低溫供熱堆電氣系統(tǒng)可靠性分析

楊磊　于宏　王靜

摘? ?要：以低溫供熱堆電氣系統(tǒng)為研究對(duì)象，運(yùn)用故障樹(shù)分析方法，分析了該系統(tǒng)的可靠性，建造了正常交流系統(tǒng)ENA母線、備用交流配電系統(tǒng)EEA母線以及應(yīng)急交流不間斷系統(tǒng)EUA母線的失電故障樹(shù)，使用RiskSpectrum程序，定性以及定量的評(píng)價(jià)了電氣系統(tǒng)的可靠性，給出了支配性最小割集以及頂事件概率，并做了重要度以及敏感性分析。

關(guān)鍵詞：電氣系統(tǒng)? 可靠性? 故障樹(shù)

中圖分類號(hào)：TM07? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）06（b）-0086-03

低溫供熱堆是專用供熱小堆，將反應(yīng)堆的熱量通過(guò)兩級(jí)換熱，傳遞給供熱回路與熱網(wǎng)直接連接，將熱量輸送到千家萬(wàn)戶。低溫供熱堆的電氣系統(tǒng)承擔(dān)了向安全級(jí)重要負(fù)荷及非安全級(jí)負(fù)荷的供電功能，其安全性與可靠性十分重要。

使用故障樹(shù)分析方法評(píng)價(jià)系統(tǒng)的可靠性，可識(shí)別出系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，支持其設(shè)計(jì)優(yōu)化、方案評(píng)價(jià)及選擇。王朝貴等人對(duì)大亞灣核電站全廠斷電事故及第5臺(tái)應(yīng)急柴油機(jī)改進(jìn)項(xiàng)目進(jìn)行了PSA分析，表明全廠斷電引起的CDF較大，增加第五臺(tái)柴油機(jī)明顯降低CDF，而柴油機(jī)的接入時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)降低CDF有較大影響[1]。周春林等人應(yīng)用Risk Spectrum軟件以高通量實(shí)驗(yàn)堆供電系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用PSA方法定量評(píng)估了反應(yīng)堆供電系統(tǒng)失效概率及失效模式，為供電系統(tǒng)變更、升級(jí)和改造提供了重要參考[2]。本文采用故障樹(shù)分析方法，評(píng)價(jià)低溫供熱堆電氣系統(tǒng)的可靠性，為低溫供熱堆內(nèi)部事件一級(jí)PSA提供支持。

1? 系統(tǒng)描述

低溫供熱堆電氣系統(tǒng)由廠外電源系統(tǒng)和廠內(nèi)電源系統(tǒng)組成，如圖1所示。廠外電源由獨(dú)立的兩個(gè)線路組成，一路由10kV線路提供，另一路有220kV開(kāi)關(guān)站的一臺(tái)變壓器提供。正常運(yùn)行工況下，兩路電源同時(shí)工作，當(dāng)其中一路電源喪失后，另一路可以帶全部負(fù)荷。廠內(nèi)電源系統(tǒng)由廠內(nèi)交流電源系統(tǒng)和直流電源系統(tǒng)組成，廠內(nèi)交流電源系統(tǒng)分為正常交流系統(tǒng)和備用交流電源系統(tǒng)。直流電源系統(tǒng)包含兩個(gè)獨(dú)立部分：1E直流系統(tǒng)和非1E級(jí)直流系統(tǒng)。

正常交流系統(tǒng)分為10kV正常配電系統(tǒng)和220/380V正常配電系統(tǒng)。廠內(nèi)交流電源系統(tǒng)由兩路10kV廠外電源供電。10kV中壓供電系統(tǒng)分為EMA、EMB兩個(gè)母線段，采用單母線接線，中間設(shè)置聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān);正常運(yùn)行時(shí)，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)，兩個(gè)母線段各帶一半用電負(fù)荷，當(dāng)其中一路發(fā)生故障時(shí)，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)閉合，另一路可以帶全部負(fù)荷。廠內(nèi)設(shè)置4臺(tái)10/0.4kV的干式變壓器，為相應(yīng)的低壓負(fù)荷提供正常低壓交流電源。主廠房共設(shè)置220/380V正常配電系統(tǒng)I段、II段、III段和IV段，分別為ENA、ENB、ENC、END。

