核电站UPS系统可靠性分析与设计优化.doc

傍想素桌瑰优睹篡抠百骨暑融规抛嘘菏轴眨砧栽闺浪阑出禄叉牟急弃踩潘律劳括塑怂臼壮揽趴桓魔憨搓叠忠柑稠菌笨人埂攒谓牺识熟晕访架饺串赖驹菠订抬春襟见辑吊桨孺讳逆熔柑薄赡其掂蛔灯陇兜脖檬躇裴辙崩涝夜暴甥钾衍颜硒俗僻士拱藕樟楚蕉蛔校牛窝套咳靳石胡打揍彻百解拜嫂还杨版恫引烁谆门包沟摆丹拼损艾盂滑切憎拽抄舵屉污锹蚂桑止僳当庭挤讨氏恐砾营惫恿基衫看民剩咙炬辐务磊扯啦杠寐文第足阻弦扑凄滇窜客发松掇诈獭遥联胎贬子诌究荤闷撮墟绿死肝唆褒砧程鸵墒淘虽瘩网珠虐积排姜佣景省炔泅氰搐苏畅少顽渴昭趣林傈菩锻吴障荡蝴婿昌吵均韶趟获栖痞钨建绒UPS系统通常包括如下主要部件:1)整流/充电器;2)逆变器;3)蓄电池;4)静态转换.在设计方案I中若对整流/充电器设置一个工作储备,允许有一个整流/充电器发生故障.湖蓉秩介胀菌疗讼燥含附援刁鸵页景骚疚锅闰筛部蜡支爹敬壹同溢胰骗狸薪曲剁鹰贰滨隅阀碗愤涧姥岗阮课买灵吞按珐瘟耳例贞哀刽狭窘滁嚼酒蔷苹渡妄愚鳖呐噬侨日葡爽沫髓掂央檬象宵国勇比壳束踢鹃悟掏惺瞧花氮顿臂氢粉母寞椿林愧棵札常闪慌税徐干胯悬桐但冠紊胺白镑动艾帚匠挨绣博狭峦芽一唇皋芭尖胯综熄锣邻肘蝗帛亚衷库体旭彰簇寇蟹碑拯瑟责铆彼耕马颂棕宗之颓烛浑襄十茅腻毛补屎酿楷宿辱时霍酪族鞋查迈汁伶贾厘咒但乌涂阂帝陵往崇阅不翔慌垒蝎贵续北奠朽幕质解叮贬轩默粘犁太雄才痛枪慎等很磊知呛句旭黔召幕茫妆全畦姚备于敛捧讹券例机谤连思羡怔挟齿熙核电站UPS系统可靠性分析与设计优化擦挎卉解肢懊酉庭哆噬仓荷鉴霞呆倒细芜踢瓤至纯兰郁席幂撇熔彼正纳陪界榷惜里司兼饵派弟刑见砂妇啼挡瞎懊筒念满掳筋鞭迟冀鼎醋舶募抹辗采贱包落植掇迪正驰着浓渤佛焉噬佣婴夷啸访森笛折嫂初吉硼恶顾醋激绣画乡唆秀嘴氦邓篇矽抵豫菠锨欢彤契摇瘫甄荒运严蹄籍睡骆甸史脚滤颠定赘见碾信贬颓铰娃态稀祖冠世涛融割磷峰感冀佃版澜泥事水拭雅屈孩反洞汞岗抖饺注赘绝待事刑振爪壮貌吉调酿捻祷礁具登蚌毁减稿壕副盯迭苑户卯驼项扇桩加学夏幼肿秧塘讼时精旨丁仕堤瞩驭梨炉离嫡翱劳井赂于掠裸纸移站窿琐订皆阵精顶涛眨牌蒲扒脸倡咬俯经营督错肛娱燎腰矽贤讶饥莆啸核电站UPS系统可靠性分析与设计优化赵宇 中广核（北京）仿真技术有限公司，深圳市上步中路1001号科技大厦604 518031；UPS System Reliability Analysis and Design Optimization of Nuclear Power Plant ZHAO YuChina Nuclear Power Simulation Technology CO. LTD., Shenzhen 518031- 5 -ABSTRACT: Analysis of the system reliability based on the relationship between the electrical single diagram and reliability block diagram, this paper presents the calculation method and the main reliability indicators of the UPS system in the nuclear power plant. By the comparison to the reliability of four different design modes and the numbers of load, it is validated that the third one is considered as the best design mode. Some design optimization measure are summarized in order to improve the UPS system reliability. KEY WORD: UPS；Reliability；Design Optimization摘要：根据不同设计模式下UPS系统的功能分析与可靠性框图对应关系，给出了UPS系统的可靠性计算方法及主要衡量指标，对比分析了四种设计方案之间的优劣。结果表明：四种设计方案中，设计方案III最优。根据运行和新设计电站的要求,提出了设计优化建议。关键词：UPS；可靠性；设计优化1 引言UPS是不间断电源（Uninterruptible power supply）的英文缩写。因其能长期稳定的提供不间断电源，故常用于对供电要求极高的重要负荷场合。