EPR三代核電廠常規島直流系統研究及優化

摘 要：EPR三代核電廠機組常規島直流系統LAW/LAV主要是向交流不間斷電源、常規島配電盤、發變組保護等設備提供動力、控制和保護電源。當前常規島直流系統LAW/LAV僅有一路充電裝置電源，當充電裝置發生故障時，完全由蓄電池帶載，無其他電源可用。為解決常規島直流系統LAW/LAV的充電裝置故障導致下游重要負荷失電的問題，同時提升常規島直流系統LAW/LAV的電源冗余性及可靠性，需要為常規島直流系統新增備用充電裝置。鑒于此，介紹了一種增加熱備用充電裝置的設計方式，可提升EPR三代核電廠常規島直流系統LAW/LAV的電源可靠性及冗余性。

關鍵詞：直流系統；備用充電裝置；優化

中圖分類號：TM645.1" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）18-0016-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.18.004

0" " 引言

核電廠的直流系統在電廠占有較為重要的地位，它的主要功能是向電氣傳動裝置、中低壓配電盤、繼電保護裝置、交流不間斷電源等重要設備提供動力、控制、保護電源，它的可靠性直接關系到各個電氣系統的正常穩定運行，直流系統的不可靠及故障將直接或間接導致設備停機、系統冗余性降低，甚至機組降功率等嚴重后果。文獻[1-2]介紹了直流系統在電站運行中的重要作用，一旦直流系統發生故障或者直流系統運行不可靠，均可能引發較為嚴重的后果，因此提高直流系統的可靠性對核電廠的重要性不言而喻。本文主要研究某EPR三代核電廠常規島直流系統的組成、存在的問題及改進優化措施。

1" " 系統構成

文獻[3-4]介紹了常規電廠的直流系統設計、組成及原理，核電廠的直流系統構成與常規電廠相似。文獻[5-7]介紹了核電廠直流系統的設計，核電廠直流電源系統由交流配電盤引來交流電經蓄電池充電裝置整流成直流電向直流負荷供電，同時向蓄電池組浮充電，當失去交流電源或充電裝置故障時，蓄電池組保證在規定的時間內能不間斷地向直流負荷供電。它通常由一組蓄電池和一臺或兩臺蓄電池充電裝置及直流配電盤組成。采用一臺充電裝置時，該充電裝置一般是高頻開關電源模塊形式，接線形式如圖1（a）所示；采用兩臺充電裝置時，該充電裝置一般是相控式充電形式，接線形式如圖1（b）所示。根據直流負荷的需求，電壓等級一般分為DC220 V/

110 V/48 V。考慮到設備的成熟性及可靠性，現有核電廠直流系統的充電裝置大多選用相控式充電裝置，即圖1（b）的接線方式。

2" " 問題及分析

2.1" " 問題

某EPR三代核電廠常規島專設了三段直流系統LAW/LAV，主要功能是向交流不間斷電源、常規島配電盤、發變組保護等設備提供動力、控制和保護電源。2016年，常規島直流系統1LAW啟動過程中發現充電模塊故障，導致1LAW配電盤由蓄電池帶載，經過緊急搶修，設備恢復正常運行，此時蓄電池帶載運行19 h（設計要求蓄電池帶載能力僅為2 h，該段時間許多連續負荷并未帶載），若充電裝置仍未完成維修，1LAW母線下游負荷將失電。常規島直流系統失去將導致常規島失去一套發電機、變壓器的電氣量保護，失去主變、廠變的非電量保護。

2.2" " 原因分析

常規島直流系統LAW/LAV電壓等級為DC220 V，為常規島動力、控制、保護負荷供電，其接線方式均為單母線接線，其中LAV為兩段單母線接線，LAW為一段單母線接線。如圖2所示，每單段母線系統由一臺相控式充電裝置、一組蓄電池、直流配電盤、放電回路組成。

當充電裝置故障時，直流母線只能由蓄電池帶載，蓄電池設計為2 h供電，容量為3 000 Ah，根據LAW/LAV的負荷清單測算，單段帶經常連續運行負荷最大電流為178.2 A，蓄電池可使用約16 h，一旦蓄電池容量使用完，若故障仍未消除，直流母線將失電。同時常規島直流系統的設計方式不完全符合規范DL/T 5044—2014《電力工程直流電源系統設計技術規程》中第3.4.2節要求：“1組蓄電池時，充電裝置的配置應符合下列規定：采用相控式充電裝置時，宜配置2套充電裝置。”因此，現有直流系統存在供電電源單一，可靠性及冗余度不足的問題，需要對現有直流系統進行優化和改進，提高其可靠性。

3" " 改進方案

按照一般方案進行設計，常規島直流系統LAW/

LAV共計3段母線，則每段直流母線新增一個備用充電裝置，設計方案為圖1（b）的形式，每段直流母線均有兩臺充電裝置，在一臺充電裝置故障后，另一臺充電裝置可馬上投入，解決一臺充電裝置故障可能導致直流母線失電的問題，系統的可靠性及冗余性大大提升，可解決常規島直流系統LAW/LAV的充電裝置故障導致下游重要負荷失電的問題。經過現場尺寸測量及與設備尺寸對比，現場LAW/LAV直流盤所在房間空間狹小，僅能滿足安裝一臺充電裝置尺寸要求，其他電氣間也無多余空間滿足設備安裝要求。若要滿足安裝要求，需要將LAV直流盤對應房間的配電盤布局進行調整，涉及兩段直流配電盤及一個UPS配電盤位置調整，施工量包含大量土建和電氣施工，且要求的停電周期長達一個月，機組日常期間無窗口實施，大修期間實施將使得大修關鍵路徑延長，影響機組發電時長，經濟性較差、施工成本極高，不滿足現場的實際要求。

