直流電源系統(tǒng)在核電廠中的應(yīng)用分析

直流電源系統(tǒng)在核電廠中的應(yīng)用分析摘要：直流電源系統(tǒng)是核電廠用電領(lǐng)域里十分重要的組成部分，本文主要分析探索了核電廠中直流電力系統(tǒng)的電壓等級，蓄電池放電時間，系統(tǒng)構(gòu)成等內(nèi)容。同時研究了核電廠與以往的火電廠中直流電源系統(tǒng)設(shè)定的區(qū)別，討論了直流電源系統(tǒng)未來進行開發(fā)的走向。關(guān)鍵詞：核電廠；直流系統(tǒng)；電壓等級；蓄電池一、直流電源系統(tǒng)概念直流電源體系是由充電裝置、蓄電池、電力供應(yīng)電路、電壓調(diào)節(jié)裝置以及相關(guān)的控制、測量、信號、保護與調(diào)整單位組成的一種在日常任何事故情況中都可以供給牢靠的不間斷電力的系統(tǒng)。直流電源系統(tǒng)獨自處于交流動力電源體系的外部，無需被交流電源系統(tǒng)運行時產(chǎn)生的事故所阻礙，在運行維護時十分便利，再加上其本身具備的安全性與穩(wěn)定性，使得其越來越被廣泛使用于發(fā)電廠之中。特別是在核電廠中，當交流電源全部喪失時，直流電源仍能使用受控方式停止反應(yīng)堆，并為其供應(yīng)安全穩(wěn)妥的電源。因此，直流供電系統(tǒng)對電廠的安全運行有著至關(guān)重要的意義［1］。1.直流電源系統(tǒng)電壓等級早期從法國進口的M310核電機組直流電源系統(tǒng)選用的是230V、125V、48V、30V等電壓等級，如大亞灣、嶺澳一期核電站等。到嶺澳二期，便將30V電壓等級進行了取締。而福建福清一、二期以及在建的方家山核電站直流電源系統(tǒng)選用的是220V、110V、48V電壓等級，同國內(nèi)標準領(lǐng)域一致。中國在建的三門和海陽核電站引進了第二代APIO開放技術(shù)［2］。安全級（IE級）直流電源體系選取了250V電壓等級，一方面為儀表、控制、監(jiān)控等相關(guān)設(shè)備安全停堆所需的重要功能供給電力，另一方面，也為主控室與遠程停堆站的正常照明和應(yīng)急照明供應(yīng)電源。而非IE級直流電源體系選用了220V電壓等級，為他的控制與動力負荷供給電力。由此可以看出，已建和在建的大型核電廠原設(shè)計在大多情況下都會保持不變，而在選擇設(shè)備類型時，一般優(yōu)先考慮進口類。直流電源系統(tǒng)選用的電壓等級一般同國外的標準相同，以此使得設(shè)備在采購時更為便利。在隨后的改進計劃中，從國產(chǎn)化和設(shè)備采購角度思量，直流系統(tǒng)的電壓等級慢慢開始與中國的電壓等級一致，內(nèi)部標準相同。由于國內(nèi)220V和110V直流電源設(shè)備已被普遍應(yīng)用于核電廠，因此，大型核電站直流電源系統(tǒng)在進行獨立設(shè)計的過程中，可以考慮這兩種電壓等級。在同等情況下，110V直流系統(tǒng)的供電電流遠遠高于電壓220V，這便增加了電纜截的面積⑶。但是，110V蓄電池只有220V電池的一半。因此，當電流大、供電距離較長時，選擇220V直流電壓更容易滿足各種運行條件下的電壓等級要求；如果選用110V直流電壓，則會出現(xiàn)電纜截面積選取過大，接線安裝產(chǎn)生障礙，以及投資增加的狀況。核電廠直流電源48V電壓等級與電網(wǎng)通信用48V電源不同，正負母線都要懸浮不接地，且多是用于保障電廠事故應(yīng)急或后備柴油機啟動的電源，這些用電負荷在核電廠正常運行時不會啟動，一旦啟動均要求百分百可靠，以保證能夠提供足夠直流電啟動應(yīng)急或后備柴油機向電廠發(fā)電。