供熱堆設(shè)置兩套相互獨(dú)立的非1E級(jí)柴油發(fā)電機(jī)組，柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源。與兩套柴油發(fā)電機(jī)組相對(duì)應(yīng)，設(shè)置220/380V備用交流配電系統(tǒng)A段（EEA）和B段（EEB），均采用單母線接線方式，進(jìn)行實(shí)體隔離，分別設(shè)置在不同的備用交流配電室內(nèi)。

非1E級(jí)直流電源系統(tǒng)（EDG、EDH）向10kV中壓開(kāi)關(guān)柜提供控制、保護(hù)及操作電源，電壓等級(jí)為110V，它無(wú)須實(shí)現(xiàn)任何安全相關(guān)的功能。1E級(jí)直流電源和UPS系統(tǒng)有5個(gè)獨(dú)立的1E級(jí)220V直流蓄電池序列，分別為220/380V應(yīng)急交流不間斷配電系統(tǒng)（UPS）提供直流電源。與5個(gè)獨(dú)立的1E級(jí)直流電源相對(duì)應(yīng)的5個(gè)相互獨(dú)立的應(yīng)急不間斷電源通道（EUA、EUB、EUC、EUD、EUE）中，EUA、EUB、EUC用于為保護(hù)系統(tǒng)、核測(cè)量系統(tǒng)、安全照明和1E級(jí)DCS系統(tǒng)等供電;EUD、EUE用于一、二回路和反應(yīng)堆大廳等的電動(dòng)閥門供電。

2? 系統(tǒng)模型建立

2.1 頂事件及成功準(zhǔn)則

選取重要的三根母線ENA、EEA以及EUA母線建立故障樹(shù)分析，頂事件為ENA、EEA以及EUA母線供電失效，成功準(zhǔn)則為三根母線有電。

2.2 基本假設(shè)及共因分析

故障樹(shù)建模時(shí)遵循如下假設(shè)。

（1）任務(wù)事件取24h。

（2）變壓器、柴油發(fā)電機(jī)組等設(shè)備的支持系統(tǒng)（包括冷卻和控制）的故障體現(xiàn)在由統(tǒng)計(jì)得到的故障數(shù)據(jù)中，不再單獨(dú)建模處理。

（3）不考慮設(shè)備的維修。

（4）不考慮操縱員的干預(yù)。

共因失效模型選用多希臘字母（MGL）模型，具體考慮的共因失效如下：

（1）考慮連接應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的斷路器共因拒合。

（2）考慮應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組共因運(yùn)行失效<1h。

（3）考慮應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組共因運(yùn)行失效>1h。

（4）考慮應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組共因啟動(dòng)失效。

（5）考慮ENC母線與EEA母線間的斷路器共因拒開(kāi)（近ENC母線側(cè)）。

2.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

設(shè)備失效的數(shù)據(jù)選自美國(guó)核管會(huì)的NUREG/CR-6928[3]，共因失效數(shù)據(jù)選自NUREG/CR-5497[4]。

表1列出了部分設(shè)備的失效模式及數(shù)據(jù)。

2.4 故障樹(shù)

使用RiskSpectrum軟件，根據(jù)電氣系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖，建立電氣系統(tǒng)故障樹(shù)模型。低溫供熱堆電氣系統(tǒng)共構(gòu)建了3棵主故障樹(shù)，7棵子故障樹(shù)。以EUA失效為例，其故障樹(shù)圖如圖 2所示。

3? 結(jié)果與分析

3.1 MCS分析

母線不可用度及支配性最小割集如下，只列出占比較大的前幾項(xiàng)。

由最小割集分析的結(jié)果可知，對(duì)ENA母線，最重要的失效模式是配電盤失效，占總不可用度的69%，其次是各種原因?qū)е碌耐怆娋W(wǎng)喪失，占總不可用度的29%;對(duì)EEA母線，最重要的失效模式是配電盤失效，占比高達(dá)91%;對(duì)EUA母線，最重要的模式是配電盤失效，約占頂事件發(fā)生概率的68%，其次是斷路器誤動(dòng)作，占比約為27%。