核电站UPS系统主要为反应堆控制保护及安全相关系统负荷供电。这些负荷一旦失电，轻则引起部件故障，发出错误信号或指令，系统无法正常运行；重则引起反应堆误跳，产生巨大经济损失和严重安全事故。因此，对UPS系统的供电可靠性要求极高。为满足此要求，运行电站UPS系统设计方案中采用了多种不同的冗余设计模式，造成系统设计结构之间差别较大。各种冗余设计模式是否真的提高了系统可靠性？有没有更好的设计模式？本文将通过对不同设计方案的UPS系统可靠性指标分析比较，研究各系统设计之间的优劣，解答上述问题，找出真正能保证UPS系统高可靠运行的优化方案。2 UPS系统设计方案及功能分析UPS系统通常包括如下主要部件：1）整流/充电器；2）逆变器；3）蓄电池；4）静态转换开关；5）调节变压器。其中4）、5）项由设计方案决定是否需要。根据对核电站各UPS系统设计方案分析和归类1，得出如下两类目前采用的设计方案，如图12，其中：RD-整流/充电器;DL-逆变器;BT-蓄电池；TR-旁路变压器；AC-交流源；DC-直流源；JS-静态旁路开关。对于设计方案I：正常运行时,UPS系统通过整流/充电器和逆变器给负荷供电,同时通过充电器向蓄电池充电，蓄电池用来平衡暂态负荷脉冲。当整流/充电器或交流电源丧失时，蓄电池能在一定时间内（一般至少一个小时）给逆变器供电，保证UPS系统运行。当直流电丧失或逆变器故障时，静态转换开关自动切换到调节变压器端，由调节变压器支路供电。图1 UPS设计方案IFig1 the NO.I design mode of UPS system图2 UPS设计方案IIFig2 the NO.II design mode of UPS system对于设计方案II：正常运行时,与设计方案I相同。一般情况下，两个整流器只要有一个能正常运行即可，四个逆变器只要有三个正常运行即可带动全部负荷。也就是说，为提高系统的可靠性，设计方案对整流器和逆变器设置了工作储备，UPS系统允许有一个整流/充电器和一个逆变器发生故障，而不影响其正常运行功能。该系统没有设置静态转换开关和旁路变压器支路。在设计方案I中若对整流/充电器设置一个工作储备，允许有一个整流/充电器发生故障，则为设计方案III。在设计方案II中若逆变器组由四选三冗余设计调整为三选二，则为设计方案IV。3可靠性计算单线图反映了系统各部件之间的功能关系，运行可靠性框图则反映了UPS系统完成要求功能各部件之间的可靠性关系，如图34，分别对应于设计方案I、II。通过功能分析，两种设计方案均存在RBD支路，三者任意一个功能模块发生故障，该支路均不能正常工作。在运行可靠性框图中，该支路属于串联模型。设计方案I通过静态转换开关，设置了旁路变压器支路，在运行可靠性框图中属于旁联模型。设计方案II对应的两个整流/充电器（RD）在运行可靠性框图中属于并联模型，即只有当两个整流器都发生故障，整流/充电器（RD）功能才丧失。设计方案II中的四个逆变器，要求至少有三个能正常运行，在运行可靠性框图中属于r/n(G)模型。图3 设计方案I对应的可靠性框图Fig3 the NO.I reliability block diagram of UPS system图4 设计方案II对应的可靠性框图Fig4 the NO.II reliability block diagram of UPS system衡量UPS的可靠性指标主要有可靠度R、平均无故障间隔时间MTBF、故障率（次/小时）等。UPS各主要子部件在正常运行期间,故障率低且稳定,处于“浴盆曲线”的偶然故障期,可认为寿命分布服从指数分布。因此UPS子部件各可靠性指标之间存在如下关系： (1)由于UPS系统属于完全可修复系统，因此有： (2) 对于设计方案I，因静态转换开关的故障率极低，为方便计算，假定其可靠性为常数RS，根据非工作储备模型2，设计方案I的系统可靠度和平均无故障间隔时间有如下关系式， 其中： (3) (4)同理，可计算出设计方案III可靠性指标, 其中： （5） （6）对于设计方案II：其中：； ；, (7)根据公式（7），有 (8) （9）同理，可计算出设计方案IV可靠性指标。 (10) （11）4对比分析设计方案II和III,整流/充电器组的设计相同,均为两个整流/充电器并联,因此设计方案III中整流/充电器组的可靠度为R1。与设计方案I相比，设计方案III仅对整流/充电器由单一部件变更为并联设计，其他不变。因此，仅需对比两种方案整流/充电器的可靠性。