器并聯(lián)運(yùn)行過程中,負(fù)載平均分配。各逆變器間通過通信卡實(shí)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(shí)現(xiàn)通信后的逆變器狀態(tài)轉(zhuǎn)換功能。通信卡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 通信卡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通信卡控制不間斷電源系統(tǒng)四臺(tái)逆變器的同步并機(jī),主要有四種功能。

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

(2) 運(yùn)行模式控制。用于并聯(lián)運(yùn)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(yùn)行模式,當(dāng)系統(tǒng)中個(gè)別逆變器出現(xiàn)故障時(shí),其它逆變器仍能正常運(yùn)行。

(3) 負(fù)荷分擔(dān)。保證四臺(tái)逆變器所帶的負(fù)載大小相同。

(4) 主從機(jī)選擇。當(dāng)?shù)谝慌_(tái)逆變器向同步母線發(fā)送同步信號(hào)時(shí),通信卡自動(dòng)識(shí)別,將其作為主機(jī),同時(shí)識(shí)別其它逆變器的同步信號(hào),強(qiáng)制調(diào)整至與主機(jī)同步信號(hào)一致。

3 同步并機(jī)原理

不間斷電源系統(tǒng)中,每臺(tái)逆變器都有獨(dú)立的內(nèi)部同步信號(hào)源,能夠使逆變器向同步總線輸出同步信號(hào)。正常情況下,首先啟動(dòng)的逆變器會(huì)成為主機(jī),主機(jī)將內(nèi)部同步信號(hào)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(dòng)調(diào)整輸出,以此保證所有逆變器同步運(yùn)行。從機(jī)調(diào)整內(nèi)部同步信號(hào),與逆變器同步總線信號(hào)一致,由此保證從機(jī)不用進(jìn)行任何移相操作,就可以隨時(shí)替換主機(jī)在逆變器同步總線上的功能[6]。當(dāng)主機(jī)停機(jī)后,任何一個(gè)從機(jī)都可以替代主機(jī),實(shí)現(xiàn)主機(jī)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)[7]。

總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)指將網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備通過相應(yīng)硬件接口直接連接到公共總線上,節(jié)點(diǎn)之間按廣播方式通信,一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出信息,總線上的其它節(jié)點(diǎn)均可接收到?？偩€拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單、布線容易、可靠性較高、易于擴(kuò)充,缺點(diǎn)包括所有數(shù)據(jù)都需經(jīng)過總線傳送,總線成為整個(gè)系統(tǒng)的瓶頸,出現(xiàn)故障時(shí)診斷困難。

4 故障分析

故障出現(xiàn)后,電廠維修班組對(duì)不間斷電源系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)盤操作,維修人員手動(dòng)逐個(gè)停運(yùn)逆變器,當(dāng)停運(yùn)LNE003DL逆變器,并斷開下游交流開關(guān)時(shí),母線電壓降至214 V,隨后迅速恢復(fù),再次出現(xiàn)電壓波動(dòng)情況,但此次并沒有導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失電。專家組根據(jù)現(xiàn)場情況,初步定位故障點(diǎn)為逆變器同步并機(jī),當(dāng)停運(yùn)主機(jī)時(shí),就會(huì)出現(xiàn)不間斷電源系統(tǒng)波動(dòng),甚至整盤失電的情況。

對(duì)不間斷電源系統(tǒng)的同步總線進(jìn)行監(jiān)測,在正常運(yùn)行工況下,主從機(jī)向同步母線發(fā)送的信號(hào)一致,主從機(jī)區(qū)分清晰,如圖3所示。

圖3 正常工況下同步母線信號(hào)

正常情況下,逆變器會(huì)逐臺(tái)啟動(dòng),最先啟動(dòng)的逆變器會(huì)自動(dòng)成為主機(jī)。第一臺(tái)逆變器啟動(dòng)時(shí),同步母線中只有一個(gè)同步信號(hào)。當(dāng)出現(xiàn)主機(jī)停運(yùn)時(shí),理論上在另外三臺(tái)從機(jī)中隨機(jī)產(chǎn)生一臺(tái)主機(jī),但此時(shí)同步母線中同時(shí)有三臺(tái)從機(jī)發(fā)出的同步信號(hào)。隨機(jī)產(chǎn)生新主機(jī)后,通信卡會(huì)識(shí)別其它從機(jī)的同步信號(hào),與新主機(jī)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)識(shí)別到從機(jī)同步信號(hào)與新主機(jī)不同步時(shí),會(huì)迫使從機(jī)調(diào)整同步信號(hào),保持與新主機(jī)同步信號(hào)一致,從而實(shí)現(xiàn)新主機(jī)的替換功能。

復(fù)盤不間斷電源系統(tǒng)故障工況時(shí),對(duì)同步總線進(jìn)行信號(hào)分析,發(fā)現(xiàn)同步總線同時(shí)存在兩個(gè)主機(jī)信號(hào),說明通信卡功能有問題。不間斷電源系統(tǒng)的同步并機(jī)主要依靠通信卡實(shí)現(xiàn),于是維修組重點(diǎn)進(jìn)行通信卡的診斷分析。將通信卡送往卡件實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬試驗(yàn),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(jī)狀態(tài),但該回路因精度不高,不能實(shí)時(shí)強(qiáng)迫影子主機(jī)變?yōu)閺臋C(jī)。

監(jiān)測電路由模擬元件、數(shù)字元件組成,因元件的容差引起電路對(duì)相位差的監(jiān)測范圍變寬,實(shí)際監(jiān)測門限在2.6～4.5 ms之間。當(dāng)其余從機(jī)的同步信號(hào)與新主機(jī)的同步信號(hào)相位差大于該門限時(shí),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(huì)動(dòng)作,強(qiáng)迫其它逆變器變?yōu)閺臋C(jī)。監(jiān)測信號(hào)波形如圖4所示。

