核電機組電氣設(shè)計分析

王 寧

（中國電力工程顧問集團公司，北京 100120）

近年來，隨著我國能源政策的不斷調(diào)整，核電方針由“適度發(fā)展核電”調(diào)整為“積極推進核電建設(shè)”，核電事業(yè)得到快速發(fā)展。2007年10月，國務(wù)院頒布了《核電中長期發(fā)展規(guī)劃(2005—2020年)》，明確到2020年我國核電運行裝機容量將達到4 000萬kW，在建核電容量保持1 800萬kW左右，核電占全部電力裝機容量的比重從現(xiàn)在的不到2%提高到4%。2008年11月，國家能源局又提出調(diào)整意見，到2020年我國核電運行裝機容量調(diào)整為7 000萬kW，在建裝機容量3 000萬kW，核電占電力裝機比重將達到5%以上。

1 我國核電機組設(shè)計現(xiàn)狀

1.1 現(xiàn)有設(shè)計能力

通過秦山一、二期的自主設(shè)計以及大亞灣、嶺澳等核電項目的聯(lián)合設(shè)計，我國具備了300 MW（CN P300）、600 MW（CN P600）級壓水堆核電站自主設(shè)計的能力，也具備了以我為主、中外合作設(shè)計1 000 MW級壓水堆核電站的能力。“十一五”期間，利用秦山二期和嶺澳一期已有成熟技術(shù)并“翻版加改進”，建設(shè)秦山二期擴建和嶺澳二期等一大批二代改進型核電工程；同時引進三代核電技術(shù)AP1000和EPR，建設(shè)浙江三門、山東海陽和廣東臺山核電工程。在消化、吸收的基礎(chǔ)上進一步優(yōu)化改進，提高核電機組的安全性和經(jīng)濟性，逐步完善我國獨立自主設(shè)計1 000 MW級核電站的能力。經(jīng)過數(shù)十年的努力，設(shè)計單位積累了國內(nèi)外大量的核電設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，并針對工程需要處理了許多國外標(biāo)準(zhǔn)之間、國外和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)之間的接口和轉(zhuǎn)化。我國的核電工程設(shè)計目前已逐步過渡為國內(nèi)企業(yè)自主完成設(shè)計，形成中國先進壓水堆核電站品牌和批量化建設(shè)的設(shè)計能力。

1.2 主要差距

我國要實現(xiàn)核電自主設(shè)計、自主制造、自主建設(shè)和自主運營的國產(chǎn)化目標(biāo)，首先要加強標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，建立自己的核電規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)體系。目前，我國已初步建立一套有關(guān)核電站選址、設(shè)計、建造、運行和退役的法規(guī)體系，但尚未形成完整的核電站系統(tǒng)及設(shè)備設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)體系，采用的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)主要由三方面組成：（1）技術(shù)輸出國規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，主要是法國、美國標(biāo)準(zhǔn)；（2）國際通用或國外規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)；（3）國內(nèi)現(xiàn)有規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。由于各標(biāo)準(zhǔn)之間存在諸多不一致，在一定程度上給標(biāo)準(zhǔn)的選用和執(zhí)行帶來了復(fù)雜性；同時也有悖于國家引進、消化、吸收國外技術(shù)，實現(xiàn)核電自主化、設(shè)備本地化的指導(dǎo)思想。因此還需要在中外合作、技術(shù)引進及工程實踐過程中，消化、吸收國外先進經(jīng)驗，如美國ASME、法國RCC及IEEE等國外、國際標(biāo)準(zhǔn)，逐步完善我國核電設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)體系。

2 對核電機組電氣設(shè)計的幾點意見

2.1 廠用電壓等級

國內(nèi)已建及在建核電機組廠用電壓等級見表1。

表1 廠用電壓等級Table 1 Scale of service voltage

目前，我國對于核電站電氣系統(tǒng)及設(shè)備設(shè)計尚未頒布較為系統(tǒng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，在工程應(yīng)用方面操作性不強，國內(nèi)核電站電氣設(shè)計在參照我國標(biāo)準(zhǔn)的同時還要參考國外成熟、通用的標(biāo)準(zhǔn)系列，一般較多采用IEEE和RCC-E標(biāo)準(zhǔn)，由此產(chǎn)生了各標(biāo)準(zhǔn)之間不一致的問題。根據(jù)《IEC標(biāo)準(zhǔn)電壓》（I E C60038：2002），標(biāo)稱電壓400/690 V及6.6 kV均為IEC標(biāo)準(zhǔn)電壓；而按照《標(biāo)準(zhǔn)電壓》（GB/T 156—2007），根據(jù)我國設(shè)計及設(shè)備制造實際情況，將以上電壓分別修改為380/660 V及6 kV；此外，根據(jù)參考電站設(shè)計，大亞灣及嶺澳一、二期工程直流電壓等級采用230 V、115 V、48 V和30 V，其中230 V、115 V即非我國的標(biāo)準(zhǔn)電壓，也非IEC標(biāo)準(zhǔn)電壓。

