AP1000 1E級UPS設(shè)備電路獨立性設(shè)計與驗證

鄒穎男，嚴振杰

(國核工程有限公司，上海 200233)

AP1000 1E級UPS設(shè)備電路獨立性設(shè)計與驗證

鄒穎男，嚴振杰

(國核工程有限公司，上海 200233)

AP1000 1E級的直流系統(tǒng)和不間斷電源(UPS)系統(tǒng)能夠為電廠的安全停機提供可靠的電源，且在單一故障的情況下，不會影響電廠的安全停機。為了確保任意序列安全系統(tǒng)在執(zhí)行功能時，尤其在事故工況下，不受其他序列的影響，AP1000核電站引入了IEEE 384《核電廠安全級電氣設(shè)備和電路獨立性準(zhǔn)則》，要求采用電氣隔離的方法確保每一序列的獨立性。重點介紹了IEEE 384對于電路隔離的要求，并加以分析。針對AP1000 1E級UPS設(shè)備電氣原理，從系統(tǒng)角度分析了IEEE 384要求的必要性，并提出了設(shè)計方案和驗收準(zhǔn)則等。試驗結(jié)果表明，該設(shè)計方案滿足電氣隔離的要求，不僅可推廣至后續(xù)AP1000堆型，而且可推廣至國內(nèi)外其他核電堆型。

核電； AP1000； IEEE 384； 電路獨立性； 1E級; 不間斷電源； 安全級； 可靠性

0 引言

AP1000核電機組是我國引進的第三代百萬千瓦級核電機組[1]。與傳統(tǒng)的壓水堆技術(shù)相比，AP1000的主要特征在于其采用了非能動的安全設(shè)計理念，故主要電氣系統(tǒng)的設(shè)計不同于二代核電機組。

AP1000 1E級的直流系統(tǒng)和不間斷電源(uninterruptible power supply，UPS)系統(tǒng)[2]為廠內(nèi)與安全相關(guān)的儀表、控制、檢測和其他停機時需要運行的重要設(shè)備提供可靠電源。當(dāng)發(fā)生與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)事故一致的、失去所有交流電源且沒有電池充電器支持的情況，1E級UPS系統(tǒng)能夠為電廠的安全停機提供可靠的電源。該直流系統(tǒng)和UPS在單一故障的情況下，不會影響電廠的安全停機。為了確保任意序列安全系統(tǒng)在執(zhí)行相應(yīng)的安全功能時，尤其在事故工況下，能不受其他序列影響，故采用電氣隔離的方法確保每一列的獨立性。

本文在充分研究了現(xiàn)有電氣隔離標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，將電氣隔離要求應(yīng)用到1E級UPS系統(tǒng)中，并通過試驗驗證了電氣隔離的可靠性。

1 電路獨立性設(shè)計準(zhǔn)則

根據(jù)IEEE 384 “Criteria for independence of class 1E equipment and circuits”[3]要求，為保持安全級電氣設(shè)備和電路的獨立性，核級和非核級之間應(yīng)進行實體隔離和電氣隔離，使得在任何設(shè)計基準(zhǔn)事故發(fā)生期間及之后，該安全級電氣設(shè)備和電路均能執(zhí)行所要求的安全功能。采用分隔距離、隔離裝置、屏蔽、布線技術(shù)或其任意組合，實現(xiàn)電路獨立性，以達到電氣隔離的要求。

安全級電氣設(shè)備和電路的獨立性不得因輔助支持設(shè)施的功能失效而受到損害。在設(shè)計時，應(yīng)把輔助支持設(shè)施(如加熱器)定義為與其支持的安全級系統(tǒng)同屬一個序列，以防止因某序列的機械功能失效而引起的另一序列電氣功能失效。

非安全級電源、控制和儀表電路應(yīng)增加相應(yīng)的隔離裝置，如圖1所示。

圖1 采用隔離裝置的電路圖

相關(guān)電路應(yīng)按相關(guān)電路或安全級的要求加以標(biāo)示，并能追溯到與其相關(guān)的安全級序列，即采用與相關(guān)的安全級電路相同的方式加以實體分隔。除非通過分析或試驗，證明非安全級相關(guān)電路不會導(dǎo)致安全級電路的性能降低至不可能接受的程度，否則相關(guān)電路均應(yīng)滿足安全級電路的要求。

