直流电源系统在核电厂中的应用分析

直流电源系统在核电厂中的应用分析摘要：直流电源系统是核电厂用电领域里十分重要的组成部分，本文主要分析探索了核电厂中直流电力系统的电压等级，蓄电池放电时间，系统构成等内容。同时研究了核电厂与以往的火电厂中直流电源系统设定的区别，讨论了直流电源系统未来进行开发的走向。关键词：核电厂；直流系统；电压等级；蓄电池一、直流电源系统概念直流电源体系是由充电装置、蓄电池、电力供应电路、电压调节装置以及相关的控制、测量、信号、保护与调整单位组成的一种在日常任何事故情况中都可以供给牢靠的不间断电力的系统。直流电源系统独自处于交流动力电源体系的外部，无需被交流电源系统运行时产生的事故所阻碍，在运行维护时十分便利，再加上其本身具备的安全性与稳定性，使得其越来越被广泛使用于发电厂之中。特别是在核电厂中，当交流电源全部丧失时，直流电源仍能使用受控方式停止反应堆，并为其供应安全稳妥的电源。因此，直流供电系统对电厂的安全运行有着至关重要的意义［1］。1.直流电源系统电压等级早期从法国进口的M310核电机组直流电源系统选用的是230V、125V、48V、30V等电压等级，如大亚湾、岭澳一期核电站等。到岭澳二期，便将30V电压等级进行了取缔。而福建福清一、二期以及在建的方家山核电站直流电源系统选用的是220V、110V、48V电压等级，同国内标准领域一致。中国在建的三门和海阳核电站引进了第二代APIO开放技术［2］。安全级（IE级）直流电源体系选取了250V电压等级，一方面为仪表、控制、监控等相关设备安全停堆所需的重要功能供给电力，另一方面，也为主控室与远程停堆站的正常照明和应急照明供应电源。而非IE级直流电源体系选用了220V电压等级，为他的控制与动力负荷供给电力。由此可以看出，已建和在建的大型核电厂原设计在大多情况下都会保持不变，而在选择设备类型时，一般优先考虑进口类。直流电源系统选用的电压等级一般同国外的标准相同，以此使得设备在采购时更为便利。在随后的改进计划中，从国产化和设备采购角度思量，直流系统的电压等级慢慢开始与中国的电压等级一致，内部标准相同。由于国内220V和110V直流电源设备已被普遍应用于核电厂，因此，大型核电站直流电源系统在进行独立设计的过程中，可以考虑这两种电压等级。在同等情况下，110V直流系统的供电电流远远高于电压220V，这便增加了电缆截的面积⑶。但是，110V蓄电池只有220V电池的一半。因此，当电流大、供电距离较长时，选择220V直流电压更容易满足各种运行条件下的电压等级要求；如果选用110V直流电压，则会出现电缆截面积选取过大，接线安装产生障碍，以及投资增加的状况。核电厂直流电源48V电压等级与电网通信用48V电源不同，正负母线都要悬浮不接地，且多是用于保障电厂事故应急或后备柴油机启动的电源，这些用电负荷在核电厂正常运行时不会启动，一旦启动均要求百分百可靠，以保证能够提供足够直流电启动应急或后备柴油机向电厂发电。由于这种用电设备较少但又不可或缺，从经济效益角度出发，应当考虑48V电源是否能与其他常用到的220V直流电源整合，个别48V用电负荷通过DC/DC模块从220V直流母线降压至48V电压取电源即可，无需为此单独设计直流系统。这样可以简化直流电压等级、降本增效。三、核电厂中蓄电池的应用（一）防酸铅酸蓄电池蓄电池是核电厂直流电源系统的主要组成部分⑷。如今，方家山核电厂主要采用沈阳东北电池厂生产的一种固定式防酸铅酸蓄电池。这种电池与普通民用蓄电池有很大的不同，与普通电池相比，它拥有合理化设计，首次放电高达百分之九十五以上，浮充寿命更是可达15年以上。然而，虽然铅酸蓄电池的性能较普通铅酸蓄电池有了很大的提升，却仍存在下列问题：1.高温对蓄电池容量、性能和寿命影响极大，这便要求蓄电池室务必须要配备通风系统。2.安装十分繁琐，环境不干净甚至会导致短路。3.对电池保养要求十分繁杂，比如每三个月便需要补充一次电解液。4.在生产、经营和报废的过程中，容易出现重金属污染的状况。1.磷酸铁锂蓄电池磷酸铁锂蓄电池是一种以磷酸铁锂为正极质料的锂电池。它具有价格便宜、原料充足、电容量大、充电速度快、循环寿命长、稳定性高等特点。（三）蓄电池性能对比基本性能：磷酸铁锂电池标准电压比铅酸电池高二分之一，在相同容量下，前者的重量是后者的二分之一，所占体积只有后者的三分之一。因此，如果在直流系统中用磷酸锂铁电池代替铅酸蓄电池，不仅可以大大减少蓄电池占用的空间，而且也能大大降低维修人员的工作强度。寿命特性：磷酸铁锂蓄电池具备杰出的适应能力，其冲放电电流与寿命基本无关。