核電廠喪失廠外電的經(jīng)驗反饋

焦 峰，侯秦脈，車樹偉（環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京 100082）

核電廠喪失廠外電的經(jīng)驗反饋

焦 峰，侯秦脈，車樹偉
（環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京 100082）

核電廠廠用電系統(tǒng)的功能是為核電廠設(shè)施提供安全可靠的電源，核電廠供電安全對核安全至關(guān)重要。福島第一核電廠就是在喪失廠用電及最終熱阱的情況下發(fā)生了嚴重的核事故。廠用電系統(tǒng)具備兩列相互獨立的廠外電源作為工作電源和輔助電源。文章通過收集國內(nèi)外運行核電廠喪失廠外電事件，對運行核電廠喪失廠外電的機組狀態(tài)、事件發(fā)生原因進行了分析，提出了應(yīng)對廠外電失效的改進措施和建議。

喪失廠外電源；運行經(jīng)驗反饋

1 核電廠廠用電系統(tǒng)設(shè)計要求

廠用電系統(tǒng)的主要功能是在正?；蚴鹿使r下，為核電廠的附屬設(shè)備提供安全可靠的電源，并為與核安全相關(guān)的系統(tǒng)和設(shè)備提供應(yīng)急電源，以保證核電廠的安全運行。

核電廠輸電系統(tǒng)將發(fā)電機所產(chǎn)生的電力通過主變壓器輸送給電網(wǎng)，并通過降壓變壓器輸送給廠用電設(shè)備。主變壓器將發(fā)電機與主開關(guān)站相連，并通過主開關(guān)站與電網(wǎng)相連。

在正常運行條件下，所有附屬設(shè)備配電系統(tǒng)由機組母線經(jīng)過廠用變壓器供電。該母線在機組運行時，由核電廠發(fā)電機供電；而當發(fā)電機停運時，則由超高壓電網(wǎng)經(jīng)過主變壓器降壓供電。如果母線失去電源或者失去廠用變壓器，則由電網(wǎng)輔助電源經(jīng)輔助變壓器向核電廠供電。如果主電源和輔助電源均失去，即喪失全部廠外電（LOOP）時，則由應(yīng)急柴油發(fā)電機組向核安全相關(guān)系統(tǒng)供電。若應(yīng)急柴油發(fā)電機也失效則核電廠進入全廠斷電（SBO）事故狀態(tài)[1]。

2 我國運行核電廠喪失廠外電事件

運行核電廠廠外電源由輸電電網(wǎng)提供，涉及輸電電網(wǎng)、開關(guān)站、廠內(nèi)輸變電設(shè)備等多個電氣系統(tǒng)，由于系統(tǒng)故障導(dǎo)致核電廠喪失廠外電的事件時有發(fā)生。文章通過對1991—2012年我國核電廠運行事件的調(diào)研以及參考電廠的反饋資料，收集到13起與喪失廠外電源有關(guān)的運行事件。按機組狀態(tài)可劃分為以下4種工況：功率運行、正在停堆、換料/維修、正在啟動。其中功率運行5起，占38.5%；正在停堆1起，占7.6%；換料/維修5起，占38.5%；正在啟動2起，占15.4%，如圖1所示。

圖1 喪失廠外電按機組狀態(tài)分類Fig.1 Plant status when lose of offsite power supply

核電廠機組大部分時間處于功率運行狀態(tài)，在該工況下發(fā)生喪失廠外電事故將導(dǎo)致機組降功率至帶廠用電運行模式，嚴重的事件將迫使機組進入停機停堆狀態(tài)，對核電廠經(jīng)濟性及安全性構(gòu)成威脅。盡管換料/維修狀態(tài)在核電廠運行周期中所占時間較短，但換料/維修狀態(tài)下發(fā)生喪失廠外電事件與功率運行狀態(tài)比例相當。換料/維修過程中包含電氣設(shè)備檢修及定期試驗，在試驗過程中由于人因失誤導(dǎo)致偏離試驗程序或風(fēng)險分析、預(yù)防措施不到位，容易觸發(fā)外電網(wǎng)跳閘。例如在“秦山一期2P59線路斷路器事故跳閘導(dǎo)致失去所有廠外電源事件”中，由于母差保護傳動時跳閘信號誤觸發(fā)導(dǎo)致2P59斷路器跳閘。當母差保護傳動時，由于相關(guān)隔離措施不完善，可能在接線的過程中誤碰了2P59的跳閘壓板，導(dǎo)致了2P59開關(guān)跳閘。換料/維修狀態(tài)時發(fā)生喪失廠外電事件概率較高的另一個原因是，在換料/維修期間，一路外電源可能由于檢修而停用，失去了兩路廠外電的冗余。但是由于在換料/維修狀態(tài)下核電廠安全保護措施相比功率運行狀態(tài)下更少，一旦發(fā)生事故風(fēng)險將更大，應(yīng)當引起營運單位和核安全監(jiān)管當局的高度重視。

