核电厂稳压器安全阀再供电意义及问题分析

高 伟

（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300）

2011 年 3 月 11 日下午，日本东北部海域发生里氏 9 级强烈地震，地震发生时，福岛第一核电站的1、2、3号机组正在运行，4号机组正在换料大修，5、6号机组正处于定期停堆维修状态。地震发生后机组实现自动停堆，但电站的外电网由于地震全部瘫痪，各机组自身的应急柴油发电机紧急启动，但遭遇随之即到的巨大海啸袭击而失去所有电源供应，反应堆堆芯丧失强迫冷却手段，堆芯核燃料衰变产生的余热无法导出，导致部分堆芯熔化。随后部分厂房氢气聚集引发爆炸、起火，大量放射性物质外泄，造成核电历史上又一次重大的事故，也是人类的又一次灾难。

1 稳压器安全阀使用的意义

福岛事故发生以后，中国在役及在建核电站针对福岛事故进行总结整改工作，其中福岛事故后稳压器安全阀再供电工作作为堆芯余热排出重要手段，也是当中重要的整改工作之一。

根据福岛当时事故的背景，如果核电站发生全厂断电事故工况（SBO），如何顺利排出堆芯余热将成为事故处理首要工作。为应对极限事故工况堆芯冷却，核电站在保留原有安全措施的基础上增设了福岛事故后一、二回路等应急补水改造。当一回路自然循环可以建立且二回路紧急排热路径畅通，则首先考虑利用二回路排出堆芯余热，此时二回路应急补水产生作用；当二回路排热手段不可用时，为防止高压熔堆情况的发生，在严重事故管理导则中要求在综合评估泄压的好处和潜在风险的前提下，对一回路进行降压操作。通过开启稳压器安全阀使一回路的压力降低到一定水平。当成功实施一回路泄压后，则可根据相关规程和严重事故管理导则的要求，通过实施一回路应急补水，最终实现对堆芯的冷却。

当二回路排热手段不可用需要一回路补水操作时，如何确保稳压器安全阀的长时间开启成为一个很重要的环节，只有稳压器安全阀的可靠开启才能保证一回路的泄压和应急补水的注入，而同时保证稳压器安全阀的长时间开启才能确保应急补水带走热量流出，最终实现对堆芯的冷却。

2 稳压器安全阀介绍

2.1 稳压器安全阀组成

由3个安全阀组提供稳压器的超压保护。每一个阀组由串联安装的两台阀门组成：

1）一台提供卸压功能的上游阀门，称为“保护阀”。

2）一台提供隔离功能的下游阀门，称为“隔离阀”。

“本厂稳压器隔离阀为RCP017、018、019VP，稳压器超压保护阀为RCP020、021、022VP。在正常运行期间，保护阀关闭，隔离阀开启。在超压保护阀自动起跳开启后，一旦不能自动回座关闭时，则系统压力继续下降，下降到隔离阀关闭压力时，隔离阀自动关闭，隔离卸压管路，防止蒸汽的过量排放。RCP 系统在正常运行期间，所有超压保护阀都是关闭的，当它们达到各自的压力设定值时才自动起跳开启，排放卸压”[1]。

本厂使用的稳压器安全阀为法国生产的SEBIM安全阀，SEBIM安全阀为世界上技术先进的一类先导式安全阀，为压水堆核电厂最重要和复杂的一类阀门，是核岛一回路的最后一道压力屏障。它的低压保护功能使其在三哩岛事故后得到全世界核电站广泛的应用，可以说SEBIM安全阀是针对解决三哩岛事故工况发展起来的。稳压器安全阀的作用为：确保在RCP系统超压状况下将稳压器内压力及时释放，保证了系统及设备的安全；确保RCP系统在低压状态下及时关闭阀门，保护一回路压力，避免压力太低造成堆芯融化风险。福岛事故后，稳压器安全阀开发的新作用：极限事故工况下，稳压器安全阀恰当地开启，促使堆芯冷却水的流出，从而带走堆芯余热。