3.2 重要度分析

重要度分析的目的是確定對(duì)系統(tǒng)不可用度貢獻(xiàn)的重要性，常用的重要度有FV重要度、風(fēng)險(xiǎn)減少因子RDF與風(fēng)險(xiǎn)增加因子RIF。

FV重要度是指包含該特定硬件失效對(duì)失效概率的貢獻(xiàn)份額，F(xiàn)V重要度的計(jì)算公式如下：

式中，F(xiàn)Vi為包含基本事件i的所有最小割集的不可用度之和，F(xiàn)為頂事件的不可用度。

RDF表示該特定硬件肯定不失效，系統(tǒng)失效概率的降低率，RDF的計(jì)算公式如下：

式中，F(xiàn)（qi=0）為基本事件i故障概率為0時(shí)的頂事件的不可用度，F(xiàn)為頂事件的不可用度。

RIF表示該特定硬件失效已經(jīng)發(fā)生時(shí)系統(tǒng)失效概率的增加率，RIF的計(jì)算公式如下：

式中，F(xiàn)（qi=1）為基本事件i已經(jīng)失效時(shí)的頂事件的不可用度，F(xiàn)為頂事件的不可用度。

重要度分析的結(jié)果表明配電盤運(yùn)行失效是系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，需加強(qiáng)對(duì)配電盤的定期檢修。

3.3 敏感性分析

敏感性分析可表征單一基本事件對(duì)頂事件發(fā)生頻率的敏感度。靈敏度的計(jì)算公式是：

式中，表示基本事件的參數(shù)乘以敏感性因子后的頂事件的不可用度，表示基本事件的參數(shù)除以敏感性因子后的頂事件的不可用度。

由敏感性分析的計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)ENA母線，靈敏度最大是配電盤運(yùn)行失效，其次是惡劣天氣導(dǎo)致外電網(wǎng)喪失;對(duì)EEA母線，靈敏度最大是配電盤運(yùn)行失效，其次是變壓器運(yùn)轉(zhuǎn)失效;對(duì)EUA母線，靈敏度最大是配電盤運(yùn)行失效，其次是斷路器誤動(dòng)作。

4? 結(jié)語(yǔ)

對(duì)低溫供熱堆電氣系統(tǒng)進(jìn)行故障樹(shù)分析，經(jīng)過(guò)計(jì)算，分析系統(tǒng)失效的最小割集、重要度以及敏感度，可得出如下結(jié)論：

（1） 該系統(tǒng)的可靠性很高，滿足設(shè)計(jì)要求和目標(biāo)。

（2） 配電盤運(yùn)行失效是最重要的故障模式，需重點(diǎn)關(guān)注，加強(qiáng)對(duì)配電盤的定期檢修，提高配電盤的可靠性，可顯著提升供電系統(tǒng)的可靠性。

（3） 重要度分析與靈敏度分析表明，外電網(wǎng)喪失、變壓器以及斷路器的失效也需重點(diǎn)關(guān)注。

參考文獻(xiàn)

[1] 王朝貴，郭建兵.大亞灣核電站全廠斷電事故及第5臺(tái)應(yīng)急柴油機(jī)的概率安全評(píng)價(jià)[J].核動(dòng)力工程，2004， 25（4）：324-327.

[2] 周春林，張江云，鄭大吉，等.HFETR供電系統(tǒng)概率安全評(píng)價(jià)[J].核科學(xué)與工程，36（1）：27-34.

[3] Eide S A， Wierman T， Gentillon D， et al. NUREG/CR-6928： Industry-Average Performance for Components and Initiating Events at US Commercial Nuclear Power Plants[J]. US Nuclear Regulatory Commission， Washington， DC， 2007.

[4] Marshall F M， Rasmuson D M， Mosleh A.Common-cause parameter estimations， NUREG/CR-5497[J]. US Nuclear Regulatory Commission， Washington， DC ，2012.