上述運行核電廠喪失廠外電事件的事件原因包括：外電網(wǎng)線路故障、輸變電設(shè)備故障、規(guī)程不完善及人因失誤等，各部分事件原因所占比例如圖2所示。

（1）外電網(wǎng)線路故障引起喪失廠外電

圖2 喪失廠外電事件的原因歸類Fig.2 Cause classification for loss of offsite power supply

由于核電廠外部電網(wǎng)故障導(dǎo)致喪失廠外電的事件有4起，占喪失廠外電原因的30.8%。4起事件包括：大亞灣核電站的220 kV坪核線N14塔A、C兩相遭受雷擊，導(dǎo)致大亞灣核電站2號機組失去所有外電源；秦山三期秦重5421線路差動保護動作導(dǎo)致喪失500 kV一路外電源；田灣核電站1號機組因核云4911線距離保護動作導(dǎo)致失去廠外電源事件；秦山三期山火導(dǎo)致2號機組出線秦重5422線路保護動作跳閘。針對外電網(wǎng)輸電線所經(jīng)的山林火災(zāi)，營運單位應(yīng)積極溝通，完善山林區(qū)域的管理，消除火災(zāi)安全隱患。核電廠外部電網(wǎng)供電由電網(wǎng)公司運營，涉及不同地域、部門，同時其跨度大、里程長，容易受到氣候和人為因素影響，對于這類原因?qū)е碌膯适S外電事件采取有效的針對性措施難度很大，建議運行核電廠做好災(zāi)害預(yù)警，合理安排生產(chǎn)和試驗計劃，做好應(yīng)急準備。核電廠應(yīng)與設(shè)備制造商、外部電網(wǎng)公司、地方政府加強交流，加強外電網(wǎng)供電的可靠性。

（2）設(shè)備故障導(dǎo)致喪失廠外電

受輸變電設(shè)備故障影響導(dǎo)致喪失廠外電的運行事件有3起，占喪失廠外電原因的23.1%。3起事件包括：大亞灣核電站“同步并網(wǎng)系統(tǒng)低空氣壓力”信號與逆功率信號組合使400 kV斷路器跳閘導(dǎo)致失去廠外主電源和反應(yīng)堆緊急停堆、秦山三期由于發(fā)電機備用保護裝置元件故障導(dǎo)致失去廠外電源反應(yīng)堆停堆和田灣核電站1號機組由于變壓器突發(fā)性故障導(dǎo)致反應(yīng)堆自動保護停堆。為應(yīng)對電氣設(shè)備故障，運行部門應(yīng)嚴格執(zhí)行定期試驗要求，加強電氣設(shè)備巡檢，及時消除缺陷。電氣設(shè)備涉及專業(yè)面廣，在處理電氣設(shè)備故障時，應(yīng)全方面考慮，避免不恰當?shù)木S修或改造引入新的設(shè)備缺陷。

（3）規(guī)程不完善引起喪失廠外電

由于調(diào)試、試驗規(guī)程不完善導(dǎo)致觸發(fā)廠外電跳閘的事件有5起，占喪失廠外電原因的38.5%。5起喪失廠外電事件包括：大亞灣核電站失去全部廠外電源且A通道柴油機不可用；大亞灣核電站由于發(fā)電機和輸電保護系統(tǒng)（GPA）100%定子接地故障保護動作失去廠外主電源，引起反應(yīng)堆緊急停堆；秦山一期2001M低頻跳閘導(dǎo)致電廠交流電源全部喪失；秦山一期2P59線路斷路器事故跳閘導(dǎo)致失去所有廠外電源和嶺澳核電站2號機組喪失兩路外電源。

在國內(nèi)運行核電廠喪失廠外電的原因中，試驗規(guī)程管理不完善所占比重較大，說明部分運行核電廠的試驗規(guī)程中存在一定缺陷，建議營運單位或核安全監(jiān)管部門審查現(xiàn)有電氣設(shè)備相關(guān)的調(diào)試程序、試驗規(guī)程和隔離規(guī)程，對其進行充分的風(fēng)險分析。在進行試驗前做好工作準備，防止在設(shè)備安裝、調(diào)試和試驗時由于操作規(guī)程不完善造成電力供應(yīng)失效。