2.2 稳压器安全阀运行原理

当稳压器压力低于先导阀的整定压力时，先导阀的传动杆在上面位置，先导盘R1开启，使主阀活塞上部与稳压器接通。由于主阀活塞的表面积比阀瓣的大，因而安全阀关闭。

当稳压器压力升高时，它作用在先导活塞上，并且使先导传动杆向下，先导盘R1使主阀活塞与稳压器隔离，此时安全阀仍保持关闭。

图1 稳压器安全阀原理图Fig.1 Voltage regulator safety valve schematic

当稳压器压力达到先导阀的整定压力时，先导传动杆进一步向下，先导盘R2开启，主阀活塞上部容纳的流体排出，作用在主阀阀瓣上的稳压器压力使安全阀开启。

当稳压器压力降低时，先导传动杆上升，首先关闭先导盘R2，开启先导盘R1，然后使主阀活塞上部与稳压器接通，于是安全阀关闭。安全阀在低于其整定压力下，通过使电磁线圈通电，可以强迫“开启”。

如果先导盘R1处于开启位置（即压力低于先导盘R1的整定压力），通过使电磁线圈断电，在主阀活塞上可以重新建立压力并关闭安全阀。相反，如果先导盘R1维持关闭（压力高于R1的整定压力），则不能重新建立压力，而且安全阀维持开启状态。

3 稳压器安全阀现状及再供电整改问题

本厂1、2、3、4号机组的一回路安全阀手操电控电磁阀由继电器机架上UP来供电，其中RCP017、018、020、021VP为A列48V直流电源LCA系统供电，RCP019、022VP为B列48V直流电源LCB系统供电。在严重事故发生时，全厂断电UP电源丧失，如果考虑长时间SBO工况下一回路的泄压功能延伸，需要考虑安全阀较长时间的供电要求。在全厂断电时，LCA和LCB系统蓄电池组只能够保证对全部负载进行Id放电1h。目前本厂1、2、3、4号4台机组的一回路安全阀手操电控电磁阀由继电器机架上UP来供电。严重事故时，如果考虑一回路的泄压延伸功能，则需要考虑安全阀较长时间内的供电问题。因此，需要对本厂安全阀电磁阀进行再供电设计，确保其SBO工况下的可用性。

图2 LNE360CR一次接线图Fig.2 LNE360CR one wiring diagram

以下内容以本厂1/2号机组为例，针对稳压器安全阀再供电问题进行论述。如果核电站发生全厂断电事故工况，只能考虑使用水压试验泵汽轮发电机组系统，对重要设备进行可靠供电。1/2号小汽轮发电机组均为共用设备9LLS001AR供电，而9LLS001AR给9LLS母线上提供380V的交流电，9LLS母线上带有负载LNE360CR，LNE360CR是通过母线下380V/220V变压器提供220V电源，刚好可以对设备进行稳定可靠供电。

基于这种情况，所以考虑从LNE360CR箱内的备用开关供电至RCP系统机架。并在机架附近墙上对A/B列各设置一个整流器箱，其中A列机架有两组阀门（4个阀RCP017、018、020、021VP），B列一组阀门（2个阀RCP019、022VP），整流器箱内的整流器将LNE360CR内输出的220V交流电整流成48V直流电后，在应急需要的工况下由人手动将新增整流器箱48VDC电源转接到需要供电的机架UP设备。

LNE360CR在设计时由三路电源对其进行供电，控制箱内含有三路插座，根据实际情况选择对负载进行供电：

1）正常情况下由LNE逆变器LNE001TB带载，插座为001PJ。

2）小汽轮发电机组9LLS001AR带载，插座为002PJ。

3）1/2号LNE360CR配电箱互为备用供电带载，插座为003PJ。

根据LNE一次接线图上可以看出来，LNE360CR内还有两个备用开关LNE371JA与LNE372JA。所以稳压器安全阀再供电电源就从LNE360CR内备用开关LNE371JA与LNE372JA引至RCP系统机架中，其中将LNE371JA作为A列安全阀供电，LNE372JA作为B列安全阀供电。

