秦山核電廠安全電源可靠性分析

TheReliabilityAnalysisofSafetyPowerSourceinQinshanNuclearPowerPlant

吳舜華（秦山核電公司，浙江海鹽，314300）摘要
介紹秦山核電廠安全電源、安全電源的3個上級電源的關系，根據實際運行分別分析了影響3個電源可靠性的因素，并分別提出了改進措施，有的已經實施，有的準備實施，有的還需進一步研究。
關鍵詞安全電源應急電源快速切換
Abstract：Thispaperintroducesthesafetypower
source,the3upperlevelpowersourcesofsafetypowersourcesofQinshan
NuclearPowerPlantandtheirrelationships,analyzesfactorsaffecting
thereliabilityofthreepowersourcesbasedonthepracticaloperation
experiences,andputsforwardimprovementmeasures,ofwhich,somehave
beenimplemented,somearereadyforimplementation,andtheothersstill
needfurtherstudies.Keywords：SafetypowersourceEmergencypower
sourceRapidswitchover1安全電源的現狀
核電廠的安全電源是給反應堆專設安全設施等1E級負荷供電，為停堆、安全殼隔離、堆芯冷卻、安全殼和反應堆熱量導出以及防止放射性物質泄漏的系統設備提供所需的電力。安全電源是非常重要的電源，要求它非常可靠。運行安全技術規格書對其運行作了嚴格的規定，如：交流電源中有一路廠外電和一套柴油發電機組不可運行時，在1小時內執行監測要求（檢查斷路器控制回路狀態指示等）以證實剩余的交流電源的可運行性，并且以后每8小時監測驗證一次；須在12小時內至少使不可運行的電源中的一個恢復到可運行狀態，否則在此后的6小時內至少處于中間停堆A階段并且在隨后的30小時內降到冷停堆狀態。
秦山核電廠的安全電源由6kV安全I、II段和380V安全I-IV段組成，它們的上級電源有3個（如圖1）：第一電源，啟/備變，220
kV秦石2271線路經啟/備變給6kV公用段供電，由6kV公用段再給安全段供電；第二電源，高壓廠變，220kV秦雙2424線路、220
kV秦躍2428線路、本廠發電機經高壓廠變供6kV工作段，6kV工作段供6kV公用段，再供6
kV安全段；第三電源（應急電源），應急柴油發電機，1號、3號柴油發電機分別供6kV安全I、II段，2號柴油發電機通過切換可給6
kV安全I、II段供電。其安全電源供電順序為：正常運行由第一電源供電；當第一電源不可用時，通過6kV工作段和公用段的聯絡開關，把6
kV公用段自動切換到6kV工作段供電，即轉到第二電源供電；當第二電源也同時不可用時，啟動應急柴油發電機，自動合閘到6
kV安全母線，按程序自動帶載。
由于安全電源設置了3道電源，具有足夠的獨立性、多重性和可試驗性，相互之間切換邏輯清楚，比較可靠，運行十多年來，在反應堆運行期間還未發生過安全電源全部喪失的事故。但也發生過第一、第二電源喪失，第三電源（應急電源）啟動的事件，說明我廠的安全電源存在著薄弱環節。
3個電源中應急電源的級別最高，是1E級，其他兩個電源是非1E級，在電網事故或其他事故中，第一、第二電源有可能失去，在此時應急電源是反應堆停堆后能繼續得到冷卻的最后保證，所以應急電源必須保證非常高的可靠性，在核電廠的生產活動中諸如運行、檢修、試驗、設備管理、更新改造等要特別關注，要嚴格按照技術規范書的要求進行生產活動。但是我們也不能輕視其他兩個電源，只有提高了這兩個電源的可靠性，才能減輕應急電源的壓力，才能從整體上確保核電廠安全。另從經濟性來考慮，第一、第二電源可靠性不高，后果是停堆停機次數的增加，所以在生產活動中也要對它們予以高度重視。本文根據秦山核電廠的實際狀況，對3個電源進行分析，從更新改造的角度提出一些對策。
2第一電源的可靠性分析和對策第一電源是220kV秦石2271線路、啟/備變和6kV公用段，2271線路從上海金山石化西區變電站引接，經57
km的架空線路接入我廠。由于實體隔離的需要，220
kV母聯開關斷開運行，所以此路電源是單線路單變壓器運行，無論從理論分析和實際情況，這種供電方式是最不可靠的一種方式。特別是57
