低溫供熱堆電氣系統可靠性分析

楊磊　于宏　王靜

摘? ?要：以低溫供熱堆電氣系統為研究對象，運用故障樹分析方法，分析了該系統的可靠性，建造了正常交流系統ENA母線、備用交流配電系統EEA母線以及應急交流不間斷系統EUA母線的失電故障樹，使用RiskSpectrum程序，定性以及定量的評價了電氣系統的可靠性，給出了支配性最小割集以及頂事件概率，并做了重要度以及敏感性分析。

關鍵詞：電氣系統? 可靠性? 故障樹

中圖分類號：TM07? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）06（b）-0086-03

低溫供熱堆是專用供熱小堆，將反應堆的熱量通過兩級換熱，傳遞給供熱回路與熱網直接連接，將熱量輸送到千家萬戶。低溫供熱堆的電氣系統承擔了向安全級重要負荷及非安全級負荷的供電功能，其安全性與可靠性十分重要。

使用故障樹分析方法評價系統的可靠性，可識別出系統薄弱環節，支持其設計優化、方案評價及選擇。王朝貴等人對大亞灣核電站全廠斷電事故及第5臺應急柴油機改進項目進行了PSA分析，表明全廠斷電引起的CDF較大，增加第五臺柴油機明顯降低CDF，而柴油機的接入時間長短對降低CDF有較大影響[1]。周春林等人應用Risk Spectrum軟件以高通量實驗堆供電系統為研究對象，采用PSA方法定量評估了反應堆供電系統失效概率及失效模式，為供電系統變更、升級和改造提供了重要參考[2]。本文采用故障樹分析方法，評價低溫供熱堆電氣系統的可靠性，為低溫供熱堆內部事件一級PSA提供支持。

1? 系統描述

低溫供熱堆電氣系統由廠外電源系統和廠內電源系統組成，如圖1所示。廠外電源由獨立的兩個線路組成，一路由10kV線路提供，另一路有220kV開關站的一臺變壓器提供。正常運行工況下，兩路電源同時工作，當其中一路電源喪失后，另一路可以帶全部負荷。廠內電源系統由廠內交流電源系統和直流電源系統組成，廠內交流電源系統分為正常交流系統和備用交流電源系統。直流電源系統包含兩個獨立部分：1E直流系統和非1E級直流系統。

正常交流系統分為10kV正常配電系統和220/380V正常配電系統。廠內交流電源系統由兩路10kV廠外電源供電。10kV中壓供電系統分為EMA、EMB兩個母線段，采用單母線接線，中間設置聯絡開關;正常運行時，聯絡開關處于斷開狀態，兩個母線段各帶一半用電負荷，當其中一路發生故障時，聯絡開關閉合，另一路可以帶全部負荷。廠內設置4臺10/0.4kV的干式變壓器，為相應的低壓負荷提供正常低壓交流電源。主廠房共設置220/380V正常配電系統I段、II段、III段和IV段，分別為ENA、ENB、ENC、END。

供熱堆設置兩套相互獨立的非1E級柴油發電機組，柴油發電機組作為備用電源。與兩套柴油發電機組相對應，設置220/380V備用交流配電系統A段（EEA）和B段（EEB），均采用單母線接線方式，進行實體隔離，分別設置在不同的備用交流配電室內。

非1E級直流電源系統（EDG、EDH）向10kV中壓開關柜提供控制、保護及操作電源，電壓等級為110V，它無須實現任何安全相關的功能。1E級直流電源和UPS系統有5個獨立的1E級220V直流蓄電池序列，分別為220/380V應急交流不間斷配電系統（UPS）提供直流電源。與5個獨立的1E級直流電源相對應的5個相互獨立的應急不間斷電源通道（EUA、EUB、EUC、EUD、EUE）中，EUA、EUB、EUC用于為保護系統、核測量系統、安全照明和1E級DCS系統等供電;EUD、EUE用于一、二回路和反應堆大廳等的電動閥門供電。

