EPR三代核電廠常規(guī)島直流系統(tǒng)研究及優(yōu)化

摘 要：EPR三代核電廠機組常規(guī)島直流系統(tǒng)LAW/LAV主要是向交流不間斷電源、常規(guī)島配電盤、發(fā)變組保護等設(shè)備提供動力、控制和保護電源。當前常規(guī)島直流系統(tǒng)LAW/LAV僅有一路充電裝置電源，當充電裝置發(fā)生故障時，完全由蓄電池帶載，無其他電源可用。為解決常規(guī)島直流系統(tǒng)LAW/LAV的充電裝置故障導致下游重要負荷失電的問題，同時提升常規(guī)島直流系統(tǒng)LAW/LAV的電源冗余性及可靠性，需要為常規(guī)島直流系統(tǒng)新增備用充電裝置。鑒于此，介紹了一種增加熱備用充電裝置的設(shè)計方式，可提升EPR三代核電廠常規(guī)島直流系統(tǒng)LAW/LAV的電源可靠性及冗余性。

關(guān)鍵詞：直流系統(tǒng)；備用充電裝置；優(yōu)化

中圖分類號：TM645.1" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）18-0016-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.18.004

0" " 引言

核電廠的直流系統(tǒng)在電廠占有較為重要的地位，它的主要功能是向電氣傳動裝置、中低壓配電盤、繼電保護裝置、交流不間斷電源等重要設(shè)備提供動力、控制、保護電源，它的可靠性直接關(guān)系到各個電氣系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行，直流系統(tǒng)的不可靠及故障將直接或間接導致設(shè)備停機、系統(tǒng)冗余性降低，甚至機組降功率等嚴重后果。文獻[1-2]介紹了直流系統(tǒng)在電站運行中的重要作用，一旦直流系統(tǒng)發(fā)生故障或者直流系統(tǒng)運行不可靠，均可能引發(fā)較為嚴重的后果，因此提高直流系統(tǒng)的可靠性對核電廠的重要性不言而喻。本文主要研究某EPR三代核電廠常規(guī)島直流系統(tǒng)的組成、存在的問題及改進優(yōu)化措施。

1" " 系統(tǒng)構(gòu)成

文獻[3-4]介紹了常規(guī)電廠的直流系統(tǒng)設(shè)計、組成及原理，核電廠的直流系統(tǒng)構(gòu)成與常規(guī)電廠相似。文獻[5-7]介紹了核電廠直流系統(tǒng)的設(shè)計，核電廠直流電源系統(tǒng)由交流配電盤引來交流電經(jīng)蓄電池充電裝置整流成直流電向直流負荷供電，同時向蓄電池組浮充電，當失去交流電源或充電裝置故障時，蓄電池組保證在規(guī)定的時間內(nèi)能不間斷地向直流負荷供電。它通常由一組蓄電池和一臺或兩臺蓄電池充電裝置及直流配電盤組成。采用一臺充電裝置時，該充電裝置一般是高頻開關(guān)電源模塊形式，接線形式如圖1（a）所示；采用兩臺充電裝置時，該充電裝置一般是相控式充電形式，接線形式如圖1（b）所示。根據(jù)直流負荷的需求，電壓等級一般分為DC220 V/

110 V/48 V?？紤]到設(shè)備的成熟性及可靠性，現(xiàn)有核電廠直流系統(tǒng)的充電裝置大多選用相控式充電裝置，即圖1（b）的接線方式。

2" " 問題及分析

2.1" " 問題

某EPR三代核電廠常規(guī)島專設(shè)了三段直流系統(tǒng)LAW/LAV，主要功能是向交流不間斷電源、常規(guī)島配電盤、發(fā)變組保護等設(shè)備提供動力、控制和保護電源。2016年，常規(guī)島直流系統(tǒng)1LAW啟動過程中發(fā)現(xiàn)充電模塊故障，導致1LAW配電盤由蓄電池帶載，經(jīng)過緊急搶修，設(shè)備恢復正常運行，此時蓄電池帶載運行19 h（設(shè)計要求蓄電池帶載能力僅為2 h，該段時間許多連續(xù)負荷并未帶載），若充電裝置仍未完成維修，1LAW母線下游負荷將失電。常規(guī)島直流系統(tǒng)失去將導致常規(guī)島失去一套發(fā)電機、變壓器的電氣量保護，失去主變、廠變的非電量保護。

2.2" " 原因分析

常規(guī)島直流系統(tǒng)LAW/LAV電壓等級為DC220 V，為常規(guī)島動力、控制、保護負荷供電，其接線方式均為單母線接線，其中LAV為兩段單母線接線，LAW為一段單母線接線。如圖2所示，每單段母線系統(tǒng)由一臺相控式充電裝置、一組蓄電池、直流配電盤、放電回路組成。