依據(jù)我國火電項目技術(shù)引進的經(jīng)驗以及秦山一、二期等工程的招標(biāo)經(jīng)驗，國外設(shè)備制造商能夠滿足我國國標(biāo)要求，因此從有利于設(shè)備國產(chǎn)化等方面考慮，廠用電壓等級應(yīng)逐步過渡到我國的國家標(biāo)準(zhǔn)上來。經(jīng)過設(shè)計單位的不斷改進，目前已將230 V、115 V直流電壓修改為220 V、110 V；對于48 V直流系統(tǒng)，核島部分仍然保留，BOP部分全部取消；30 V直流系統(tǒng)已取消。

近期設(shè)計的M310改進型核電機組，給水系統(tǒng)由大亞灣、嶺澳一期的每臺機組2臺汽動給水泵加1臺啟動/備用電動給水泵改為每臺機組設(shè)3臺電動給水泵，輔助鍋爐由燃油鍋爐普遍改為電鍋爐，有些工程還增加了海水淡化等裝置，引起廠用電負(fù)荷的增加和最大單臺電動機容量的提高，帶來短路容量增大、啟動壓降大等一系列問題。當(dāng)采用參考電站的6.6 kV電壓等級時，6.6 kV系統(tǒng)短路水平已接近50 kA，同時電動機正常啟動電壓也已接近有關(guān)規(guī)程要求下限，而且6.6 kV不是我國標(biāo)準(zhǔn)電壓等級。因此，應(yīng)綜合考慮工藝系統(tǒng)負(fù)荷、設(shè)備供應(yīng)情況以及有利于國產(chǎn)化等因素，結(jié)合廠用電接線設(shè)計方案及廠用配電裝置布置，對廠用電壓等級進行技術(shù)經(jīng)濟論證后確定。

2.2 220 kV輔助變壓器的設(shè)置及布置

國內(nèi)已建及在建核電機組輔助變壓器的設(shè)置及布置見表2。

表2 輔助變壓器的設(shè)置及布置Table 2 Configuration and deployment of auxiliary transformer

根據(jù)《核電廠優(yōu)先電源》（GB/T 13177—2000，等效采用IEEE Std 765—1995），有如下內(nèi)容：“3.4核電廠優(yōu)先電源是在事故和事故后工況下，從輸電系統(tǒng)優(yōu)先給安全級電力系統(tǒng)供電的電源”以及“7.1在多機組核電廠里，2臺或2臺以上的機組可以共用優(yōu)先電源”。由于西屋公司AP1000標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計是按照單堆系統(tǒng)設(shè)計的，每臺機組設(shè)置一套優(yōu)先電源，即每臺機組設(shè)2臺輔助變壓器；而其他堆型則是2臺機組設(shè)置一套優(yōu)先電源，即2臺機組共用2臺輔助變壓器；因此相對其他堆型AP1000輔助變壓器的數(shù)量增加了一倍，而AP1000采用的是非能動安全系統(tǒng)，對交流電源的要求為非安全級的。西屋公司對于其標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計能否進一步優(yōu)化始終未給出合理解釋，還需要我們在引進、消化過程中根據(jù)機組運行方式及輔助電源的作用，進一步研究AP1000兩臺機組合設(shè)一套優(yōu)先電源的可行性。

一般來講，為減少線路的損耗和電壓降，變壓器應(yīng)盡量靠近負(fù)荷布置，因此核電站的輔助變壓器也應(yīng)盡量靠近電氣廠房。但工程設(shè)計中為方便220 kV設(shè)備的運行、管理及出線，往往將220 kV與500 kV升壓站布置在一起，全廠的輔助變壓器也集中布置在220 kV升壓站內(nèi)，從而大大增加了輔助變壓器低壓側(cè)電纜的長度，增大了中壓廠用電系統(tǒng)的接地電容電流，尤其當(dāng)220 kV升壓站距離電氣廠房較遠時。據(jù)統(tǒng)計，只有大亞灣和陽江核電站單獨將220 kV升壓站靠近主廠房區(qū)布置，也只有少數(shù)工程單獨將輔助變壓器靠近電氣廠房布置。從電氣專業(yè)角度，輔助變壓器宜盡量靠近電氣廠房：當(dāng)500 kV升壓站距離電氣廠房較近時，220 kV升壓站及輔助變壓器可與500 kV升壓站集中布置在一起；當(dāng)500 kV升壓站距離電氣廠房較遠時，可將220 kV升壓站靠近主廠房區(qū)布置或?qū)⑤o助變壓器靠近電氣廠房布置。

