AP1000 1E级UPS设备电路独立性设计与验证

邹颖男，严振杰

(国核工程有限公司，上海 200233)

AP1000 1E级UPS设备电路独立性设计与验证

邹颖男，严振杰

(国核工程有限公司，上海 200233)

AP1000 1E级的直流系统和不间断电源(UPS)系统能够为电厂的安全停机提供可靠的电源，且在单一故障的情况下，不会影响电厂的安全停机。为了确保任意序列安全系统在执行功能时，尤其在事故工况下，不受其他序列的影响，AP1000核电站引入了IEEE 384《核电厂安全级电气设备和电路独立性准则》，要求采用电气隔离的方法确保每一序列的独立性。重点介绍了IEEE 384对于电路隔离的要求，并加以分析。针对AP1000 1E级UPS设备电气原理，从系统角度分析了IEEE 384要求的必要性，并提出了设计方案和验收准则等。试验结果表明，该设计方案满足电气隔离的要求，不仅可推广至后续AP1000堆型，而且可推广至国内外其他核电堆型。

核电； AP1000； IEEE 384； 电路独立性； 1E级; 不间断电源； 安全级； 可靠性

0 引言

AP1000核电机组是我国引进的第三代百万千瓦级核电机组[1]。与传统的压水堆技术相比，AP1000的主要特征在于其采用了非能动的安全设计理念，故主要电气系统的设计不同于二代核电机组。

AP1000 1E级的直流系统和不间断电源(uninterruptible power supply，UPS)系统[2]为厂内与安全相关的仪表、控制、检测和其他停机时需要运行的重要设备提供可靠电源。当发生与设计标准事故一致的、失去所有交流电源且没有电池充电器支持的情况，1E级UPS系统能够为电厂的安全停机提供可靠的电源。该直流系统和UPS在单一故障的情况下，不会影响电厂的安全停机。为了确保任意序列安全系统在执行相应的安全功能时，尤其在事故工况下，能不受其他序列影响，故采用电气隔离的方法确保每一列的独立性。

本文在充分研究了现有电气隔离标准的基础上，将电气隔离要求应用到1E级UPS系统中，并通过试验验证了电气隔离的可靠性。

1 电路独立性设计准则

根据IEEE 384 “Criteria for independence of class 1E equipment and circuits”[3]要求，为保持安全级电气设备和电路的独立性，核级和非核级之间应进行实体隔离和电气隔离，使得在任何设计基准事故发生期间及之后，该安全级电气设备和电路均能执行所要求的安全功能。采用分隔距离、隔离装置、屏蔽、布线技术或其任意组合，实现电路独立性，以达到电气隔离的要求。

安全级电气设备和电路的独立性不得因辅助支持设施的功能失效而受到损害。在设计时，应把辅助支持设施(如加热器)定义为与其支持的安全级系统同属一个序列，以防止因某序列的机械功能失效而引起的另一序列电气功能失效。

非安全级电源、控制和仪表电路应增加相应的隔离装置，如图1所示。

图1 采用隔离装置的电路图

相关电路应按相关电路或安全级的要求加以标示，并能追溯到与其相关的安全级序列，即采用与相关的安全级电路相同的方式加以实体分隔。除非通过分析或试验，证明非安全级相关电路不会导致安全级电路的性能降低至不可能接受的程度，否则相关电路均应满足安全级电路的要求。

在安全级系统与非安全级系统相连时，通过增加隔离装置，可避免非安全级设备对安全级设备的影响。对于电力电路，可以选择断路器或熔断器作为隔离装置；对于仪表和控制电路[4]，则可以选择放大器、控制开关、电流互感器、光纤耦合器、光-电耦合器、继电器、转换器、电源装置、断路器等作为隔离装置。

2 AP1000 UPS设备独立性要求与试验方法

美国核管会(NRC)关注到：尽管在1E级和非1E级回路之间增加了隔离装置，但由于敷设距离较近，非1E级电缆的故障仍可能耦合至1E级电缆。对此，西屋在设计时，同时考虑了交流和直流2种试验条件。

在目前运行的核电站中，并未对直流电压作要求，仅考虑了非1E级对1E级负荷供电回路的隔离要求。不同于二代加技术，AP1000电气设计将向1E级负荷供电的电源从中压变更为低压。因此，交流和直流电缆被敷设在同一桥架中。

2.1 1E级直流和UPS系统设计基准

1E级直流和UPS系统是全厂使用的1E级电源系统。系统应遵循以下设计基准。

①IDS系统满足单一故障标准[5]。

②在所有交流电源完全停止工作后，系统有充足的电能确保电厂安全停堆达72 h，并在最初24 h内无需甩负荷。

③IDS系统分为4个独立序列，其中的任3列均能满足安全停堆要求，且能维持安全停堆状态。

④直流系统的4个通道应满足电气隔离和实体隔离的要求，以保证1E级回路的独立性，且单一可信事件不能导致冗余的安全系统失效。

某一序列1E级UPS系统图如图2所示。

图2 UPS系统示意图

根据IEEE 384的要求，非1E级供电侧的故障或异常运行工况(暂态)不能影响对应的1E级设备或下游的1E级设备。IEEE 384第5.10.2章节指出，“冗余的1E级设备和电路间应保持独立性，以使其安全功能的执行不受火灾危险区的火灾影响”。根据图2可知，1E级UPS系统中的充电器和调压变压器的上游供电电源来自非核级的主交流系统，且没有额外的隔离装置。相应的电缆在低压桥架系统内与非1E级直流电缆非常接近。NRC曾进行过相应的电缆火灾试验。试验结果表明，电缆在火灾中会发生以下3种情况：①多芯电缆内部芯线之间的短路；②绑扎在一起的电缆之间的短路；③线芯对地的短路。