當充電裝置故障時，直流母線只能由蓄電池帶載，蓄電池設(shè)計為2 h供電，容量為3 000 Ah，根據(jù)LAW/LAV的負荷清單測算，單段帶經(jīng)常連續(xù)運行負荷最大電流為178.2 A，蓄電池可使用約16 h，一旦蓄電池容量使用完，若故障仍未消除，直流母線將失電。同時常規(guī)島直流系統(tǒng)的設(shè)計方式不完全符合規(guī)范DL/T 5044—2014《電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》中第3.4.2節(jié)要求：“1組蓄電池時，充電裝置的配置應符合下列規(guī)定：采用相控式充電裝置時，宜配置2套充電裝置。”因此，現(xiàn)有直流系統(tǒng)存在供電電源單一，可靠性及冗余度不足的問題，需要對現(xiàn)有直流系統(tǒng)進行優(yōu)化和改進，提高其可靠性。

3" " 改進方案

按照一般方案進行設(shè)計，常規(guī)島直流系統(tǒng)LAW/

LAV共計3段母線，則每段直流母線新增一個備用充電裝置，設(shè)計方案為圖1（b）的形式，每段直流母線均有兩臺充電裝置，在一臺充電裝置故障后，另一臺充電裝置可馬上投入，解決一臺充電裝置故障可能導致直流母線失電的問題，系統(tǒng)的可靠性及冗余性大大提升，可解決常規(guī)島直流系統(tǒng)LAW/LAV的充電裝置故障導致下游重要負荷失電的問題。經(jīng)過現(xiàn)場尺寸測量及與設(shè)備尺寸對比，現(xiàn)場LAW/LAV直流盤所在房間空間狹小，僅能滿足安裝一臺充電裝置尺寸要求，其他電氣間也無多余空間滿足設(shè)備安裝要求。若要滿足安裝要求，需要將LAV直流盤對應房間的配電盤布局進行調(diào)整，涉及兩段直流配電盤及一個UPS配電盤位置調(diào)整，施工量包含大量土建和電氣施工，且要求的停電周期長達一個月，機組日常期間無窗口實施，大修期間實施將使得大修關(guān)鍵路徑延長，影響機組發(fā)電時長，經(jīng)濟性較差、施工成本極高，不滿足現(xiàn)場的實際要求。

其次，將單個系統(tǒng)作為一個整體考慮，LAV兩段母線作為整體，LAW一段母線作為一個整體，新增兩臺備用充電裝置，具體接線方式如圖3（a）（b）所示，云圖部分為新增部分，其中圖3（a）新增一臺備用充電裝置，通過新增加的聯(lián)絡(luò)開關(guān)連接兩單段直流母線，新增備用充電裝置為兩段母線的備用充電裝置，這樣也可解決一臺充電裝置故障可能導致直流母線失電的問題。與一般方案相比，該方案減少了一臺充電裝置，但因現(xiàn)場空間不足，仍需重新調(diào)整配電盤布局，施工量巨大且停電周期較長，不滿足現(xiàn)場的實際要求。

為了解決一臺充電裝置故障可能導致直流母線失電的問題，本文提出一個新的技術(shù)思路，新增一臺備用充電裝置作為三段母線的總備用，即“三用一備”的方式，具體如下：由于三段直流配電盤LAW/

LAV均在同一層樓，且位于相鄰房間，距離極近，可將LAW/LAV視為一個整體，新增一臺備用充電裝置給三段母線供電，方案如圖4所示。

云圖部分為新增設(shè)備，新增一臺總備用充電裝置，在每段母線上新增一個母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)，用于連接備用充電裝置，在一臺充電裝置故障后，備用充電裝置可馬上投入，解決一臺充電裝置故障可能導致直流母線失電的問題。這樣既可解決現(xiàn)場空間不足無法安裝多臺備用充電裝置的問題，又降低了成本，提高了系統(tǒng)可靠性。

考慮到LAW/LAV直流盤充電裝置故障時，蓄電池持續(xù)放電將導致母線電壓降低，需將備用充電裝置馬上投入，因此備用充電裝置將設(shè)置為熱備用狀態(tài)，即備用充電裝置持續(xù)運行，聯(lián)絡(luò)開關(guān)保持斷開狀態(tài)。與一般設(shè)計的備用充電裝置采用冷備用方式相比，熱備用縮短了送電時間，提高了系統(tǒng)可靠性。

母聯(lián)互鎖設(shè)計：母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)之間通過專用鑰匙互鎖，共用一套鑰匙，一次只能閉合一個開關(guān)，其他聯(lián)絡(luò)開關(guān)此時閉鎖分閘，可避免當2個或3個聯(lián)絡(luò)開關(guān)同時合閘時，發(fā)生兩段直流母線互串報警的問題。

運行方式：

正常運行模式：新增備用充電裝置與三條母線之間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)均斷開，備用充電裝置將設(shè)置為熱備用狀態(tài)。