圖4 監(jiān)測信號(hào)波形

多次模擬不間斷電源系統(tǒng)工況,發(fā)現(xiàn)當(dāng)從機(jī)與新主機(jī)的同步信號(hào)相位差小于4.5 ms時(shí),通信卡無法監(jiān)測到從機(jī)與新主機(jī)之間的信號(hào)差異,最終導(dǎo)致同步母線中同時(shí)存在兩個(gè)不同步的主機(jī)信號(hào),如圖5所示。

圖5 異常情況下同步母線信號(hào)

由于主機(jī)區(qū)分不清,逆變器的輸出無法及時(shí)同步,供電母線產(chǎn)生反向電位差,導(dǎo)致逆變器一次輸出側(cè)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(diào)整,導(dǎo)致并列逆變器間環(huán)流急劇增大,最終觸發(fā)逆變器內(nèi)部過流保護(hù)動(dòng)作,母線失電。過流保護(hù)動(dòng)作后,逆變器嘗試自動(dòng)復(fù)位啟動(dòng),母線短時(shí)失電后恢復(fù)。

5 改進(jìn)措施

核電站不間斷電源系統(tǒng)異常的原因?yàn)槎嗯_(tái)逆變器同步運(yùn)行時(shí)無法準(zhǔn)確快速定位主從機(jī),最終導(dǎo)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(qiáng)通信卡上多主機(jī)探測電路模塊的精確度,使監(jiān)測從機(jī)同步信號(hào)的能力提升一個(gè)數(shù)量級(jí),進(jìn)而使通信卡能更快地跟蹤同步總線上的信號(hào),避免出現(xiàn)切換時(shí)兩臺(tái)從機(jī)同時(shí)成為主機(jī)的情況,能夠從根本上解決這一問題。聯(lián)系設(shè)備制造廠家進(jìn)行改進(jìn)方案討論,對(duì)附加AD8302高精度相位檢測模塊進(jìn)行論證。

AD8302高精度相位檢測模塊能同時(shí)測量從低頻到2.7 GHz頻率范圍內(nèi)兩個(gè)輸入信號(hào)之間的幅度比和相位差,主要由精密匹配的寬帶對(duì)數(shù)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(jié)構(gòu)如圖6所示。AD8302高精度相位檢測模塊內(nèi)部的兩個(gè)寬帶對(duì)數(shù)放大器,每個(gè)都由六個(gè)10 dB增益級(jí)串聯(lián)而成,六個(gè)增益級(jí)都帶有七個(gè)輔助濾波器,使AD8302高精度相位檢測模塊具有對(duì)數(shù)壓縮功能,可以將寬頻帶的兩個(gè)輸入電壓變?yōu)檎l帶的分貝刻度輸出,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)輸入信號(hào)增益的測量,將輸入信號(hào)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(jié)構(gòu)

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(hào)作為參考信號(hào),輸入AD8302高精度相位檢測模塊,再分別將兩臺(tái)逆變器的同步信號(hào)分別輸入兩個(gè)AD8302高精度相位檢測模塊,與參考信號(hào)進(jìn)行比較。用兩個(gè)AD8302高精度相位檢測模塊的目的是保證與待測信號(hào)比較時(shí)參考信號(hào)的相位連續(xù)性。AD8302高精度相位檢測模塊輸出的相位差進(jìn)入數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片,再傳送至通信卡主板上的單片機(jī)。在單片機(jī)中運(yùn)算,得到待測信號(hào)之間的相位差調(diào)節(jié)信號(hào)。將調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)送至各臺(tái)逆變器進(jìn)行同步信號(hào)調(diào)節(jié),從而達(dá)到提升通信卡信號(hào)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(jìn)效果

通過在原有通信卡的基礎(chǔ)上附加高精度相位檢測模塊,對(duì)每臺(tái)逆變器接收到的同步信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理,將處理后的數(shù)據(jù)反饋至主通信卡,進(jìn)而將多主機(jī)探測電路的門限由2.6～4.5 ms升級(jí)到0.45～0.55 ms。通信卡的通信時(shí)鐘頻率為125 Hz,所能發(fā)出的同步信號(hào)相位最小步差為0.8 ms。通過在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行不同相位差的同步信號(hào)發(fā)送試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)主從機(jī)同步信號(hào)相位差在0.8 ms依然能夠快速定位同步總線,主機(jī)信號(hào)與同步總線信號(hào)完全同步,不會(huì)出現(xiàn)同步混亂的現(xiàn)象。改進(jìn)后同步母線信號(hào)如圖8所示。

圖8 改進(jìn)后同步母線信號(hào)

與此同時(shí),根據(jù)故障分析的結(jié)論制訂部件老化處理方案,在通信卡運(yùn)行一定期限后對(duì)其進(jìn)行更換,防止部件老化導(dǎo)致檢測精度下降[10]。

7 結(jié)束語

筆者對(duì)核電站不間斷電源系統(tǒng)異常停機(jī)故障進(jìn)行分析,確認(rèn)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(tái)主機(jī),逆變器之間同步信號(hào)異常,逆變器一次輸出側(cè)產(chǎn)生較大環(huán)流,觸發(fā)逆變器內(nèi)部過流保護(hù)動(dòng)作,導(dǎo)致母線短時(shí)失電。存在多臺(tái)主機(jī)的根本原因是逆變器通信卡信號(hào)檢測電路精度不高,無法及時(shí)對(duì)微小相位差同步信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

為解決這一問題,對(duì)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(hào)檢測精度,保證整個(gè)不間斷電源系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。