在安全級系統(tǒng)與非安全級系統(tǒng)相連時，通過增加隔離裝置，可避免非安全級設(shè)備對安全級設(shè)備的影響。對于電力電路，可以選擇斷路器或熔斷器作為隔離裝置；對于儀表和控制電路[4]，則可以選擇放大器、控制開關(guān)、電流互感器、光纖耦合器、光-電耦合器、繼電器、轉(zhuǎn)換器、電源裝置、斷路器等作為隔離裝置。

2 AP1000 UPS設(shè)備獨立性要求與試驗方法

美國核管會(NRC)關(guān)注到：盡管在1E級和非1E級回路之間增加了隔離裝置，但由于敷設(shè)距離較近，非1E級電纜的故障仍可能耦合至1E級電纜。對此，西屋在設(shè)計時，同時考慮了交流和直流2種試驗條件。

在目前運行的核電站中，并未對直流電壓作要求，僅考慮了非1E級對1E級負荷供電回路的隔離要求。不同于二代加技術(shù)，AP1000電氣設(shè)計將向1E級負荷供電的電源從中壓變更為低壓。因此，交流和直流電纜被敷設(shè)在同一橋架中。

2.1 1E級直流和UPS系統(tǒng)設(shè)計基準(zhǔn)

1E級直流和UPS系統(tǒng)是全廠使用的1E級電源系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)遵循以下設(shè)計基準(zhǔn)。

①IDS系統(tǒng)滿足單一故障標(biāo)準(zhǔn)[5]。

②在所有交流電源完全停止工作后，系統(tǒng)有充足的電能確保電廠安全停堆達72 h，并在最初24 h內(nèi)無需甩負荷。

③IDS系統(tǒng)分為4個獨立序列，其中的任3列均能滿足安全停堆要求，且能維持安全停堆狀態(tài)。

④直流系統(tǒng)的4個通道應(yīng)滿足電氣隔離和實體隔離的要求，以保證1E級回路的獨立性，且單一可信事件不能導(dǎo)致冗余的安全系統(tǒng)失效。

某一序列1E級UPS系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 UPS系統(tǒng)示意圖

根據(jù)IEEE 384的要求，非1E級供電側(cè)的故障或異常運行工況(暫態(tài))不能影響對應(yīng)的1E級設(shè)備或下游的1E級設(shè)備。IEEE 384第5.10.2章節(jié)指出，“冗余的1E級設(shè)備和電路間應(yīng)保持獨立性，以使其安全功能的執(zhí)行不受火災(zāi)危險區(qū)的火災(zāi)影響”。根據(jù)圖2可知，1E級UPS系統(tǒng)中的充電器和調(diào)壓變壓器的上游供電電源來自非核級的主交流系統(tǒng)，且沒有額外的隔離裝置。相應(yīng)的電纜在低壓橋架系統(tǒng)內(nèi)與非1E級直流電纜非常接近。NRC曾進行過相應(yīng)的電纜火災(zāi)試驗。試驗結(jié)果表明，電纜在火災(zāi)中會發(fā)生以下3種情況：①多芯電纜內(nèi)部芯線之間的短路；②綁扎在一起的電纜之間的短路；③線芯對地的短路。

綜上所述，并結(jié)合在火災(zāi)中可能發(fā)生的直流電纜某一芯線搭接到交流電纜某一芯線上的情況，對AP1000的1E級充電器和調(diào)壓變壓器提出了直流故障電壓/電流的考核要求。

2.2 1E級UPS系統(tǒng)電路獨立性要求分析

1E級充電器和調(diào)壓變壓器在各種工況下的輸入電壓[6]如表1所示。

表1 各種工況下的輸入電壓

最大可信故障電壓和電流如下。

①交流電。電壓為459 VAC，電流為65 kA。

②直流電。電壓為300 VDC(基于非1E級直流系統(tǒng)均充電壓加上裕度)，電流為45 kA。

針對上述要求，1E級充電器和調(diào)壓變壓器的進線斷路器可以檢測到交流故障電壓和電流，并起到保護作用。對于直流故障電壓和電流，尤其是1E級調(diào)壓變壓器，在此工況下可能會對一次側(cè)繞組產(chǎn)生破壞。

