AP1000核电站主要电气系统设计特征

李 明

（东北电力设计院，长春 130021）

AP1000核电机组是我国引进的新一代百万千瓦级核电机组，与以往传统的压水堆技术相比，AP1000的主要特征在于采用了非能动的安全设计理念，主要体现在核岛非能动的余热排出系统，非能动的应急堆芯冷却系统、自动降压系统，非能动的安全壳冷却系统和非能动的主控室可居留性系统等。基于上述非能动系统的设计应用，使得第三代核电站的安全水平大幅度提高。也正是基于这一设计理念，使得AP1000核电厂主要电气系统的设计具有不同于二代核电的特征［1］。

1 主要电气系统

根据美国西屋公司AP1000设计控制文件（DCD），按照核电站的实体控制区域，电气系统分为厂外电气系统（offsite power systems）和厂内电气系统（onsite power systems）；按照电气系统的功能，厂外电气系统主要由500kV开关站系统、220 kV开关站系统、主变压器及机组高压厂用变压器系统等构成；厂内电气系统由主发电系统、励磁与电压调节系统、主交流电源系统、备用电源系统、直流电源系统构成。

由于AP1000核电机组的反应堆堆芯冷却和安全壳采用非能动安全相关系统设计，因此，不需要用于安全停堆的1E级交流电源，所以厂外电气系统不需要具有安全性，厂内电气系统除执行安全功能的直流外也不需要具有1E级的安全性，均为非1E级系统。AP1000核电机组的直流电系统分为两个独立系统：1E级直流与不间断电源系统和非1E级直流与不间断电源系统，1E级系统执行安全相关功能。

2 主要设计特征

2.1 厂外电气系统

厂外电气系统的功能是将发电机发出的电力经主变压器升压后汇集到开关站，通过配电装置分配后送入外部电网；同时，通过开关站从外部电网接受电力，经高压厂用变压器降压后作为机组启动、正常停堆及检修电源。

AP1000机组的单机容量较大，在电力系统中常担任基本负荷运行，一般接入500kV电网，出线回路数不少于2回，因此厂内设置500kV开关站，向外部电网输送电能；当汽轮发电机组不可用时，可以从500kV开关站取得电源，经主变压器、高压厂用变压器降压后，为厂内主交流系统提供电源，这一电源被称为厂外优先电源。220kV开关站作为另一路厂外电源，主要为机组提供检修电源，当500 kV电源不可用时，则由220kV开关站取得电源，经高压备用变压器为厂内主交流系统提供电源。机组启动时，500kV和220kV电源必须同时处于可用状态。

作为核电厂纵深防御安全体系的重要支持系统之一，同时保障机组运行的经济性，厂外电气系统虽然不需要具有安全性，但其运行的可用性和可靠性还是有很高的要求的。

2.2 厂内电气系统

2.2.1 主发电系统

主发电系统由发电机、发电机出口断路器、发电机离相封闭母线、主变压器、高压厂用变压器等设备组成。主发电系统采用发电机－变压器组接线形式，经主变压器升压后接入厂内500kV开关站系统；发电机和主变压器之间装设发电机出口断路器（GCB）；发电机引出线采用离相封闭母线与主变压器低压侧相连，在发电机和GCB之间T接励磁电源，在GCB和主变压器低压侧之间T接高压厂用变压器电源。发电机中性点采用经接地变压器的高电阻接地方式，主变压器高压侧中性点采用直接接地方式，高压厂用变压器低压侧中性点经接地电阻接地。

2.2.2 励磁和电压调节系统

励磁和电压调节系统的功能是保证发电机的励磁，建立转子的旋转磁场；在发电机并网前，调节同步所需的空载电压；发电机并网后，调节与电网交换的无功功率；当外部电网发生突然短路或负荷突变、甩负荷时，对发电机进行强行励磁或强行减磁，以提高电网运行的稳定性和可靠性；当发电机内部出现短路故障时，对发电机进行灭磁，以避免事故扩大。此外还监测发电机定子、转子的运行电气参数，用于报警和保护。

2.2.3 主交流电系统

AP1000主交流电系统（ECS）的功能是为机组的正常运行、启动以及顺序停堆提供电源，并具备向非1E交流电源提供纵深防御功能，用于核岛在冷停堆和装料运行模式中反应堆冷却措施减弱期间，保证裂变产生的热量能够被带走。