（4）人因失誤導(dǎo)致廠外電喪失

由于人因失誤導(dǎo)致廠外電喪失事件1起，即大亞灣核電站誤合發(fā)電機負荷開關(guān)導(dǎo)致主變跳閘主廠外電源喪失。人因失誤占喪失廠外電原因的7.6%。針對人因失誤，應(yīng)提高運行檢修人員的風(fēng)險意識，做好操作自檢，對操作人員進行電氣系統(tǒng)相關(guān)的培訓(xùn)，加強經(jīng)驗交流，減小人因失誤。

3 國際運行核電廠喪失廠外電事件

根據(jù)IAEA運行核電廠經(jīng)驗反饋體系的報告，核電廠喪失廠外電事件在各國發(fā)生較為頻繁，收集該體系1990年至2010年發(fā)生的喪失廠外電事件共計15起，其運行事件的原因主要包括：外電網(wǎng)線路故障和設(shè)備故障。其中外電網(wǎng)線路故障導(dǎo)致運行核電廠喪失廠外電事件總計7起，占所有事件原因的47%；電氣設(shè)備失效導(dǎo)致喪失廠外電事件共計8起，占所有事件原因的53%。

1993年8月24日，西班牙VANDELLOS 2號機組完全喪失廠外400 kV電網(wǎng)供電，其原因是該電網(wǎng)受到雷擊[2]，與2010年5月7日大亞灣核電站的220 kV坪核線N14塔A、C兩相遭受雷擊，導(dǎo)致大亞灣核電站2號機組失去所有外電源的情況類似。

廠用電系統(tǒng)的設(shè)備故障主要發(fā)生在核電廠輸變電和開關(guān)站內(nèi)。1993年12月27日，美國MCGUIRE 2號機組發(fā)生喪失廠外電的事件是由于絕緣故障導(dǎo)致兩路525 kV母線中的一路喪失[3]。2004年6月14日，美國PALO VERDE核電廠由于230 kV絕緣皮的外部污損導(dǎo)致了500 kV開關(guān)站的斷開，從而切斷了3臺核電機組的全部外電源供應(yīng)[4]。1991年4月12日，芬蘭OLKILUOTO核電廠2號機組一開關(guān)設(shè)備房間由于連接器受損，端子短路產(chǎn)生了電弧放電，并引發(fā)火災(zāi)，火災(zāi)擴散到相鄰的3間開關(guān)設(shè)備房間，造成110 kV和400 kV廠外電力喪失7.5 h[5]。絕緣故障可導(dǎo)致輸電線保護動作或引發(fā)相—電弧放電及火災(zāi)，容易引發(fā)更嚴重的事故。建議定期檢查輸電線路系統(tǒng)的絕緣可靠性，及時更換存在缺陷的設(shè)備或接線，防止絕緣老化失效。

2000年9月27日，美國Diablo Canyon核電廠非安全母線失效導(dǎo)致火災(zāi)并喪失廠外電[6]。我國秦山三期2號機組2003年10月23日發(fā)生了一起類似事件，6.3 kV母線D進線變壓器5314-T4因變壓器C相至B相繞組之間的電纜接頭發(fā)熱熔斷，被燒斷的電纜擺動造成相間間斷性短路，變壓器跳閘。6.3 kV母線D的主要負荷2號循環(huán)水泵和2號主凝結(jié)水泵跳閘。短路過程中造成系統(tǒng)低電壓，儀用壓空空壓機跳閘。秦山三期的運行事件并未導(dǎo)致喪失廠外電，但與美國Diablo Canyon核電廠喪失廠外電事件發(fā)生原因類似，即電纜接頭采用安裝螺栓壓接式接頭、繞組和電纜都是銅導(dǎo)體但采用鋁接頭，接頭松動造成接觸不良；另一方面接頭材料的選擇不當造成接觸電阻大，同時兩種不同的材料熱效應(yīng)差異也會造成連接的松動問題。

4 經(jīng)驗反饋及建議

可靠的廠用電系統(tǒng)對于降低運行核電廠事故風(fēng)險至關(guān)重要。通過以上核電廠喪失廠外電事件的統(tǒng)計分析，根據(jù)發(fā)生事件的原因，提出以下幾點建議：