在正常情况下，核电厂蓄电池基本处于浮动充电状态。根据相关数据，该磷酸锂铁电池在浮充状态下的使用寿命优于普通铅酸蓄电池。北京201研究所的实验表明，在60°C的水温下漂浮一年，磷酸锂铁电池的容量保持率可达到81%。对比结论：与普通铅酸蓄电池相比，耐酸铅酸蓄电池的性能有了很大的进步，尤其是在浮充寿命方面。然而，磷酸铁锂电池在很多方面都优于耐酸铅酸电池。未来发展：核电厂用的铅酸蓄电池多为开口式或富液式电池，析氢量大，蓄电池间的暖通控制需求量大，且日后维护量大。鉴于密封式或者胶体类铅酸蓄电池在广大火电厂、水电厂和电站成功可靠的运行经验，应当考虑在未来大量采用和普及。目前免维护的密封铅酸蓄电池设计寿命也可达到12年，与开口式铅酸电池15年设计寿命不相上下，且核电站电池实际运行中消耗放电频次并不多。密封或胶体铅酸蓄电池市场用量大、采购单价与开口富液式铅酸蓄电池不相上下，但是可以省去给电池补充电解液和水的维护成本。磷酸锂铁电池则还是只适合用在核电某些需要急（大）充急（大）放电的特殊设备上，就其高昂的成本和可靠性来看，在核电领域大规模普及还为时过早。四、直流电源系统配置核电厂在保证核安全的基础之上，将直流电源系统分为1E级直流系统和非1E级系统［5。IE级直流电源系统在普通运行、预期运行事件期间向包含控制、监测、保护、开关设备和辅助电气系统在内的直流负荷提供电源。非IE级直流电源系统包括EDSI、EDS5五个部分，其中两个独立的子系统，向两个独立的负荷组供给电源，并配置一台备用充电器。直流系统选择装备时必须符合单一故障判定依据和多重、独立、多样的设计需求。核电厂1E级直流多用相控充电机整流，其实国内的高频开关电源已经在广大发电厂、电站运行多年，是非常可靠的，且高频开关整流输出电源质量相较相控电源参数更好。稳压稳流精度高、电源响应调整更迅速、均流不平衡度更好，其在核电厂非1E级直流系统也大量采用，未来应该考虑在1E级直流也推广普及。四、直流电源系统在核电厂中的应用分析国内M310核电厂蓄电池的放电时长按1小时设计，API核电厂IE级蓄电池放电时长按照24小时和72小时设计，非IE级蓄电池放电时间按2小时设计。对于M310核电厂来说，每个直流电源系统由一个蓄电池、一个或两个充电器组成，每个子系统都是独立的个体。当任一直流母线段上的蓄电池和充电器同期失去电源时，可通过闭合母线连接来完成其他母线段的供电，从而确保重要负荷的连续不断的运行。API核电厂直流系统的接线方式可以在系统连续运行的条件下进行储罐排放试验，具有较高的可维持性和操作灵活性。如果是相控充电器，对于两（组）充（电器）一电（池）的直流系统，会由于相控充电器均流性能不佳，两组充电器常常采用一主一备的方式运行投入使用，如果是高频开关类型的充电器，则可两组充电器同时投入并列运行。而常规火电厂直流电源系统是由两组蓄电池、三套充电器组成（即三充两电系统），单母线分段连接。直流系统配有充电总线与配电母线，充电总线用来充电和测试电池，直流馈线与直流母线相连。在这种连接模式下，两个充电器带各自母线负载及蓄电池运行，第三组充电器作为备用充电器，当一个充电器发生故障或失去交流电源时，它会自动切换到由备用充电器运行。由于电池放电测试直接与充电母线相连，只要充电母线脱离直流母线，不影响母线所带用电负荷，蓄电池组即可进行放电测试，本段直流母线可通过连接另一组蓄电池所在母线以保证供电可靠性。两组蓄电池的系统可在保证直流系统不停电情况下实现蓄电池轮换充放电检测和维护，较两充一电系统供电可靠性更高。五、直流电源系统发展趋势：降低直流电压等级，减少系统设置次数，提高备用设备的互换性和可用性。核电厂1E级直流电源逐步放开普及国内电力行业常用的电源技术，与其他发电厂、电站技术接轨。核电厂直流电源也会随国内电力行业技术升级，向设备小型化、智能化发展。蓄电池负载容量的研究已引起人们的广泛关注。加强直流电源日常的保养与检测，提高自动化管理水平，可以对其日后的关键发展起到重要意义。使用多种措施约束直流负荷的暂态电流，以减少蓄电池的冲击放电电流，延长电池的放电时间。六、结论直流电源系统对核电厂的安全运行起着至关重要的作用。为了更好地发挥直流电源系统的作用，使其能在最不利的运行状况下为每个负荷供应所需的电能，蓄电池的紧急放电时间、负荷容量、直流系统的设置以及直流负荷的特性是电厂设计人员关注的重点。本文简要分析了直流电源系统在核电厂中的应用，但愿能对直流电源系统的设计起到一定的参考意义。参考文献：李明成，马培锋，林建，铅酸蓄电池在核电厂直流电源系统中的应用[J].蓄电池，2012，2(49).137