第三代核電廠供電可靠性分析與建議

張亮

【摘 要】福島核事故發生后，關于核電廠的安全問題再一次受到公眾輿論的廣泛質疑，在現有基礎上進一步提高核電廠安全性成為世界各國的共識和努力方向。因此，本文從三代核電廠廠用電供電可靠性的方向出發，闡述了三代核電廠用電的構成及電氣系統的主要特點，對提高供電可靠性進行了分析，并提出改善建議。

【關鍵詞】廠用電；供電可靠性；廠內電源；廠外電源

【Abstract】After the Fukushima nuclear accident， the safety of nuclear plants has been widely questioned again by public opinion. Improving the safety of nuclear plants has became the consensus and direction around the world. Therefore， considering the reliability of the third generation nuclear plant， this article describes the main features of the third generation nuclear plant and electrical systems constitute， analyses how to improve reliability， and provides improvement suggestions.

【Key words】Plant service power supply； Power supply reliability； On-site power supply； Off-site power supply

0 前言

三代核電廠的專設安全設施采用非能動設計理念，因其安全功能的執行由非能動力如重力、空氣對流等驅動，因此取消了二代核電廠專設安全設施所需要的安全級驅動電源的要求。非能動專設安全設施雖然無需驅動電源，但其安全功能的執行開關仍需要1E級電源驅動。

1 三代核電廠廠用電組成

三代核電廠與二代核電廠一樣，其廠用電可由廠內電源系統供電或廠外電源系統供電。三代核電廠廠用電組成參見圖1。

2 三代核電廠廠用電供電次序及典型故障分析

2.1 廠內交流電源供電優先次序

正常運行時，汽輪發電機通過廠用變壓器為廠內負荷供電。電廠能承受汽輪發電機從100%滿功率運行甩負荷至孤島運行。電廠啟動期間，500kV廠外電源通過主變壓器和兩臺廠用變壓器提供廠用電。電廠停閉期間，500kV廠外電源通過主變壓器和兩臺廠用變壓器提供廠用電，或者由220kV輔助電源供電（維修優先電源狀態）。在發生主變壓器或廠用變壓器或者相連的IPB故障時，廠用電可通過自動切換裝置由廠用變壓器切換到輔助變壓器供電。在失去主發電機和優先電源并且切換裝置無法切換時，交流電源由連接到10.5kV母線ES1和ES2上的廠內備用柴油發電機提供。備用柴油發電機啟動后，電廠控制系統/數據顯示系統（PLS/DDS）控制柴油發電機向ES1，ES2供電。在發生失去全廠交流電源（包括廠內備用柴油發電機）超過72小時的非預期事件時，400V輔助柴油發電機啟動。

廠內交流電源供電優先級次序：主發電系統、500kV廠外電源系統、200kV廠外電源系統、備用柴油發電機系統（ZOS）、輔助柴油發電機系統。

2.2 發生全廠交流電源失電時的供電

發生全廠交流失電事故時，電廠的控制和保護電源由1E級直流及UPS系統（IDS）、非1E級直流及UPS系統（EDS）中的蓄電池組提供電源。IDS系統能夠向電廠安全停堆及監測需要的重要廠用設備提供可靠的電源。EDS系統為非安全相關的電廠儀表系統、控制系統以及電廠在啟動、正常運行、正常或緊急停堆期間所必需的設備提供可靠電源。另外，也為安全殼內氫氣點火裝置提供可靠的電源。IDS系統設有A/B/C/D四個系列，每系列均設置1組24小時蓄電池組，其中B/C系列還各單獨設有一組72小時蓄電池組。EDS系統在失去交流電源時，蓄電池容量能夠保證向其負載提供至少2小時的電量。

兩臺400V非1E級輔助交流柴油發電機，在失去其他交流電源72個小時后為1E級事故后監測系統、主控室照明、主控室和儀表控制室通風、PCCWST和乏燃料池充水的泵提供電源，見圖2。由于兩臺輔助柴油發電機都放置于附屬廠房107'-2"標高，若發生水淹工況，可能導致兩臺輔助柴油發電機全部失效。因此，三代核電廠應考慮增設移動式輔助柴油發電機組，以進一步增加廠用電供電的可靠性。