综上所述，并结合在火灾中可能发生的直流电缆某一芯线搭接到交流电缆某一芯线上的情况，对AP1000的1E级充电器和调压变压器提出了直流故障电压/电流的考核要求。

2.2 1E级UPS系统电路独立性要求分析

1E级充电器和调压变压器在各种工况下的输入电压[6]如表1所示。

表1 各种工况下的输入电压

最大可信故障电压和电流如下。

①交流电。电压为459 VAC，电流为65 kA。

②直流电。电压为300 VDC(基于非1E级直流系统均充电压加上裕度)，电流为45 kA。

针对上述要求，1E级充电器和调压变压器的进线断路器可以检测到交流故障电压和电流，并起到保护作用。对于直流故障电压和电流，尤其是1E级调压变压器，在此工况下可能会对一次侧绕组产生破坏。

2.3 电路独立性验证方法

①在敷设电缆时，将非核级的交流电缆和直流电缆独立分开。其优点是在物理层面实现了隔离，降低了设备的制造难度；缺点是需要增加额外的电缆桥架，对现场空间要求较高，实施难度较大。

②通过增加额外的保护元器件，满足最大交流/直流故障电压和电流。其优点是不影响现场电缆敷设；缺点是增加额外的保护元器件，提高了设备制造难度和鉴定要求，并且存在一定设备选型和鉴定失败的风险。

③针对仪表回路，可以模拟搭建电路。在电路两端施加最大置信故障电压/电流，以测量回路中的实际电流，并选配相应的保护元器件。其优点是可以实际模拟真实情况，选择更适合的保护器件；缺点是需要额外搭建试验台架。

3 试验结果与分析

3.1 1E级充电器电路独立性试验结果

1E级充电器的输出端连接2 400 Ah的蓄电池，因此，电压暂态会被蓄电池组吸收。同时，充电器上安装的电容也将吸收一部分能量。在1E级充电器的变压器一次侧进线处增加3个浪涌保护器，可将直流电压和电流导入大地。

为了验证浪涌保护器可以满足设计功能要求，在1E级充电器输入端施加直流故障电压、电流。1E级充电器试验结果如图3所示。

图3 1E级充电器试验结果

当直流故障电流施加在充电器输入端时，浪涌元器件将能量导入大地，保证了充电器的输出电压小于350 VDC。综上所述，增加了浪涌保护器的充电器可以耐受直流故障电压/电流。

3.2 1E级调压变压器独立性试验结果

在1E级调压变压器的二次侧输出端的火线上连接浪涌保护器，试验结果如图4所示。

图4 1E级调压变压器试验结果

当直流故障电流施加在调压变压器输入端时，浪涌元器件将能量导入大地，保证了变压器不受破坏。

综上所述，增加了浪涌保护器的调压变压器可以耐受直流故障电压/电流。

4 结束语

为了实现AP1000核电站在事故工况下的系统冗余，必须保证安全序列的电气设备和电路独立性，以确保在任何设计基准事故发生期间及之后，该安全级电气设备和电路均能执行所要求的安全功能[7]。本文通过分析AP1000 1E级UPS设备电路独立性的要求，结合对试验结果的分析，论证了试验结果满足设计要求。该设计方案不仅可推广至AP1000后续堆型，而且可推广至国内外其他核电堆型。

[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.

[2] 杜宝瑞.核电厂核岛直流和UPS系统[J].自动化与仪器仪表,2012(6):178-180.

[3] IEEE.Criteria for independence of class 1E equipment and circuits:IEEE 384[S].1981.

[4] 夏利民.核电站安全级DCS隔离设计研究[J].自动化博览,2014(12):62-66.

[5] 何小明,李仁杰,于宏伟,等.核电厂仪控系统不间断电源冗余方案的研究及维护[J].仪器仪表用户,2016(1):32-36.

[6] 武斌.AP1000堆型与AES-91堆型直流及UPS系统对比分析[J].电工科技,2013(5):1-3.

[7] 杜志平.核电站核岛电气隔离准则研究[J].科技视界,2016(23):342,382.

DesignandVerificationofIndependenceofAP1000Class1EUPSEquipmentandCircuits

ZOU Yingnan，YAN Zhenjie

(State Nuclear Power Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200233,China)

AP1000 class 1E DC system and uninterruptible power supply(UPS) system can provide a reliable power supply for the safety shutdown of the power plant,and also can meet the single failure without affecting the safety shutdown of the power plant.In order to ensure that any divisions of safety-related system performing the related functions will not affected by other divisions,especially under some accident conditions,AP1000 nuclear power plant(NPP) introduced IEEE 384 “Criteria for independence of class 1E equipment and circuits” standard.Electrical isolation method is proposed to ensure the independence of the each division.According to the electrical principle of AP1000 class 1E UPS system,this paper introduced necessity of IEEE 384,design proposal and acceptance criteria,etc.Test results show that the design proposal can meet the requirements of electrical isolation.It can be not only referred for the following AP1000 projects, but also for other local nuclear power plants.

Nuclear power; AP1000； IEEE 384； Circuit independence； Class 1E; Uninterruptible power supply(UPS); Security level; Reliability

修改稿收到日期:2017-09-16

邹颖男(1968—)，女，学士，高级工程师，主要从事第三代核电AP1000项目技术管理与采购管理工作,E-mail:zouyn@snpec.com.cn

TH-39; TP202

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201712019