2.3 主變壓器至高壓配電裝置的連接方式

核電站主變壓器至高壓配電裝置的連接方式包括高壓電纜、SF6氣體絕緣母線、架空線或幾種方式的混合式。我國最初引進的大亞灣核電站采用了SF6氣體絕緣母線，以大亞灣為參考電站的核電站基本都沿用了SF6氣體絕緣母線；由中核集團設(shè)計、建造的秦山一、二期、海南昌江、福清核電站則采用高壓電纜（充油式）；近期也有核電站開始采用架空線方式。

目前在火電廠中交聯(lián)式高壓電纜（XLPE）已基本取代了充油式高壓電纜，但由于國內(nèi)外XLPE電纜設(shè)計壽命均不超過30年，不能滿足核電站整體設(shè)計壽命40年的要求，因此國內(nèi)核電站采用了充油式高壓電纜。

國內(nèi)已建及在建核電站主變壓器出線方式見表3。

出線方式技術(shù)經(jīng)濟比較見表4（工程投資以某核電工程為例）。

根據(jù)《輸變電設(shè)施可靠性評價規(guī)程》（DL/T 837—2003），對輸變電設(shè)施運行可靠性評價的主要指標(biāo)有可用系數(shù)、計劃停運時間、非計劃停運時間、強迫停運率等。雖然電力行業(yè)在輸變電設(shè)施可靠性評價中沒有對SF6氣體絕緣母線單獨分類，由于其與SF6全封閉組合電器（GIS）的母線結(jié)構(gòu)、性能及制造標(biāo)準(zhǔn)完全相同，運行可靠性指標(biāo)可參照GIS。

表3 主變壓器出線方式Table 3 Outlet mode of main transformer

表4 出線方式技術(shù)經(jīng)濟比較Table 4 Technical and economic comparison for outlet modes

根據(jù)國家電監(jiān)會電力可靠性管理中心發(fā)布的2007年全國220 kV及以上電壓等級13類輸變電設(shè)施的可靠性數(shù)據(jù)，架空線路、電纜線路及全封閉組合電器的運行可靠性指標(biāo)見表5。

表5 輸變電設(shè)施運行可靠性指標(biāo)Table 5 Reliability index of transmission and distribution installations

由表5可見，架空線、高壓電纜和S F6氣體絕緣母線三種出線方式的可用系數(shù)相差并不大，均可滿足核電機組電力送出的可靠性要求。需要說明的是，常規(guī)架空線路大都布置在野外空曠地帶，受外界環(huán)境條件的影響較大，且檔距較長，發(fā)生雷擊、污閃、斷線、倒塔等事故的幾率相對較高；而核電站受總平面布置的限制，廠區(qū)內(nèi)架空出線檔距一般較短?？傊?，廠區(qū)內(nèi)的架空出線比普通輸電線路的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、絕緣水平及單位投資都要高，維護條件要好，因此廠區(qū)內(nèi)架空出線應(yīng)該比輸電線路的可用系數(shù)（99.327%）更高一些。從投資上來說，架空線大致僅為高壓電纜的1/3、為SF6氣體絕緣母線的1/6～1/8，個別工程可能會更低，經(jīng)濟效益非常明顯。國內(nèi)火電廠中，不管是沿海電廠還是內(nèi)陸電廠，主變壓器至高壓配電裝置普遍采用架空線連接，國外核電站采用這種方式的也有很多，具有非常成熟的運行經(jīng)驗。在工程設(shè)計中，應(yīng)結(jié)合廠址條件及廠區(qū)總平面布置，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟論證合理確定主變壓器至高壓配電裝置的連接方式，在條件允許的情況下優(yōu)先考慮架空線方式。

2.4 高壓配電裝置選型

高壓配電裝置主要有以下三種型式：屋外敞開式（AIS）、SF6全封閉組合電器（GIS）以及SF6混合絕緣組合電器（HGIS）。目前，我國已建及在建的核電站主要集中在沿海地區(qū)，地處電氣IV級污穢區(qū)，考慮臺風(fēng)、潮濕及鹽霧對電氣設(shè)備的影響，高壓配電裝置采用防護性能較好的戶內(nèi)或戶外式GIS，其中秦山一、二期采用戶外式GIS，其他工程采用戶內(nèi)式GIS。目前，除秦山一期和石島灣因機組容量較小，采用220 kV電壓出線外，國內(nèi)其他核電站均為500 kV出線。

