核电厂核岛应急母线配电方案分析与优化

纪秀艳，李 青，刘爱芬

（1.华龙国际核电技术有限公司，北京 100036；2.中国核电工程有限公司，北京 100840）

0 引言

核电厂电源系统包括厂外主电源、厂外辅助电源、主发电机电源、厂内电源，目前各核电厂内电源配置多样，虽能满足核电厂电源系统基本要求及安全要求，但经济性方面却有待进一步提高。本文以能动与非能动结合的安全系统双堆机组核电厂（以下简称核电厂）为例，通过对比分析现有各核电厂厂内电源配置在满足基本要求及安全要求前提下，核岛应急母线配电方案可进一步优化的部分，并结合本文第一作者专利技术的结论[1]，结合文献[2-6]的设计分析思路及分析方法对核岛应急母线配电方案进行优化设计，使核电厂电源系统满足基本要求的同时，进一步优化核岛应急母线配电方案，减少核电厂电源系统设备设施，提高工程的经济性。

1 核电厂电源系统基本概况及安全等级

1.1 基本概况

核电厂厂外主电源由厂外输电线路提供，厂用设备由接于发电机断路器与主变压器之间的厂用工作变压器供电，在单元机组停运期间，厂外主电源仍可对厂用设备供电；厂外辅助电源由一路与电厂送出输电线路无关的厂外线路以及由该线路并联供电的两台辅助变压器组成[7]。变压器二次侧与两台单元机组的接有常备厂用设备的配电盘连接；当主发电机达到并网前所要求的电压和频率时，闭合发电机出口断路器，使机组与电网并联运行，厂用设备由主发电机电源[7]经高压厂用工作变压器供电，同时经主变压器向电网输出电能。厂内交流电源系统包括应急柴油发电机组（失去厂外电源及主发电机电源后的厂内备用电源）、全厂断电工况柴油发电机组（失去厂外电源、主发电机电源室及应急柴油发电后的厂内备用电源）等，以在任何预计运行事件、设计基准事故、设计扩展工况下丧失主发电机电源及厂外电源时提供必要的电力供应。全厂断电工况柴油发电机组与应急柴油发电机组相互独立并进行实体隔离。

1.2 安全等级

厂内电源需满足相应的安全要求。应急柴油发电机组及配套设施安全分级为F-SC1 级，抗震分类为抗震I 类[8-9]；应急柴油发电机组及配套设施分别安装于实体隔离的安全厂房内，防止共模故障的发生；全厂断电工况柴油发电机组及配套设施[10]安全分级为F-SC3级，抗震分类为抗震I类；附加柴油发电机组及配套设施[10]安全分级为NC级，厂区附加柴油发电机组的厂房抗震分类为抗震III类。

2 现有典型核电厂核岛应急母线配电方案

2.1 应急母线配电方案简介

2.1.1 核电厂1

核电厂1核岛应急中压母线配电方案系统简图如图1所示。

图1 核电厂1核岛应急中压母线配电方案系统简图Fig.1 Schematic diagram of nuclear island emergency medium voltage busbar distribution scheme system for nuclear power plant 1

核电厂1 厂外主电源由500 kV 电网提供，厂外辅助电源由220 kV电网提供，每个单元机组设有两台独立的能自动启动的10 kV 应急柴油发电机组，通过1EMA、1EMB 分别向1 号A 应急柴油机、1 号B应急柴油机连接的10 kV 母线供电，通过2EMA、2EMB 分别向2 号A 应急柴油机、2 号B 应急柴油机连接的10 kV 母线供电，在电厂运行中起到在全厂断电工况下为电源恢复提供时间窗口；为应急柴油发电机计划性维修与纠正性维修延长维修时间（发电厂正常运行工况）等作用。设置专用供电母线用于附加柴油发电机的接入及厂内机组应急母线的送出，为单电源进线结构[1]。每一单元机组设有两台1000 kW 的400 V 全厂断电工况柴油发电机组，两台400 V 全厂断电工况柴油发电机组（一用一备），当核电厂丧失厂外500 kV主电网、220 kV辅助电网、主发电机以及厂内10 kV 应急柴油发电机组时，启动全厂断电工况柴油发电机组向400 V 应急母线供电。

2.1.2 核电厂2

核电厂2核岛应急中压母线配电方案系统简图如图2所示。

图2 核电厂2核岛应急中压母线配电方案系统简图Fig.2 Schematic diagram of nuclear island emergency medium voltage busbar distribution scheme system for nuclear power plant 2

核电厂2 厂外主电源由500 kV 电网提供，厂外辅助电源由220 kV 电网提供，每个单元机组设3 台独立的能自动启动的10 kV 应急柴油发电机组，每台应急柴油发电机组可保证向冗余设置的安全级厂用设备的一个独立系列（A 列、B 列、C 列）供电[8]。每个单元机组设1 台10 kV 全厂断电工况柴油发电机组，当电厂丧失全部厂内、厂外电源后，启动全厂断电工况柴油发电机组向10 kV应急母线供电。

2.2 应急母线配电方案对比分析

现有典型核电厂核岛应急母线配电方案的主要差异在于安全级柴油发电机组、全厂断电工况柴油发电机组、附加柴油发电机组的配置不同。核电厂1、核电厂2的应急母线电气设备配置见表1。