由于這種用電設(shè)備較少但又不可或缺，從經(jīng)濟效益角度出發(fā)，應(yīng)當考慮48V電源是否能與其他常用到的220V直流電源整合，個別48V用電負荷通過DC/DC模塊從220V直流母線降壓至48V電壓取電源即可，無需為此單獨設(shè)計直流系統(tǒng)。這樣可以簡化直流電壓等級、降本增效。三、核電廠中蓄電池的應(yīng)用（一）防酸鉛酸蓄電池蓄電池是核電廠直流電源系統(tǒng)的主要組成部分⑷。如今，方家山核電廠主要采用沈陽東北電池廠生產(chǎn)的一種固定式防酸鉛酸蓄電池。這種電池與普通民用蓄電池有很大的不同，與普通電池相比，它擁有合理化設(shè)計，首次放電高達百分之九十五以上，浮充壽命更是可達15年以上。然而，雖然鉛酸蓄電池的性能較普通鉛酸蓄電池有了很大的提升，卻仍存在下列問題：1.高溫對蓄電池容量、性能和壽命影響極大，這便要求蓄電池室務(wù)必須要配備通風系統(tǒng)。2.安裝十分繁瑣，環(huán)境不干凈甚至會導(dǎo)致短路。3.對電池保養(yǎng)要求十分繁雜，比如每三個月便需要補充一次電解液。4.在生產(chǎn)、經(jīng)營和報廢的過程中，容易出現(xiàn)重金屬污染的狀況。1.磷酸鐵鋰蓄電池磷酸鐵鋰蓄電池是一種以磷酸鐵鋰為正極質(zhì)料的鋰電池。它具有價格便宜、原料充足、電容量大、充電速度快、循環(huán)壽命長、穩(wěn)定性高等特點。（三）蓄電池性能對比基本性能：磷酸鐵鋰電池標準電壓比鉛酸電池高二分之一，在相同容量下，前者的重量是后者的二分之一，所占體積只有后者的三分之一。因此，如果在直流系統(tǒng)中用磷酸鋰鐵電池代替鉛酸蓄電池，不僅可以大大減少蓄電池占用的空間，而且也能大大降低維修人員的工作強度。壽命特性：磷酸鐵鋰蓄電池具備杰出的適應(yīng)能力，其沖放電電流與壽命基本無關(guān)。在正常情況下，核電廠蓄電池基本處于浮動充電狀態(tài)。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，該磷酸鋰鐵電池在浮充狀態(tài)下的使用壽命優(yōu)于普通鉛酸蓄電池。北京201研究所的實驗表明，在60°C的水溫下漂浮一年，磷酸鋰鐵電池的容量保持率可達到81%。對比結(jié)論：與普通鉛酸蓄電池相比，耐酸鉛酸蓄電池的性能有了很大的進步，尤其是在浮充壽命方面。然而，磷酸鐵鋰電池在很多方面都優(yōu)于耐酸鉛酸電池。未來發(fā)展：核電廠用的鉛酸蓄電池多為開口式或富液式電池，析氫量大，蓄電池間的暖通控制需求量大，且日后維護量大。鑒于密封式或者膠體類鉛酸蓄電池在廣大火電廠、水電廠和電站成功可靠的運行經(jīng)驗，應(yīng)當考慮在未來大量采用和普及。目前免維護的密封鉛酸蓄電池設(shè)計壽命也可達到12年，與開口式鉛酸電池15年設(shè)計壽命不相上下，且核電站電池實際運行中消耗放電頻次并不多。密封或膠體鉛酸蓄電池市場用量大、采購單價與開口富液式鉛酸蓄電池不相上下，但是可以省去給電池補充電解液和水的維護成本。磷酸鋰鐵電池則還是只適合用在核電某些需要急（大）充急（大）放電的特殊設(shè)備上，就其高昂的成本和可靠性來看，在核電領(lǐng)域大規(guī)模普及還為時過早。四、直流電源系統(tǒng)配置核電廠在保證核安全的基礎(chǔ)之上，將直流電源系統(tǒng)分為1E級直流系統(tǒng)和非1E級系統(tǒng)［5。IE級直流電源系統(tǒng)在普通運行、預(yù)期運行事件期間向包含控制、監(jiān)測、保護、開關(guān)設(shè)備和輔助電氣系統(tǒng)在內(nèi)的直流負荷提供電源。非IE級直流電源系統(tǒng)包括EDSI、EDS5五個部分，其中兩個獨立的子系統(tǒng)，向兩個獨立的負荷組供給電源，并配置一臺備用充電器。直流系統(tǒng)選擇裝備時必須符合單一故障判定依據(jù)和多重、獨立、多樣的設(shè)計需求。