某核电站 UPS系统异常失电原因分析及改进措施

董磊 徐超 张春阳

广核运营有限公司

摘 要 某核电站4号机组大修期间出现不间断电源（UPS）系统LNH异常失电，导致核反应堆部分监测系统无法工作，本文结合故障情况中的现象、设备图纸及复盘试验，分析LNH失电的直接原因是UPS系统判定输出电压无法满足下游负荷运行条件，自动停运设备，进一步对UPS进行解体检查发现，信号交互卡件A071的输出电压采样信号线N1脱落，导致控制回路检测到逆变器输出电压、旁路变压器输出电压以及总输出电压三者均超限，最终引发系统关机。为避免该类故障再次发生，本文提供了增强冗余设备、更换电压采集信号端接方式等改进方案。

关键词　不间断电源；系统关机；信号交互；冗余设备

2019年2月9日下午，核电站主控室触发核反应堆监测系统不可用和核岛不间断供电系统（LNH）故障报警，现场检查发现LNH系统母线失电，系统处于停机待工状态，经电站技术组审议决定对LNH进行隔离检查。本文就该故障进行了详细分析。

1. UPS系统简介

LNH系统采用的是瑞士GUTOR厂家生产的不间断电源系统（UPS）设备，该系统主要由逆变器001DL、旁路变压器001TR、静态切换开关EA/EN以及无扰切换开关501JS共同构成。系统的基本结构如图一所示。

图一 GUTOR厂家UPS系统基本结构

逆变器001DL将上游110V直流电通过IGBT模块逆变为220V交流电，旁路变压器001TR将上游380V交流电降压为220V交流电。逆变器和变压器侧各有一个静态切换开关EA和EN，两个开关一个导通另一个则关断，EA导通则下游负荷由逆变器供电（如图一通道1所示），EN导通则下游负荷由变压器供电（如图一通道2所示）。501JS开关有三个位置：AUTO、TEST、BYPASS，正常运行时处于AUTO位置，下游负荷由逆变器带载旁路热备用，通过EA/EN无扰切换供电方式；TEST和BYPASS位置时负荷直接通过硬接线由旁路变压器带载（如图一通道3所示）。

2. UPS系统整盘失电原因分析

正常运行时501JS处于AUTO位置，逆变器通过EA带载，旁路变压器处于热备用状态，如运行过程中逆变器侧出现故障，系统检测到逆变器输出电压超限，则会触发命令使EA关断EN导通（此时旁路电压需在合格范围内），系统会无扰切换到旁路变压器带载，理论上单一故障不会导致系统的整盘失电。从系统的供电方式上分析，只有逆变器与旁路变压器同时故障时才会彻底失去UPS的供电，从而导致整个系统失电，故重点分析该类型故障。

2. 1. UPS供电母线短路故障

UPS系统理论上有两路供电，但最终由供电母线向下游设备供电，如果母线出线短路故障，系统将自动切断两路供电电源，出现整盘失电故障，保护UPS本身和下游设备安全。就地检查UPS的报警记录，未发现有短路故障信息，同时，拆除设备母线防护板，使用兆欧表对母线进行相间绝缘测量，绝缘电阻合格。目视检查母线铜牌上也未有烧蚀，放电痕迹，最终排除UPS供电母线短路故障。

2. 2. UPS静态切换开关故障

UPS系统为了实现无扰切换上游供电回路，在逆变器和变压器侧各配置有一个静态切换开关EA和EN，在正常工况下，UPS由逆变器带载，旁路变压器处于热备状态，一旦出现逆变器故障或者超限的电源波动，UPS就会由逆变器供电通过EA切换到旁路变压器供电。但是如果此时静态切换开关出现故障，就会导致切换失败，从而让UPS母线失去两路供电，最终发生整盘失电情况。

现场复盘设备故障工况时，模拟逆变器故障，发现UPS能正常通过静态开关EA切换至旁路变压器带载，单独对静态开关EA进行检查，各项测量参数正常，最终排除静态切换开关故障。

2. 3. UPS信号交互卡件故障

瑞士GUTOR厂家的UPS系统的全部信号交互集成在控制卡件A071上，电压监测、报警输出、继电器控制等功能都由该卡件执行，一旦A071卡件出现故障，将会导致不同程度UPS系统瘫痪。拆卸故障UPS系统的A071卡件，送至卡件实验室进行检查，在供电读取卡件CPU输出指令时发现，系统在监测母线电压时出现异常，逆变器输出电压，旁路变压器输出电压及总输出电压均无法采集，最终系统控制回路检测到逆变器输出电压、旁路变压器输出电压以及总输出电压三者均超限，控制单元判断系统输出存在异常，认为系统已不具备为下游负荷提供合格电源的能力，系统关机，停止输出，处于待命状态。

系统设计上，三路电压信号采样回路（逆变器输出电压、旁路变压器输入电压、总输出电压）共用同一根N相电压信号采样线（线号N1），该采样线通过B型压接线鼻子连接到系统的共用N线上，N1线的单一失效（接触不良或断路）会导致系统控制回路检测到逆变器输出电压、旁路变压器输入电压以及总输出电压三者均超限，图二展示了三路电压信号L相及共N相与系统控制回路卡夹A071的连接情况。

现场复盘设备故障工况，发现屏蔽掉电压采样信号后，UPS出现系统关机现象，输出停止，整盘失电，故障模式复现。进一步检查A071卡件的信号接线，最终发现A071卡件的电压采样信号线N1线未连接在供电母线上，导致电压采样缺失，最终导致UPS整盘失电。

图二 电压采样信号线N1接线示意图

3. 电压采样信号线松脱原因分析

针对电压采样信号线N1松脱的故障进行进一步原因分析，发现该信号线的端接口为插接式B型线鼻子，靠近该脱落的B型线鼻子弧形一侧的绝缘护套已严重变形，说明该线鼻子的插接不到位，插片没有正确的插在线鼻子的B型槽中，而是插在了线鼻子弧形一侧和绝缘保护套之间，依靠绝缘保护套的轻微张力与线鼻子连接。具体情况如图三所示。

图三 电压采样信号线N1接线错误接线与正常接线对比图

后续复盘过程中，为了得知插接异常的线鼻子、插接正常的线鼻子压接力存在差别，分别对线鼻子进行模拟异常插接和正常插接，异常插接包含绝缘表皮形变与正常两种情况，用测力计测量了将其拉出插片所需的力，测量结果如表一所示。

表一 电压采样信号线N1插接异常与插接正常压接力对比

4. 结论及改进措施

通过查询故障数据记录及设备工况复盘分析，最终确定LNH系统UPS整盘失电的直接原因是电压采样线N1脱落，导致系统关机；其深层次的原因是由于该信号线在接线时出现了连接方式错误。

为避免该类UPS系统再次发生此类故障，现提出两项改进措施：1、增强采样线冗余，将逆变器输出电压、旁路变压器输出电压及总输出电压的采样线分开，避免出现采样线松脱后导致全部电压输出采样缺失。2、更换电压采集信号端接方式，使用螺栓压接式，该方式紧固力大，避免出现松脱情况。同时，可制定UPS老化处理方案，在设备运行一定期限后对其进行更换，彻底解决此类故障。

参考文献

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