核电站UPS系统可靠性分析与设计优化

1、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 518031ABSTRACT: Analysis of the system reliability based on the relationship between the

2、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

3、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

4、,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

5、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

6、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

7、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

8、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 reliabil

9、ity 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

10、） （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

11、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

12、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

13、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

14、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,2