故障模式：在主控或就地巡盤發(fā)現(xiàn)原充電裝置故障后，只需將故障回路配電盤進線斷路器分閘，隔離故障回路，再將對應聯(lián)絡(luò)開關(guān)解鎖后合閘，即可保證配電盤可用性。

檢修模式與故障模式相似，退出待檢修充電裝置，投入熱備用充電裝置。

共模故障情況分析：

（1）當備用充電裝置故障或停運時，LAW/LAV的三段母線失去總備用充電裝置，系統(tǒng)可靠性降低至設(shè)計前的水平；

（2）當原充電裝置故障或檢修時，備用充電裝置投入運行，另外兩段母線失去總備用充電裝置，系統(tǒng)可靠性降低。

在以上兩種工況發(fā)生時，疊加一個充電裝置發(fā)生故障的工況，且在蓄電池放電完成前，充電裝置未能恢復供電功能，此時導致一段直流母線不可用。

對于EPR三代機組常規(guī)島直流系統(tǒng)，它在設(shè)計上不直接承擔反應堆三大安全功能——反應性控制、余熱排出、放射性物質(zhì)包容，也不承擔其他的核安全功能。對于其他一般系統(tǒng)，設(shè)計只考慮為提高系統(tǒng)可靠性而增加相應的冗余度，不再考慮共模故障，因此新增備用充電裝置的方案能達到提高直流系統(tǒng)可靠性及冗余性的目的。

4" " 改進效果

常規(guī)島直流系統(tǒng)LAW/LAV于2021年完成了兩臺機組的全部現(xiàn)場優(yōu)化改造，實施完成后，新增熱備用充電裝置的各項參數(shù)（紋波系數(shù)、穩(wěn)壓精度等）均滿足標準要求，在試驗期間也模擬了充電裝置各種運行工況，具體情況如表1所示。

由表1可知，在備用充電裝置單機空載運行及帶載運行時，配電盤均可正常運行及顯示電流、電壓等參數(shù)，各項測試值也均滿足要求；備用充電裝置和原充電裝置并機空載運行及帶載運行各項參數(shù)也滿足現(xiàn)場要求。同時也測試了帶蓄電池組的兼容情況，結(jié)果表明系統(tǒng)運行良好，達到了設(shè)計的預期要求。

模擬現(xiàn)有充電裝置故障工況，具體如表2所示，在一臺充電裝置因故障突然斷開或停機時，熱備用充電裝置投入使用，無論是否帶蓄電池組，系統(tǒng)運行均無異常，達到了設(shè)計的預期要求。

運行情況：在大修期間，原充電裝置和上游配電盤停電檢修，熱備用充電裝置正常投入使用，保障了直流配電盤的供電，這驗證了熱備用充電裝置的可靠性，也為后續(xù)原充電裝置檢修和上游配電盤停電檢修時間提供了保障，可不再受直流蓄電池容量制約；機組運行期間，在直流系統(tǒng)充電裝置故障后，熱備用充電裝置即可投入運行，提高了系統(tǒng)可靠性及冗余性。

5" " 結(jié)束語

本文以EPR三代核電廠常規(guī)島直流系統(tǒng)LAW/

LAV為例，分析了三代核電廠機組的常規(guī)島直流系統(tǒng)構(gòu)成以及存在的問題，基于現(xiàn)場實際情況，針對該問題提出以新增一臺備用充電裝置作為常規(guī)島直流系統(tǒng)總熱備用的系統(tǒng)性解決方案。新增備用充電裝置降低了因LAW/LAV系統(tǒng)電源故障導致下游重要負荷失電的風險，提升了EPR三代核電廠機組常規(guī)島直流系統(tǒng)LAW/LAV的電源可靠性及冗余性，為提高其他三代機組常規(guī)島直流系統(tǒng)的可靠性及冗余性提供了解決方案及成功范例。

[參考文獻]

[1] 王勤.直流系統(tǒng)對變電站安全運行的重要性分析[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2014，33（36）：94-95.

[2] 楊敏敏.由一起直流系統(tǒng)突發(fā)故障解析直流系統(tǒng)配置的重要性[J].通訊世界，2014（17）：121-122.

[3] 王海東，楊楠，張國龍.發(fā)電廠直流系統(tǒng)淺析[J].山東煤炭科技，2008（4）：91-92.

[4] 劉劍飛.直流系統(tǒng)的基本運行與維護[C]//第二屆“科協(xié)文化——中關(guān)村論壇”論文集，2013：175.

[5] 電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程：DL/T 5044—2014[S].

[6] 核電廠直流電力系統(tǒng)設(shè)計推薦實施方法：GB/T 14546—2008[S].

[7] 核電廠廠用電系統(tǒng)設(shè)計準則：NB/T 20051—2011[S].

收稿日期：2023-05-19

作者簡介：吳瀟偉（1994—），男，湖北天門人，電氣中低壓助理工程師，研究方向：中低壓交直流系統(tǒng)。