1）根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗反饋，外電網(wǎng)易受氣候及人為因素影響，建議運行核電廠做好氣象災(zāi)害預(yù)警，合理安排生產(chǎn)、試驗計劃，做好應(yīng)急準備。核電廠應(yīng)與設(shè)備制造商、外部電網(wǎng)公司、地方政府加強交流，提高外電網(wǎng)供電可靠性。

2）核電廠應(yīng)完善外電網(wǎng)輸電線路所經(jīng)過的山林區(qū)域的管理，消除火災(zāi)安全隱患，確保輸電線路可靠運行。

3）運行部門應(yīng)嚴格執(zhí)行定期試驗要求，加強電氣設(shè)備巡檢，及時消除缺陷。電氣設(shè)備涉及專業(yè)面廣，在處理電氣設(shè)備故障時，應(yīng)全方面考慮，避免不恰當?shù)木S修或改造引入新的設(shè)備缺陷。

4）校核母線電流負荷及熱負荷，提高線路裕度。對輸電線路薄弱點進行改進，防止局部熱負荷過高；定期檢查輸電線路系統(tǒng)的絕緣可靠性，及時更換存在缺陷的設(shè)備或接線，防止絕緣老化失效。

5）做好電氣設(shè)備房間的火災(zāi)預(yù)防、隔離，及時滅火，防止火災(zāi)通過通風(fēng)系統(tǒng)或輸電線纜擴散到其他房間引起更嚴重的事故。

6）營運單位或核安全監(jiān)管部門應(yīng)審查現(xiàn)有電氣設(shè)備相關(guān)的調(diào)試程序、試驗規(guī)程和隔離規(guī)程，對其進行充分的風(fēng)險分析。在進行試驗前做好工作準備，防止在設(shè)備安裝、調(diào)試和試驗時由于操作規(guī)程不完善造成電力供應(yīng)失效。

7）提高運行檢修人員的風(fēng)險意識，做好操作自檢，對操作人員進行電氣系統(tǒng)相關(guān)的培訓(xùn)，加強經(jīng)驗交流，減小人因失誤。

[1] 廣東核電培訓(xùn)中心.900 MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備（第1版）[M].北京：原子能出版社，2007.1.（Training Center Of Guangdong Nuclear Power. Devices & Systems of 900MW PWR[M]. Beijing: Atomic Energy Press，2007.1）

[2] IRS Number:1365，PARTIAL LOSS OF OFFSITE POWER，INTERNATIONAL INCIDENT REPORTING SYSTEM (IRS)，Date of Receipt: 1993-09-06.

[3] IRS Number:1502，EXCESSIVE COOLDOWN AND DEPRESSURIZATION OF THE REACTOR COOLANT SYSTEM FOLLOWING A LOSS OF OFFSITE POWER (NRC INFORMATION NOTICE 95-04)，Date of Receipt: 1995-06-19.

[4] IRS Number:7712，THREE-UNIT TRIP AND LOSS OF OFFSITE POWER AT PALO VERDE NUCLEAR GENERATING STATION (NRC INFORMATION NOTICE 2005-15)，Date of Receipt: 2005-08-22.

[5] IRS Number:1183，SHORT CIRCUIT IN 6.6 kV BUSBAR BY ARCING AND FIRE IN SWITCHGEAR CUBICLES，Date of Receipt:1992-01-06.

[6] IRS Number:7410，NON-VITAL BUS FAULT LEADS TO FIRE AND LOSS OF OFFSITE POWER (NRC INFORMATION NOTICE 2000-14)，Date of Receipt: 2000-12-20.

Operating Experience Feedback on Lose of Offsite Power Supply for Nuclear Power Plant

JIAO Feng，HOU Qin-mai，CHE Shu-wei
(Nuclear and Radiation Safety Center, Ministry of Environment Protection，Beijing 100082, China)

The function of the service power system of a nuclear power plant is to provide safe and reliable power supply for the nuclear power plant facilities. The safety of nuclear power plant power supply is essential for nuclear safety. The serious accident of Fukushima Daiichi nuclear power plant occurred due to loss of service power and the ultimate heat sink. The service power system has two independent offsite power supplies as working power and auxiliary power. This article collected events of loss of offsite power supply in operating nuclear power plants at home and abroad, and analyzed the plant status and cause of loss of offsite power supply events, and proposed improvement measures for dealing with loss of offsite power supply.

lose of offsite power supply；operating experience feedback

TM623 Article character: A Article ID:1674-1617(2013)02-0186-04

TM623

A

1674-1617(2013)02-0186-04

2013-03-27

焦 峰（1985—），男，山西晉城人，工程師，熱能工程專業(yè)。