3 廠用電供電可靠性的提高

由上述可知，三代核電廠廠用電依供電優先次序由廠內電源系統供電或廠外電源系統供電。按照供電優先級的不同，每一種供電電源對電廠的影響也不同。優先級低的電源系統作為優先級高的電源系統的后備系統。只有在優先級高的電源系統失效的情況下，后備電源系統才會依次投入運行，此時，廠用電供電的后備級數將減少，供電的防御深度也隨之縮小，廠用電供電的可靠性將下降。在電廠運行期間，供電優先級高的電源系統向負載供電的概率大，其對廠用電供電的影響范圍相對要大。隨著供電優先級的降低，后備電源系統對廠用電負載供電的概率也逐級降低，因此，其對廠用電供電的影響范圍也相應減小，但其對電廠的防御功能卻越來越強，其防御的范圍也越來越趨近并縮小于電廠核心系統和設備。廠用電的后備級數越多，其供電的后備手段越多，導致全廠交流失電的概率就越小，故供電可靠性就越高。因此，為提高廠用電的供電可靠性，首先要保證各級電源系統的供電可靠性，將各級電源系統發生故障的概率控制在最低水平，維持廠用電由優先級高的電源系統供電，以盡量避免備用電源系統投入，以保證廠用電的后備供電級數。

其次，要考慮在設計基準事故工況下以及嚴重事故工況下的事故電源尤其是安全級電源的供電可靠性。當發生設計基準事故工況或嚴重事故工況時，非安全級的電源均有可能會失效，此時電廠唯一可靠的電源為安全級電源。因此，應保證1E級電源在設計基準事故工況下執行其相關功能的可靠性，同時，在嚴重事故工況下也能具有一定的防御能力，確保實現盡可能多的功能。另一方面，蓄電池組的容量有限，為了避免事故后72小時徹底失去安全級電源，蓄電池容量的選擇應有一定的裕量，并盡快恢復廠用交流電源。

4 需要關注的問題和建議

1E級直流和UPS系統設備主要布置于輔助廠房地下一層和地下二層，在地下二層設置有兩臺廢水處理系統地坑泵，用于排出地坑收集來的非放射性的地面、設備以及處理過程產生的疏水。但是，這兩臺泵只考慮了正常情況下的排水能力，當發生全廠水淹工況時，地下二層這個位置更加容易存在因排水能力不足而導致水淹的潛在風險。1E級直流和UPS系統作為安全級供電系統，承擔著很多重要安全相關功能，因此，必須保證其可靠供電。

發生嚴重事故工況并同時伴發全廠失電時，對于核電廠而言最重要的莫過于要確保堆芯和乏燃料池仍有持續不斷的冷卻能力，同時要防止反應堆廠房和燃料廠房內氫氣聚集濃度過高而引發氫爆。隨著事故的進一步發展以及時間的推移，需要啟動氫點火器來消除廠房內聚集起來的高濃度氫氣。氫氣點火器由非1E級直流和UPS系統（EDS系統）供電，而EDS沒有設置備用蓄電池組，1E級直流和UPS系統與非1E級直流和UPS系統的電壓也不相同，無法共用備用蓄電池，一旦蓄電池組故障，將影響EDS的運行安全，可以考慮按照1E級直流和UPS系統的方式增設一組備用蓄電池以保障EDS供電的可靠性，或者考慮設置供電的快速接口，由移動式輔助柴油發電機為氫氣點火器或EDS供電。

5 結束語

三代核電廠電氣系統設計與其他堆型有所不同，但目標是一致的，即保證電廠能夠安全穩定發電，為電廠提供可靠電源。三代核電廠應在現有核電廠的基礎上提高供電可靠性，同時也應考慮應對嚴重事故工況的供電后備手段，以進一步提高廠用電的可靠性，確保電廠安全穩定運行。

【參考文獻】

[1]中國核工業集團公司.AP1000核電廠電氣系統初級運行[M].中國原子能出版傳媒有限公司，2011，9.

[責任編輯：湯靜]