km的架空線路，可靠性最低，運行以來，曾發生過一起大霧絕緣子污閃跳閘、一起雷擊線路跳閘、一起對側開關故障緊急檢修而停運。啟/備變和6
kV公用段由于在廠內，故障停運率較低，事故有：安裝施工時啟/備變差動保護接線錯誤，在區外短路時誤跳變壓器；6
kV公用段和安全段發生諧振，電壓互感器一次熔絲熔斷，低電壓保護動作跳閘，針對這兩起事件已采取措施。所以要提高第一電源的可靠性，主要是提高220
kV電源的可靠性。可能的改造方案有兩個。
方案一：把2271線路就近改接到浙江電網（南湖變電所或嘉興發電廠），架空線路的距離可減少一半，遭雷擊等故障的可能性減小，線路本身的可靠性增加。投資也不大，原架空線路在南湖變電所和嘉興發電廠之間穿過，大部分原線路還可利用，需要增加一臺開關和相應的保護。從電源可靠性分析，原從上海電網引接安全電源，考慮到當時浙江北部電網相對比較弱，220
kV變電所少，沒有發電廠，安全電源需要獨立可靠，所以從上海接。但近幾年浙北電網大大加強了，秦山周圍增加了220
kV躍新變電所，嘉興電廠、秦山二期、三期相繼投入運行，550
kV王店變電所也投入運行，浙北電網全網失電可能性幾乎沒有，所以可以從南湖變電所或嘉興發電廠引接安全電源。這樣，浙北電網非常可靠，新線路比原線路可靠，因此，整體可靠性就提高了。
方案二：可在方案一的基礎上，從秦山三期接一路220kV電源，實現兩路電源并聯運行（如圖2），克服單電源的缺點。秦山三期距離我廠1
km，所以線路投資少，再增加兩臺開關和一套保護，投資也不大。此方案使一、二、三期安全電源相互備用，因為二、三期的啟動/備用電源也是單電源結構（從220
kV躍新變接），可大大增加一、二、三期安全電源可靠性。但此方案要在方案一的基礎上才成立，因為上海、浙江電網220
kV開環運行，不允許并列運行。如果我們接在上海電網，即使把三期的220kV拉過來，但不能并聯運行，就起不到增加可靠性的作用。3
第二電源的可靠性分析和對策我廠安全電源的第二電源為：高壓廠變和6kV工作段。正常運行時啟/備變帶6kV公用段運行，高壓廠變帶6
kV工作段運行，6kV工作和公用段的聯絡開關斷開，當啟/備變失電時，6kV工作和公用段的聯絡開關自動合上，由6
kV工作段向公用段供電。對安全電源實現了從第一電源到第二電源的切換。
高壓廠變上級有3個電源（2424線路、2428線路、發電機），失電的可能性較小，變壓器本身和6
kV工作段配電裝置也比較可靠，第二電源的最薄弱點在自動切換上。由于當時技術條件的限制，我廠采用的是慢速切換，切換時間2.2
s，當啟/備變失電時，低電壓保護0.5s跳開負荷，應急柴油機0.5
s啟動，對正常運行的電廠是一個很大的擾動，電源切換成功后，跳開的負荷需手動恢復。發生這種情況，設計上是不停堆的，但由于電廠瞬間受到很大的擾動，運行人員如果應對失誤，還是有可能停堆的。1997年8月大臺風時，發生此種情況，由于惡劣的天氣，壓空負荷和水廠負荷跳開后未能及時送電造成停堆。所以慢速切換是最大的不可靠點，即使切換成功，還會對電廠的安全性、經濟性產生很大的影響。
目前廠用電源快速切換裝置技術已成熟，在發電廠、變電所廣泛運用，巴基斯坦恰希瑪核電廠也采用了快速切換裝置。所以要提高第二電源的可靠性，首先要把慢速切換改為快速切換，現在的快速切換裝置可在幾十毫秒內完成切換，如果發生啟/備變失電，6
kV公用段、安全段可在幾十毫秒內恢復供電，低電壓保護來不及動作，柴油機也來不及啟動，切換過程對電廠沒有任何擾動，可大大提高電廠的安全性和可靠性。
有了快速切換裝置，我們就有更全面更好的改造方案。前面已分析了220
kV秦石2271線路失電可能性高，改造要投資、要和各方協調，我廠暫時無計劃。秦石2271線路失電后，由快速切換裝置無擾動切換以彌補，但如果切換不成功，就得啟動應急電源。能不能盡量少地啟動切換？把第一和第二電源調換一下，就可解決此問題。如圖3，正常運行6
kV工作、公用段聯絡開關合上，啟/備變6
kV側開關斷開熱備用，高壓廠變帶電廠所有的負荷，這樣高壓廠變成為安全電源的第一電源，啟/備變空充熱備用作為第二電源；當高壓廠變失電時，把安全電源（或全部電源）快速切換到啟/備變運行；啟/備變失電，對電廠無任何擾動，盡快恢復即可；高壓廠變和啟/備變同時失電再啟動應急柴油發電機。由于高壓廠變比啟/備變可靠，所以自動切換的次數大大減少。此改造方案不需對一次設備進行投資，只在二次系統設備上進行改造，具有投資省、見效快的優點，是我們目前提高安全電源可靠性的首選方案。