核電廠1E級直流多用相控充電機整流，其實國內(nèi)的高頻開關(guān)電源已經(jīng)在廣大發(fā)電廠、電站運行多年，是非?？煽康?，且高頻開關(guān)整流輸出電源質(zhì)量相較相控電源參數(shù)更好。穩(wěn)壓穩(wěn)流精度高、電源響應(yīng)調(diào)整更迅速、均流不平衡度更好，其在核電廠非1E級直流系統(tǒng)也大量采用，未來應(yīng)該考慮在1E級直流也推廣普及。四、直流電源系統(tǒng)在核電廠中的應(yīng)用分析國內(nèi)M310核電廠蓄電池的放電時長按1小時設(shè)計，API核電廠IE級蓄電池放電時長按照24小時和72小時設(shè)計，非IE級蓄電池放電時間按2小時設(shè)計。對于M310核電廠來說，每個直流電源系統(tǒng)由一個蓄電池、一個或兩個充電器組成，每個子系統(tǒng)都是獨立的個體。當任一直流母線段上的蓄電池和充電器同期失去電源時，可通過閉合母線連接來完成其他母線段的供電，從而確保重要負荷的連續(xù)不斷的運行。API核電廠直流系統(tǒng)的接線方式可以在系統(tǒng)連續(xù)運行的條件下進行儲罐排放試驗，具有較高的可維持性和操作靈活性。如果是相控充電器，對于兩（組）充（電器）一電（池）的直流系統(tǒng)，會由于相控充電器均流性能不佳，兩組充電器常常采用一主一備的方式運行投入使用，如果是高頻開關(guān)類型的充電器，則可兩組充電器同時投入并列運行。而常規(guī)火電廠直流電源系統(tǒng)是由兩組蓄電池、三套充電器組成（即三充兩電系統(tǒng)），單母線分段連接。直流系統(tǒng)配有充電總線與配電母線，充電總線用來充電和測試電池，直流饋線與直流母線相連。在這種連接模式下，兩個充電器帶各自母線負載及蓄電池運行，第三組充電器作為備用充電器，當一個充電器發(fā)生故障或失去交流電源時，它會自動切換到由備用充電器運行。由于電池放電測試直接與充電母線相連，只要充電母線脫離直流母線，不影響母線所帶用電負荷，蓄電池組即可進行放電測試，本段直流母線可通過連接另一組蓄電池所在母線以保證供電可靠性。兩組蓄電池的系統(tǒng)可在保證直流系統(tǒng)不停電情況下實現(xiàn)蓄電池輪換充放電檢測和維護，較兩充一電系統(tǒng)供電可靠性更高。五、直流電源系統(tǒng)發(fā)展趨勢：降低直流電壓等級，減少系統(tǒng)設(shè)置次數(shù)，提高備用設(shè)備的互換性和可用性。核電廠1E級直流電源逐步放開普及國內(nèi)電力行業(yè)常用的電源技術(shù)，與其他發(fā)電廠、電站技術(shù)接軌。核電廠直流電源也會隨國內(nèi)電力行業(yè)技術(shù)升級，向設(shè)備小型化、智能化發(fā)展。蓄電池負載容量的研究已引起人們的廣泛關(guān)注。加強直流電源日常的保養(yǎng)與檢測，提高自動化管理水平，可以對其日后的關(guān)鍵發(fā)展起到重要意義。使用多種措施約束直流負荷的暫態(tài)電流，以減少蓄電池的沖擊放電電流，延長電池的放電時間。六、結(jié)論直流電源系統(tǒng)對核電廠的安全運行起著至關(guān)重要的作用。為了更好地發(fā)揮直流電源系統(tǒng)的作用，使其能在最不利的運行狀況下為每個負荷供應(yīng)所需的電能，蓄電池的緊急放電時間、負荷容量、直流系統(tǒng)的設(shè)置以及直流負荷的特性是電廠設(shè)計人員關(guān)注的重點。本文簡要分析了直流電源系統(tǒng)在核電廠中的應(yīng)用，但愿能對直流電源系統(tǒng)的設(shè)計起到一定的參考意義。參考文獻：李明成，馬培鋒，林建，鉛酸蓄電池在核電廠直流電源系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].蓄電池，2012，2(49).137