其次，將單個系統作為一個整體考慮，LAV兩段母線作為整體，LAW一段母線作為一個整體，新增兩臺備用充電裝置，具體接線方式如圖3（a）（b）所示，云圖部分為新增部分，其中圖3（a）新增一臺備用充電裝置，通過新增加的聯絡開關連接兩單段直流母線，新增備用充電裝置為兩段母線的備用充電裝置，這樣也可解決一臺充電裝置故障可能導致直流母線失電的問題。與一般方案相比，該方案減少了一臺充電裝置，但因現場空間不足，仍需重新調整配電盤布局，施工量巨大且停電周期較長，不滿足現場的實際要求。

為了解決一臺充電裝置故障可能導致直流母線失電的問題，本文提出一個新的技術思路，新增一臺備用充電裝置作為三段母線的總備用，即“三用一備”的方式，具體如下：由于三段直流配電盤LAW/

LAV均在同一層樓，且位于相鄰房間，距離極近，可將LAW/LAV視為一個整體，新增一臺備用充電裝置給三段母線供電，方案如圖4所示。

云圖部分為新增設備，新增一臺總備用充電裝置，在每段母線上新增一個母線聯絡開關，用于連接備用充電裝置，在一臺充電裝置故障后，備用充電裝置可馬上投入，解決一臺充電裝置故障可能導致直流母線失電的問題。這樣既可解決現場空間不足無法安裝多臺備用充電裝置的問題，又降低了成本，提高了系統可靠性。

考慮到LAW/LAV直流盤充電裝置故障時，蓄電池持續放電將導致母線電壓降低，需將備用充電裝置馬上投入，因此備用充電裝置將設置為熱備用狀態，即備用充電裝置持續運行，聯絡開關保持斷開狀態。與一般設計的備用充電裝置采用冷備用方式相比，熱備用縮短了送電時間，提高了系統可靠性。

母聯互鎖設計：母線聯絡開關之間通過專用鑰匙互鎖，共用一套鑰匙，一次只能閉合一個開關，其他聯絡開關此時閉鎖分閘，可避免當2個或3個聯絡開關同時合閘時，發生兩段直流母線互串報警的問題。

運行方式：

正常運行模式：新增備用充電裝置與三條母線之間的聯絡開關均斷開，備用充電裝置將設置為熱備用狀態。

故障模式：在主控或就地巡盤發現原充電裝置故障后，只需將故障回路配電盤進線斷路器分閘，隔離故障回路，再將對應聯絡開關解鎖后合閘，即可保證配電盤可用性。

檢修模式與故障模式相似，退出待檢修充電裝置，投入熱備用充電裝置。

共模故障情況分析：

（1）當備用充電裝置故障或停運時，LAW/LAV的三段母線失去總備用充電裝置，系統可靠性降低至設計前的水平；

（2）當原充電裝置故障或檢修時，備用充電裝置投入運行，另外兩段母線失去總備用充電裝置，系統可靠性降低。

在以上兩種工況發生時，疊加一個充電裝置發生故障的工況，且在蓄電池放電完成前，充電裝置未能恢復供電功能，此時導致一段直流母線不可用。

對于EPR三代機組常規島直流系統，它在設計上不直接承擔反應堆三大安全功能——反應性控制、余熱排出、放射性物質包容，也不承擔其他的核安全功能。對于其他一般系統，設計只考慮為提高系統可靠性而增加相應的冗余度，不再考慮共模故障，因此新增備用充電裝置的方案能達到提高直流系統可靠性及冗余性的目的。

4" " 改進效果

常規島直流系統LAW/LAV于2021年完成了兩臺機組的全部現場優化改造，實施完成后，新增熱備用充電裝置的各項參數（紋波系數、穩壓精度等）均滿足標準要求，在試驗期間也模擬了充電裝置各種運行工況，具體情況如表1所示。

由表1可知，在備用充電裝置單機空載運行及帶載運行時，配電盤均可正常運行及顯示電流、電壓等參數，各項測試值也均滿足要求；備用充電裝置和原充電裝置并機空載運行及帶載運行各項參數也滿足現場要求。同時也測試了帶蓄電池組的兼容情況，結果表明系統運行良好，達到了設計的預期要求。

模擬現有充電裝置故障工況，具體如表2所示，在一臺充電裝置因故障突然斷開或停機時，熱備用充電裝置投入使用，無論是否帶蓄電池組，系統運行均無異常，達到了設計的預期要求。

運行情況：在大修期間，原充電裝置和上游配電盤停電檢修，熱備用充電裝置正常投入使用，保障了直流配電盤的供電，這驗證了熱備用充電裝置的可靠性，也為后續原充電裝置檢修和上游配電盤停電檢修時間提供了保障，可不再受直流蓄電池容量制約；機組運行期間，在直流系統充電裝置故障后，熱備用充電裝置即可投入運行，提高了系統可靠性及冗余性。

5" " 結束語

本文以EPR三代核電廠常規島直流系統LAW/

LAV為例，分析了三代核電廠機組的常規島直流系統構成以及存在的問題，基于現場實際情況，針對該問題提出以新增一臺備用充電裝置作為常規島直流系統總熱備用的系統性解決方案。新增備用充電裝置降低了因LAW/LAV系統電源故障導致下游重要負荷失電的風險，提升了EPR三代核電廠機組常規島直流系統LAW/LAV的電源可靠性及冗余性，為提高其他三代機組常規島直流系統的可靠性及冗余性提供了解決方案及成功范例。

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收稿日期：2023-05-19

作者簡介：吳瀟偉（1994—），男，湖北天門人，電氣中低壓助理工程師，研究方向：中低壓交直流系統。