表1 应急母线电气设备配置Tab.1 Emergency bus electrical equipment configuration

由表1 可知，核电厂2 厂内应急柴油发电机的数量较核电厂1多1台，配套设施也相应增加，应急柴油发电机组及配套设施安全分级为F-SC1 级，抗震分类为抗震I 类，应急柴油发电机组及配套设施分别安装于实体隔离的安全厂房内，而附加柴油发电机组，安全分级为NC级，厂区附加柴油发电机组的厂房为抗震III类，由于柴油发电机组及配套设施的安全分级不同，使得应急柴油发电机组比同容量的附加柴油发电机组造价高，核电厂1 配置了2 台400 V 容量为1000 kW 的全厂断电工况柴油发电机组，核电厂2配置1台10 kV容量为4100 kW的全厂断电工况柴油发电机组，由于柴油发电机组电压等级和容量的不同，使得核电厂2 全厂断电工况柴油发电机组造价高于核电厂1。通过对比可知，在满足核电厂运行安全性和可靠性的基础上，核电厂1的经济性优于核电厂2。

核电厂1方案配置的应急柴油发电机组是为了配合安全系统所必需的[11-15]，为了保证核电厂的运行安全性和可靠性，应急柴油发电机组的数量及安全级别等均无法优化。根据前述核电厂1方案配置的10 kV 厂区附加柴油发电机组的作用，厂区附加柴油发电机不作为应对全厂断电工况的安全设施，仅作为额外增加手段，取消厂区附加柴油发电机不会造成电厂纵深防御体系的降低。但如果取消厂区附加柴油发电机，目前的配电系统将无法保证为应急柴油发电机计划性维修与纠正性维修延长维修时间窗口。因此，要在取消附加柴油发电机组的同时，保证为应急柴油发电机计划性维修与纠正性维修延长维修时间窗口，需要提高应急柴油发电机所带应急中压母线的供电可靠性。

3 核电厂核岛应急母线配电方案优化分析

3.1 优化方案及注意事项

对于双堆机组核电厂，可将1 台单元机组的主发电机组视为另1台单元机组的一路应急中压母线的补充电源，设置专用中压供电母线[1]，两台主发电机组对应的10 kV供电母线分别配置1条出线回路,为专用备用母线段供电，以达到替代厂区附加柴油发电机的作用[1]。为满足文献[8]中电源可靠性的设计要求，需注意以下几点[16-18]。

（1）专用供电母线仅可为双堆核电厂4台应急柴油发电机组中的其中1台计划性维修及纠正性维修延长维修时间窗口提供备用电源，不能同时为2台及2台以上应急柴油发电机提供备用电源。

（2）设置专用供电母线馈线断路器之间的电气或机械联锁，当1台馈线断路器闭合时，其他断路器均应断开，以保证1 台机组或另1 个安全序列故障时，不影响另1 台机组或另1 个安全序列安全可靠运行。

（3）专用供电母线馈线断路器与应急柴油发电机进线电源断路器之间也应设置电气或机械联锁，使2台断路器不同时处于合位，以避免应急柴油发电机并网运行。

（4）专用供电母线两进线断路器之间也应设置电气或机械联锁，使两台断路器不同时处于合位，以避免机组电源之间互相影响。

3.2 优化结果分析

核电厂1 设置2 台互为备用全厂断电工况柴油发电机组，分别接入应急柴油发电机供电的相应应急母线上为全厂断电工况用电负荷供电。核电厂2设置1 台全厂断电工况柴油发电机组，A 列应急母线和B列应急母线之间设置联络为全厂断电工况用电负荷供电。为提高工程经济性，核电厂优化后，全厂断电工况柴油发电机组按照核电厂2设置。

基于上述分析，对核电厂核岛应急中压母线配电方案进行优化，优化后系统简图如图3 所示。核电厂核岛应急母线配电方案优化后的主要电气设备优化配置如表2所示。

图3 核岛应急中压母线配电方案优化后系统简图Fig.3 Schematic diagram of system after optimization of the emergency medium voltage bus distribution scheme for nuclear island

表2 主要应急母线电气设备的优化配置Tab.2 Optimized configuration of main emergency bus electrical equipment

根据表2，优化后核电厂降低了发电机及配电设备的采购成本，减少了厂房的建设面积，同时也降低了相应的施工及运行维护成本，经初步估算，优化后核电厂较核电厂1 将节省成本4000～4500 万元。

4 结论及建议

4.1 结论

经过现有核电厂核岛应急母线配电方案调研分析，对现有核电厂核岛应急母线供电电源进行对比分析，在保证应急母线供电安全可靠的条件下，可只配置2 台应急柴油发电机组，由于应急柴油发电机组为安全级设备，减少应急柴油发电机组及其配套设施可显著提高工程经济性。经核电厂核岛应急母线配电方案优化分析，采用增加专用中压供电母线及相关配电设施提高应急柴油发电机所带应急中压母线的供电可靠性，满足应急柴油发电机计划性维修与纠正性维修延长维修时间窗口的需求，从而替代附加柴油发电机组及其配套设施，在A列应急母线和B列应急母线之间设置联络为全厂断电工况用电负荷供电，从而减少1 台全厂断电工况柴油发电机组厂房及配套设施，优化后的核电厂核岛应急母线配电方案在保证核电厂核岛应急母线供电安全性、可靠性的同时提高了工程的经济性。

4.2 建议

专用供电母线仅可为双堆核电厂4台应急柴油发电机中的其中1台计划性维修与纠正性维修延长维修时间窗口提供备用电源，不能同时为2 台及2台以上应急柴油发电机提供备用电源，因此应设置避免应急柴油发电机并网运行及避免机组电源之间互相影响的联锁保护措施，以保证1台机组或另1个安全序列故障时，不影响另1 台机组或另1 个安全序列的安全可靠运行。