2.3 電路獨立性驗證方法

①在敷設(shè)電纜時，將非核級的交流電纜和直流電纜獨立分開。其優(yōu)點是在物理層面實現(xiàn)了隔離，降低了設(shè)備的制造難度；缺點是需要增加額外的電纜橋架，對現(xiàn)場空間要求較高，實施難度較大。

②通過增加額外的保護元器件，滿足最大交流/直流故障電壓和電流。其優(yōu)點是不影響現(xiàn)場電纜敷設(shè)；缺點是增加額外的保護元器件，提高了設(shè)備制造難度和鑒定要求，并且存在一定設(shè)備選型和鑒定失敗的風(fēng)險。

③針對儀表回路，可以模擬搭建電路。在電路兩端施加最大置信故障電壓/電流，以測量回路中的實際電流，并選配相應(yīng)的保護元器件。其優(yōu)點是可以實際模擬真實情況，選擇更適合的保護器件；缺點是需要額外搭建試驗臺架。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 1E級充電器電路獨立性試驗結(jié)果

1E級充電器的輸出端連接2 400 Ah的蓄電池，因此，電壓暫態(tài)會被蓄電池組吸收。同時，充電器上安裝的電容也將吸收一部分能量。在1E級充電器的變壓器一次側(cè)進線處增加3個浪涌保護器，可將直流電壓和電流導(dǎo)入大地。

為了驗證浪涌保護器可以滿足設(shè)計功能要求，在1E級充電器輸入端施加直流故障電壓、電流。1E級充電器試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 1E級充電器試驗結(jié)果

當(dāng)直流故障電流施加在充電器輸入端時，浪涌元器件將能量導(dǎo)入大地，保證了充電器的輸出電壓小于350 VDC。綜上所述，增加了浪涌保護器的充電器可以耐受直流故障電壓/電流。

3.2 1E級調(diào)壓變壓器獨立性試驗結(jié)果

在1E級調(diào)壓變壓器的二次側(cè)輸出端的火線上連接浪涌保護器，試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 1E級調(diào)壓變壓器試驗結(jié)果

當(dāng)直流故障電流施加在調(diào)壓變壓器輸入端時，浪涌元器件將能量導(dǎo)入大地，保證了變壓器不受破壞。

綜上所述，增加了浪涌保護器的調(diào)壓變壓器可以耐受直流故障電壓/電流。

4 結(jié)束語

為了實現(xiàn)AP1000核電站在事故工況下的系統(tǒng)冗余，必須保證安全序列的電氣設(shè)備和電路獨立性，以確保在任何設(shè)計基準(zhǔn)事故發(fā)生期間及之后，該安全級電氣設(shè)備和電路均能執(zhí)行所要求的安全功能[7]。本文通過分析AP1000 1E級UPS設(shè)備電路獨立性的要求，結(jié)合對試驗結(jié)果的分析，論證了試驗結(jié)果滿足設(shè)計要求。該設(shè)計方案不僅可推廣至AP1000后續(xù)堆型，而且可推廣至國內(nèi)外其他核電堆型。

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

[2] 杜寶瑞.核電廠核島直流和UPS系統(tǒng)[J].自動化與儀器儀表,2012(6):178-180.

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

[4] 夏利民.核電站安全級DCS隔離設(shè)計研究[J].自動化博覽,2014(12):62-66.

[5] 何小明,李仁杰,于宏偉,等.核電廠儀控系統(tǒng)不間斷電源冗余方案的研究及維護[J].儀器儀表用戶,2016(1):32-36.

[6] 武斌.AP1000堆型與AES-91堆型直流及UPS系統(tǒng)對比分析[J].電工科技,2013(5):1-3.

[7] 杜志平.核電站核島電氣隔離準(zhǔn)則研究[J].科技視界,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

鄒穎男(1968—)，女，學(xué)士，高級工程師，主要從事第三代核電AP1000項目技術(shù)管理與采購管理工作,E-mail:zouyn@snpec.com.cn

TH-39; TP202

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201712019