在R C P系统机架附近，新增就地整流插座箱RCP100CR（A列）与RCP200CR（B列），箱内设置有220VAC/48VDC整流器，在应急需要的情况下由运行人员手动将RCP100CR或RCP200CR内48V直流输出电源插座通过和RCP系统机架连接的插头对接，实现RCP安全阀的再供电。

稳压器安全阀A列和B列共计6台阀门，每台阀门在有整流器再供电时的计算电流在1.5A左右。因此，每台阀门整流器的上游空气开关选择S262-C6型开关即可，对于每台就地插座箱的上游电源从LNE360CR箱内的空气开关选择分段时间大一些的S272-C6即可。

就地插座箱1/2RCP100CR分别安装于L505和L545房间内，箱内设置有4路S262-C6 2P型空气开关，在每一路空开下游设置1个220V AC/48V DC整流电源模块，4路电源模块下游依次设有RCP017PJ、RCP018PJ、RCP020PJ、RCP021 PJ电源插座，对应插头接线依次引至RCP系统机架附近，将接线接头处用绝缘胶布包扎好。同时，对带有插头的电缆两端安装电缆标识牌，对插头电缆另一端出同时安装好电缆的正、负极标识线号。

就地插座箱1/2RCP200CR分别安装于L509和L549房间内，箱内设置有2路S262-C6 2P型空气开关，在每一路空开下游设置1个220V AC/48V DC整流电源模块，2路电源模块下游依次设有RCP019PJ、RCP022PJ电源插座，对应插头接线依次引至RCP系统机架附近，将接线接头处用绝缘胶布包扎好。同时，对带有插头的电缆两端安装电缆标识牌，对插头电缆另一端同时安装好电缆的正、负极标识线号。

为避免再供电电源反送至机架上游电源母线，在正常运行期间，如果将插头电缆与RCP系统机架连接，则机架UP电源会反送电至再供电插头处，若插头不慎接地，则会影响RCP系统机架的正常运行。为了避免此类情况发生，所以送至机架UP出线侧的电缆只将接头做好，用绝缘胶布包扎好，并标识“RCP安全阀再供电电缆”并不接入系统。在SBO事故工况时，由运行人员根据实际情况执行运行规程，判断电缆是否需要接入UP对稳压器安全阀进行再供电。

需要特别注意的是，在事故工况下，机架上游直流母线失电期间，UP并未跳闸，为避免再供电电源反送至机架上游直流母线，应先人为断开A列和B列6台阀门的机架UP电源，然后再将RCP100CR和RCP200CR内再供电插头电缆分别接至6台阀门机架UP出线侧的直流母线端子排上，从而对稳压器安全阀进行再供电。

4 稳压器安全阀再供电方式中的问题分析

4.1 就地箱内整流器维护问题

作为稳压器安全阀再供电整改中最重要的设计，就是增加两个就地插座箱来为稳压器安全阀组提供额外的动力支持，而在就地插座箱中最重要的元器件就是整流器。配电箱内的整流器需要能够为下游负载提供稳定可靠的48V直流电源，以保证在事故工况下稳压器安全阀组的可靠动作。

就地配电箱内的整流器全称应该为高频开关整流器，这种高频开关整流器与传统的相控整流器相比，具有体积小、重量轻、功率因数高、可闻噪声低和效率高的特点。“高频开关电源整流器的工作原理：交流电源接入整流模块，经滤波及三相全波整流器后变成直流，再接入高频逆变回路，将直流转换为高频交流，最后经高频变压器、整流桥、滤波器后输出平稳直流[2]”。如图3所示。

由于整流器元器件在再供电系统中的重要性，因而需要对整流器进行必要的检修维护工作,对整流器开展定期的维护工作包括：

图3 高频开关整流器基本构成框图Fig.3 Basic composition block diagram of high frequency switch rectifier