2? 系統模型建立

2.1 頂事件及成功準則

選取重要的三根母線ENA、EEA以及EUA母線建立故障樹分析，頂事件為ENA、EEA以及EUA母線供電失效，成功準則為三根母線有電。

2.2 基本假設及共因分析

故障樹建模時遵循如下假設。

（1）任務事件取24h。

（2）變壓器、柴油發電機組等設備的支持系統（包括冷卻和控制）的故障體現在由統計得到的故障數據中，不再單獨建模處理。

（3）不考慮設備的維修。

（4）不考慮操縱員的干預。

共因失效模型選用多希臘字母（MGL）模型，具體考慮的共因失效如下：

（1）考慮連接應急柴油發電機組的斷路器共因拒合。

（2）考慮應急柴油發電機組共因運行失效<1h。

（3）考慮應急柴油發電機組共因運行失效>1h。

（4）考慮應急柴油發電機組共因啟動失效。

（5）考慮ENC母線與EEA母線間的斷路器共因拒開（近ENC母線側）。

2.3 數據來源

設備失效的數據選自美國核管會的NUREG/CR-6928[3]，共因失效數據選自NUREG/CR-5497[4]。

表1列出了部分設備的失效模式及數據。

2.4 故障樹

使用RiskSpectrum軟件，根據電氣系統簡化圖，建立電氣系統故障樹模型。低溫供熱堆電氣系統共構建了3棵主故障樹，7棵子故障樹。以EUA失效為例，其故障樹圖如圖 2所示。

3? 結果與分析

3.1 MCS分析

母線不可用度及支配性最小割集如下，只列出占比較大的前幾項。

由最小割集分析的結果可知，對ENA母線，最重要的失效模式是配電盤失效，占總不可用度的69%，其次是各種原因導致的外電網喪失，占總不可用度的29%;對EEA母線，最重要的失效模式是配電盤失效，占比高達91%;對EUA母線，最重要的模式是配電盤失效，約占頂事件發生概率的68%，其次是斷路器誤動作，占比約為27%。

3.2 重要度分析

重要度分析的目的是確定對系統不可用度貢獻的重要性，常用的重要度有FV重要度、風險減少因子RDF與風險增加因子RIF。

FV重要度是指包含該特定硬件失效對失效概率的貢獻份額，FV重要度的計算公式如下：

式中，FVi為包含基本事件i的所有最小割集的不可用度之和，F為頂事件的不可用度。

RDF表示該特定硬件肯定不失效，系統失效概率的降低率，RDF的計算公式如下：

式中，F（qi=0）為基本事件i故障概率為0時的頂事件的不可用度，F為頂事件的不可用度。

RIF表示該特定硬件失效已經發生時系統失效概率的增加率，RIF的計算公式如下：

式中，F（qi=1）為基本事件i已經失效時的頂事件的不可用度，F為頂事件的不可用度。

重要度分析的結果表明配電盤運行失效是系統的薄弱環節，需加強對配電盤的定期檢修。

3.3 敏感性分析

敏感性分析可表征單一基本事件對頂事件發生頻率的敏感度。靈敏度的計算公式是：

式中，表示基本事件的參數乘以敏感性因子后的頂事件的不可用度，表示基本事件的參數除以敏感性因子后的頂事件的不可用度。

由敏感性分析的計算結果表明，對ENA母線，靈敏度最大是配電盤運行失效，其次是惡劣天氣導致外電網喪失;對EEA母線，靈敏度最大是配電盤運行失效，其次是變壓器運轉失效;對EUA母線，靈敏度最大是配電盤運行失效，其次是斷路器誤動作。

4? 結語

對低溫供熱堆電氣系統進行故障樹分析，經過計算，分析系統失效的最小割集、重要度以及敏感度，可得出如下結論：

（1） 該系統的可靠性很高，滿足設計要求和目標。

（2） 配電盤運行失效是最重要的故障模式，需重點關注，加強對配電盤的定期檢修，提高配電盤的可靠性，可顯著提升供電系統的可靠性。

（3） 重要度分析與靈敏度分析表明，外電網喪失、變壓器以及斷路器的失效也需重點關注。

參考文獻

[1] 王朝貴，郭建兵.大亞灣核電站全廠斷電事故及第5臺應急柴油機的概率安全評價[J].核動力工程，2004， 25（4）：324-327.

[2] 周春林，張江云，鄭大吉，等.HFETR供電系統概率安全評價[J].核科學與工程，36（1）：27-34.

[3] Eide S A， Wierman T， Gentillon D， et al. NUREG/CR-6928： Industry-Average Performance for Components and Initiating Events at US Commercial Nuclear Power Plants[J]. US Nuclear Regulatory Commission， Washington， DC， 2007.

[4] Marshall F M， Rasmuson D M， Mosleh A.Common-cause parameter estimations， NUREG/CR-5497[J]. US Nuclear Regulatory Commission， Washington， DC ，2012.