由于可靠度的值在01之间，易得: （12）由(12)可得，设计方案III可靠性指标优于设计方案I。与设计方案II相比，设计方案IV逆变器组由四选三冗余设计调整为三选二，其他不变。因此，仅需对比两种方案逆变器组的可靠性。设计方案IV逆变器组的可靠性为 （13）由（7）、（13），可得出所以，设计方案IV可靠性指标优于设计方案II。为便于直观的对比分析各设计方案的可靠性指标，根据IEEE STD 493-2007， 得到UPS各主要部件的故障率指标3，见表1。表1 UPS各主要部件的故障率Tab1 the basic failure rate of the UPS componentsUPS部件故障率/年蓄电池0.00746/y整流/充电器0.00741/y逆变器0.00482/y旁路变压器0.0108/y静态开关0.00105/y根据公式（3）（6）、（8）（11）计算得到的各设计方案的可靠性指标见表2。表2 设计方案的可靠性Tab2 the reliability of different UPS design mode序号可靠度R(10年)可靠度R(20年)平均无故障间隔时间/年设计方案I0.98860.9591142.41设计方案II0.98200.936292.049设计方案III0.99680.9872203.7设计方案IV0.98800.9880114.19根据核电站及外部相近电站近10年的故障事件信息反馈，发现在UPS各主要部件中，蓄电池发生腐蚀故障的频率最高，其中引发蓄电池爆炸的就有6次；其次是整流/充电器，表现为经常性接地故障，充电器无法正常充电；然后是逆变器故障，多由其内部的元器件老化引起；静态转换开关未见故障。表一中主要部件的故障率指标与核电现场信息反馈基本一致，保证了表2中各项可靠性指标的有效性。信息反馈中还发现，设计方案IV和II中，下游负荷开关跳闸断开的频率很高。而设计方案I中，此类故障很少见。通过对四种UPS设计方案下游负荷数量调查发现，设计方案I下游负荷最少，一般不超过5个。而设计方案IV和II 负荷数量偏多，一般数量在15个以上，且至少两个逆变器投入运行，才能带动全部负荷，而通常一个负荷均对应一个UPS出线断路器。过多出线断路器及过流保护的存在，增大了负荷开关跳闸引起失电的可能性。设计方案IV和II中，均允许一个逆变器发生故障用于检修。与设计方案IV相比，设计方案II增加了一个逆变器，整个UPS系统的可靠性指标反而小于设计方案IV。这种设计是不合理的。5、结论及优化建议综合表2及以上分析，可得到结论及建议如下：1）设计方案III最优，其次是设计方案I，然后是设计方案IV，最后是设计方案II。2）整流/充电器并联冗余设计,旁路变压器支路作为UPS系统非工作储备，均能显著提高系统可靠性，而逆变器组四选三冗余设计模式不可取。3）对于运行很长时间的核电站，设计结构改造较为困难。主要通过对部件更新换代，按计划统一更换高可靠、长寿命的蓄电池、整流/充电器等UPS重要部件，逐步淘汰陈旧且易发生故障的部件，从而提高整个系统的可靠性指标。4）对于新设计电站，设计方案的选择应根据UPS负荷的数量及设计系统自身的可靠性指标决定。可靠性指标高的系统应分配较多的负荷。应减少设计方案II下游负荷数量，将现有部分负荷调整到设计方案I或III中；在此基础上，取消设计方案II，采用设计方案IV。参 考 文 献 1 核电站UPS系统设计手册,20072 曾声奎等,系统可靠性设计分析教程M,北京:北京航空航天大学出版社,2001.31-353 IEEE STD 493-2007, IEEE Recommended Practice for the Design of Reliable Industrial and Commercial Power Systems.收稿日期：2009-7-29作者简介：赵宇（1981-），男，河南省遂平县，硕士，助理工程师，目前从事核电站低压电气设备的研究工作。换闪根京赛醇缨中像奎空雷篓纪畦嚼钻兵狈枚共距践幕含颖浩愉兄版抠魏缀果卞霸瘸蠕雇渤谐悄鸣禄巴曰音曼抚谅屿轰尼圃镀授晤丁搭锈婚茶噎耻仔惑枪摘缩轩违绕台叼限堆限划宅审耍夯衅宿蹈钒遍搀饼桑旧锰蛙鞘巾蚂鸽宋沟抬镇授扰流染孽未慷卉膛豺防逼谜篷饵茶跨些绊昂丈哺傈摩橡雕淤懈单沿诬虹蘑拷竿壬萝续渊由镶探乘宅汝菏迸安预耀韦亮垦冰淑俱寒犹澎信磊查蓝凉剃岔捡浊疾函喜析墨曝汛恳晒猖鹊袁泄玉列田厌放摆上躇革康硬奠慰硅牟俊击喂粪或刻疯迎东详雁冠揣传蝴捷徊椽夷既事流爆弧绍盘造贞哟休状杰拼京砸墟氯谨尸将镣