主交流电系统电压等级采用10kV和0.4kV，主要由10kV中压交流配电系统、380V低压负荷中心、380V低压电动机控制中心组成。主交流系统接线如图1所示。

按照供电负荷安全性的重要程度，10kV中压交流配电系统分为两个供电层次。图1中的ES1、ES2配电装置为一个供电层次，布置在核岛附属建筑物内，主要为核电厂永久性非安全级重要负荷供电，由于其特殊功能通常需要一直保持运行，即使机组停运时；ES1、ES2所接负荷互为冗余，每段都有3个电源，正常电源来自每台机组的高压厂用变压器（UAT），当高压厂用变压器不可用时，由备用变压器（AT）供电；当这2个电源都不可用时，则由备用柴油发电机组（DG）供电。ES3、ES4、ES5、ES6配电装置为另一个供电层次，布置在常规岛汽机房内，主要为机组的单元负荷及BOP（辅助车间控制系统）负荷供电，反应堆4台主冷却剂泵分别接在一段上，每段都有2个电源，正常电源来自每台机组的高压厂用变压器，当高压厂用变压器不可用时，由备用变压器供电。

图1 主交流系统接线图

380V低压负荷中心共有2个，一个布置在常规岛汽机房内，主要为汽机厂房75kW以上电动机、动力设备和低压电动机控制中心供电，共有4段，由4台容量为2000kVA的低压厂用变压器供电，4台低厂变分别由中压母线ES3、ES4、ES5、ES6段供电；另一个低压负荷中心布置在核岛附属厂房内，主要为核岛及其附属低压设备供电。

380V低压电动机控制中心按照尽量靠近负荷中心原则布置，常规岛厂房及核岛厂房均有多个低压电动机控制中心，为75kW以下电动机和动力设备供电。

2.2.4 备用电源系统

AP1000站内备用电源系统的设计，主要为启动给水系统和正常余热排出系统及其支持系统供电，起到纵深防御的作用，并用于事故后监测和为1E级直流蓄电池充电器供电；当电站处于冷停堆状态，主交流电系统检修期间，本系统也可以提供部分厂用电负荷。

每台AP1000机组配置2套备用柴油发电机及其附属设备，分别接在ES1、ES2供电层次上。在正常电源、厂外优先电源均不可用时，即全厂失去交流电源时，由备用柴油发电机系统给选定的负荷供电，选定的负荷主要用于执行反应堆纵深防御功能，不需要本系统的操作去减缓非能动安全系统的设计基准事件，因此，不同于传统的二代核电机组，AP1000的备用柴油发电机系统被划定为非1E级。

3 直流系统

3.11 E级直流系统和UPS

1E级的直流系统和UPS为厂内与安全相关的仪表、控制、检测和其他停机时需要的重要设备提供可靠电源；另外，1E级的直流系统和UPS为主控室和远方停机工作站内的正常和应急照明供电。

当发生与设计标准事故一致的失去所有交流电源、没有电池充电器支持的情况下，1E级的直流系统和UPS能够为电厂的安全停机提供可靠的电源。该直流系统和UPS能够满足单一故障，不会影响电厂的安全停机。

1E级直流系统由4套相互独立的直流电源系统组成，4套系统实现电气隔离和物理隔离。其中2套直流电源系统分别由1个蓄电池组、1套开关柜和1套充电器组成，分别与1E级直流配电盘连接；当发生与设计基准事故一致的失去全厂交流电源故障时，为第1个24h所需的安全停堆负荷供电；另2套直流电源系统则分别由2个蓄电池组、2套开关柜和2套充电器组成，为失去全厂交流电源故障时72h所需的安全停堆负荷供电。1E级UPS的设计与1E级直流系统的设计相同，也为4套，供电方式同1E级直流系统。

3.2 非1E级直流系统和UPS

非1E级直流系统和UPS为对电厂运行、投资保护非常重要的非1E级控制和仪表直流、交流负荷和安全壳内的氢气燃烧器及非安全相关的多样化驱动系统提供直流电源和不间断交流电源。非1E级直流系统和UPS由分别代表两个独立电源通道的子系统组成，这两个子系统分别位于核岛辅助厂房内独立的房间中。

4 结束语

作为三代核电技术，与二代如 M310、WWER核电技术相比较，AP1000的设计更加追求安全性和经济性，为实现这个设计理念，AP1000的系统设计进一步简化，如反应堆采用双环路设计，采用非能动安全设施设计，采用模块化设计，采用单堆布置等。从主要电气系统的设计特征来看，由于采用了非能动的安全设施用于设计基准事故工况下的堆芯和安全壳冷却，不需要厂内主交流电源系统执行安全功能，降低了对交流供电系统高可靠性的要求，因此厂外电气系统不再要求2路独立的优先电源设计，厂内主交流系统和备用电源系统不需要安全级设备和系统；直流系统相对二代核电来说，由于要承担核岛反应堆安全相关负荷供电，因此设计较为复杂。

［1］林诚格.非能动安全先进核电厂AP1000［M］.北京：原子能出版社，2008.