500 kV戶內(nèi)式GIS 、AIS和HGIS技術(shù)經(jīng)濟比較見表6（工程投資以某火電工程為例，500 kV為四角形接線）。

HGIS具有AIS經(jīng)濟性好的特點，同時在安全可靠性、運行維護性方面兼?zhèn)淞薌IS的特點，是介于兩者之間、更接近于GIS的一種新型配電裝置，目前火電項目中已有防城港電廠、海門電廠投入運行，對于沿海電廠或場地受限制的內(nèi)陸電廠是一種新的選擇方案。按照2008年電網(wǎng)工程限額設(shè)計水平，500 kVHGIS參考價格為2 000萬元/串，GIS參考價格為2 700萬元/串，因此HGIS較GIS仍有較大的價格優(yōu)勢；目前，一批內(nèi)陸核電項目已開展前期工作，內(nèi)陸核電站通常廠址環(huán)境較好，在滿足廠區(qū)總平面布置的前提下可優(yōu)先考慮AIS方案。總之，應(yīng)根據(jù)廠址污穢等級、場地條件及廠區(qū)總平面布置，結(jié)合地基處理、土建費用進行技術(shù)經(jīng)濟論證，合理確定高壓配電裝置的型式。

3 結(jié)論及建議

（1）目前，有些核電技術(shù)輸出國的電壓等級與我國標(biāo)準(zhǔn)電壓等級存在不一致的問題，從有利于設(shè)備國產(chǎn)化等方面考慮，應(yīng)逐步過渡到我國的國家標(biāo)準(zhǔn)上來；同時應(yīng)綜合考慮工藝系統(tǒng)負(fù)荷、設(shè)備供應(yīng)情況以及有利于國產(chǎn)化等因素，對廠用電壓等級進行技術(shù)經(jīng)濟論證后確定。

（2）對于AP1000輔助變壓器的設(shè)置，應(yīng)根據(jù)機組運行方式及輔助電源的作用，進一步研究兩臺機組合設(shè)一套優(yōu)先電源的可行性；為減少線路的損耗和電壓降，減少中壓廠用電系統(tǒng)的接地電容電流，核電站的220 kV升壓站宜靠近主廠房區(qū)布置、輔助變壓器宜靠近電氣廠房布置。

（3）核電站主變壓器至高壓配電裝置的連接方式目前有高壓電纜、SF6氣體絕緣母線、架空線或幾種方式的混合式，設(shè)計中應(yīng)結(jié)合廠址條件及廠區(qū)總平面布置，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟論證合理確定主變壓器至高壓配電裝置的連接方式，在條件允許的情況下優(yōu)先考慮架空線方式。

（4）對于沿海核電站，考慮環(huán)境因素，高壓配電裝置通常選用戶內(nèi)或戶外式GIS；對于內(nèi)陸

核電站，應(yīng)綜合考慮廠址污穢等級、場地條件及廠區(qū)總平面布置等因素，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟論證合理確定高壓配電裝置的型式，在滿足總平面布置的前提下優(yōu)先考慮AIS。

表6 500 kV 配電裝置技術(shù)經(jīng)濟比較Table 6 Technical and economic comparison for 500 kV switchgear

對于核電機組的電氣設(shè)計，需要經(jīng)歷一個引進、消化、吸收并改進的過程。對影響到核安全的設(shè)計改進，一定要慎之又慎，按照相關(guān)程序進行論證并報請有關(guān)部門審批；對于不影響核安全的常規(guī)島和BOP設(shè)計內(nèi)容，可以綜合考慮廠址適用性、設(shè)計及設(shè)備制造能力等因素，在現(xiàn)有成熟技術(shù)基礎(chǔ)上不斷改進，進一步提高核電機組運行的安全性、經(jīng)濟性，降低工程造價，最終實現(xiàn)我國核電產(chǎn)業(yè)自主化、本地化的建設(shè)目標(biāo)。

[1] 廣東核電培訓(xùn)中心，編. 900 MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備[M]. 北京：原子能出版社，2007.

[2] 林誠格，主編. 非能動安全先進核電廠AP1000[M].北京：原子能出版社，2008.

[3] GB/T 156—2007. 標(biāo)準(zhǔn)電壓[S].

[4] GB/T 13177—2000. 核電廠優(yōu)先電源[S].

[5] DL/T 5222—2005. 導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計技術(shù)規(guī)定[S].

[6] 國內(nèi)核電廠工程相關(guān)設(shè)計文件.