1）检查确认整流器外观无污渍、潮气侵蚀，无明显被压破损坏痕迹，接线端子螺丝齐全。

2）检查整流器电源输入输出侧接线端子表面平整，无金属熔化及烧伤痕迹。

3）使用250V兆欧表测量一次侧对地绝缘电阻不小于0.5MΩ。

4）使用50V兆欧表测量二次侧对地绝缘电阻不小于0.5MΩ。

5）一次侧接入220V交流电源，测量二次侧空载输出电压应有稳定的DC 48V±10%电压。

6）二次侧接入变阻器负载，测量输出电压纹波系数，不大于2%。

高频开关整流器内有一个用于对功率开关器件提供启动电流的电阻，该电阻长期通电发热会发生损坏从而引起整流器无法使用。但是如果整流器长期不通电工作使用，整流器内的滤波电容元器件经常没有进行充放电活化，更易导致滤波电容性能的下降从而整流器整体损坏。两者相比较而言，整流器开关更适合处于长期通电状态，因为现在就高频开关整流器技术而言，启动电阻相比较滤波电容而言更加耐用可靠。

4.2 应急情况下，人因失误问题

纵观历史上发生的两次大的核事故当中，人因失误问题对事故的范围扩大造成了重要影响。切尔诺贝利事故调查中主要是由两个因素共同造成的：一是其反应堆设计不完善，尤其是没有安全壳；二是严重的人因错误和管理缺陷，即运行人员多次严重而粗暴地违反安全条例和操作规程，进行了一系列错误的操作和处理。美国三哩岛事故调查总统委员会在事故报告中认定，是设备故障导致事故发生，但是操作者的失误也是导致此次事故的主要原因。人误致使设备故障，设备故障引发了事件，运行人员（包括操纵员、工程师和主管）没有及时诊断出系统的真实情况，采取了错误的操作，使一个小的事件扩大为严重事故。因此，当事故发生时，由于现场情况紧急，任何人都有可能发生误操作情况。

在正常运行期间，由于为了防止机架UP电源反送电至RCP100CR/RCP200CR内的各个插座上，敷设至稳压器安全阀机架UP出线侧的电缆只将接头做好，并将接头进行绝缘包扎，但是并不接入系统。只是在发生SBO事故工况时，由运行人员根据实际情况执行运行规程，判断电缆是否需要接入UP对稳压器安全阀进行再供电。如果事故发生，需要将在供电电缆接入系统，这时候就需要运行人员再通知维修应急人员在现场临时进行安装，如果现场工作人员由于情况紧急发生了误操作或者没有将电源进行可靠安装，这样就失去了稳压器安全阀再供电的实际意义。

鉴于以上问题，可以在大修期间提前将稳压器安全阀机架UP出线侧的电缆接入稳压器安全阀的电磁阀电源上，而在就地配电箱RCP100CR和RCP200CR内的插头上配备有铰链保护罩盖，平时由铰链保护罩盖将插头与外界隔离开来，防止设备短路。而在紧急工况下，由运行人员执行操作安全规程，现将稳压器安全阀机架UP电源开关断开，然后按照插头上的标识与插座上的标识一一对应插接，同时对RCP100CR和RCP200CR两个就地配电箱进行供电，能够及时有效地完成对稳压器安全阀再供电，从而在应急工况下减少了由于人因失误造成一定的严重后果。

5 总结

稳压器安全阀组可靠再供电问题是在福岛事故发生后，人们对于堆芯压力容器可靠降压并排除堆芯余热功能的再探讨整改工作。本文对核电站在极限工况下的事故和处理进行描述，进而对稳压器安全阀再供电整改工作进行剖析，并提出其他较好的解决方案。同时，本文指出现有稳压器安全阀再供电中容易被忽略的问题，阐述这些问题的成因，破除认识误区，并提出相应解决方案。希望本文能为核电站福岛事故整改人员提供参考，并且为核电站设计人员提供有价值的建议。