4應急柴油發電機的可靠性分析和改進應急柴油發電機組作為最后的應急電源，當6kV安全段失電后立即啟動，在12s內達到額定電壓和額定頻率，如果6
kV安全段在失電4
s內還未恢復供電，則柴油發電機根據程序自動合到安全母線上，自動帶載。整個應急柴油發電機系統（包括自動帶載程序）是一個機電儀一體的綜合系統，影響它的可靠性因素太多。單從電氣系統來分析，有發電機本體、啟動控制回路、啟動蓄電池、啟動電機、勵磁系統、出口開關及控制回路、繼電保護系統等，任何一個環節出故障就影響其可靠性，要保證其高的可靠性，確實需要電廠各部門加倍努力。
我廠柴油發電機電氣系統運行以來為提高可靠性作了不少的變更，分述如下：
－增加安全段與公用段的同期裝置：原安全段與公用段之間沒有同期裝置，公用段失電，柴油發電機啟動帶載穩定運行，這時公用段恢復供電，想把安全段也恢復到公用段供電時，由于二者之間沒有同期裝置，只能停柴油機，再恢復安全段，造成安全段第二次失電。所以在安全段與公用段之間增加了同期裝置，避免此情況的發生。
－增加控制電源報警：原設計中機房內的控制電源（如：啟動控制電源、勵磁控制電源、儀表電源等）只在就地機房內設置失電報警，在主控室沒有報警。就地機房又沒有24小時值班，就會發生控制電源失去、柴油機不可利用而無人發現的情況。所以增加控制電源報警到主控室，能及時發現控制電源失去的缺陷。
－增加出口開關不可利用信號：柴油發電機系統正常投入熱備用時，其出口開關也投入熱備用，隨時準備應急合閘。但如果此時開關不在正確的位置，需要應急備用時開關就不能合閘，所以增加在熱備用狀態下開關不可利用的信號，實時監測。
－蓄電池充電器改造：我廠柴油機是由蓄電池啟動，蓄電池要有充電器來維持電力。原充電器無限流措施，為防止柴油機啟動時充電器電流過大而損壞，采用定期充電方式，這樣常常引起電池充電不足，使電池放電量減少，壽命縮短。所以把蓄電池充電器改造為帶限流功能的新型充電器，可以采用浮充方式運行，保證蓄電池有充足的電量。
－增加同期旁通回路：原設計中發電機出口開關合閘有兩種方式，一是應急合閘，有于安全段失電，柴油機啟動后判斷安全段無電時，自動合閘；二是同期合閘，用于定期試驗，安全段有電，柴油機啟動，同期合閘、帶載，驗證柴油機的功能。在電廠換料大修時，控制出口開關自動合閘的兩套專設屏都停電檢修，而此時還需一臺柴油機作備用。就會出現安全段失電，柴油機啟動，但專設屏在檢修不能自動合閘；安全段無電又不能同期合閘，柴油機起不到真正的備用作用。所以增設同期旁通回路，在專設屏停電期間，投入旁通回路，在安全段失電柴油機啟動后，能手動合閘，保證柴油機能真正起到備用作用。
通過上述不斷改造，應急柴油發電機的可靠性也在不斷地提高，目前從實際運行情況分析，在電氣系統上還存在一些可能導致應急柴油機失效的環節，需要在下列方面再進行改進：
－蓄電池運行環境差：蓄電池房間通風條件差，降溫措施不夠，運行中發生電池爆裂事件，需要對蓄電池的環境進行改進，增加通風、降溫措施。
－2號柴油機控制電源切換不同時：2號機可作為A、B通道的備用，投入A通道時，相應的直流、交流控制電源也要投到A通道；投入B通道時，相應的直流、交流控制電源也要投到B通道。現在交流、直流用兩把雙頭閘刀進行切換，會引起不同時切換，或引起交、直流投入不同的通道，違反相互隔離的原則。所以須改為交、直流同時切換，或者不同時切換時，向主控室發出報警。
－試驗狀態下柴油機轉為應急：柴油機按技術規格書要定期進行試驗，在現在的控制回路中，柴油機在試驗狀態下，如果發生"安注"或"失電"，柴油機不能自動復位到應急狀態。所以要對控制回路進行改進，以適應這種運行工況。
－繼電保護的設置：柴油發電機設置了一些直接跳閘的繼電保護，如果柴油發電機在應急狀態下保護誤動，直接影響應急電源的可靠性。可以進一步改進，對主保護（差動保護）可直接跳閘，其他保護應經三取二邏輯后跳閘，保證某個繼電器誤動時不會使柴油發電機跳閘。
－繼電保護定值：安全系統正常由第一或第二電源帶，即由大系統帶，其繼電保護定值根據大系統來計算并整定。但在應急狀態下，由柴油發電機帶，即小系統帶，兩者的短路容量相差很大，保護定值還按大系統來整定，會引起末端短路時保護達不到定值而不能及時切除故障。所以應采用兩套定值，隨一次設備自動切換。
以上對秦山核電廠安全電源的可靠性進行了分析，并提出了一些改進方法，有的已經實施，經實踐證明確實提高了安全電源的可靠性；有的我們正在準備實施；有的只是個設想。鑒于安全電源的重要性，我們要不斷發現安全電源可靠性方面的不足，不斷地進行改進。