压水堆核电厂应对全厂断电的电源设计

孔 静，张 奇*，应 亮，刘 鹏

(1.环境保护部核与辐射安全中心, 北京 100082；2. 国家核电技术公司, 北京 100029)



压水堆核电厂应对全厂断电的电源设计

孔 静1，张 奇1*，应 亮2，刘 鹏1

(1.环境保护部核与辐射安全中心, 北京 100082；2. 国家核电技术公司, 北京 100029)

全厂断电是导致核电厂发生严重事故的主要初始事件之一，增强应对全厂断电的能力将进一步加强核电厂纵深防御，提高排出堆芯余热和保持安全壳完整性的能力，降低堆芯熔化概率，福岛核事故后核电厂更加重视提高全厂断电的应对能力。本文对我国现有核电堆型CPRl000核电厂及其改进型堆、AP1000核电厂、EPR核电厂在应对全厂断电工况时的电源设计情况进行总结说明。

全厂断电；核电厂；交流电源；移动电源；AP1000；EPR

全厂断电(SBO)指核电厂内重要的和非重要的配电装置母线全部失去电源，即失去厂外电源同时汽机脱扣和厂内应急交流电力系统不可用，但是未失去由厂内蓄电池组通过逆变器送到母线的交流电源或替代交流电源[1]。全厂断电是超设计基准事故，也是导致核电厂发生严重事故的主要初始事件之一，尤其是福岛核事故表明极端外部事件能够导致核电厂长期丧失交流电源和丧失最终热阱，从而可能导致核电厂的堆芯、安全壳丧失冷却，造成大量放射性物质向环境释放的后果。为此，近些年来我国及国际核工业重视预防核电厂严重事故的发生和缓解减轻严重事故的后果，并在核电厂的设计过程中在全厂断电事故预防和缓解措施方面进行了改进，提高了应对全厂断电的能力[2]。本文对我国现有和在建核电堆型CPRl000核电厂及其改进堆型、AP1000核电厂、EPR核电厂在应对全厂断电工况时的电源设计情况进行了分析和总结。

1 全厂断电的影响

压水堆核电厂为保持机组的安全性和可用性，厂用设备的正常工作必须依靠交流电源。全厂断电发生后，厂外电源和应急电源不可用，反应堆紧急停堆，蒸汽发生器二次侧热阱逐渐丧失，失去对堆芯的冷却能力，堆芯热量无法及时导出，导致一回路水温和压力不断升高，堆芯冷却剂流失，最终可能导致堆芯裸露并发生熔毁，放射性物质大量泄露，对周边环境造成放射性污染[3]。为实现核电厂纵深防御的设计要求，核电厂都具有在限定时间内没有交流电源的情况下也能排出堆芯余热和保持安全壳完整性的能力，核电厂应对全厂断电的能力一般主要依靠能动或非能动的安全设施、自然循环的冷却方式或由蓄电供电的动力设备等。同时，为汲取日本福岛核事故的经验教训，进一步提高我国核电厂应对全厂断电的能力，国家核安全局2012年发布了《福岛核事故后核电厂改进行动通用技术要求(试行)》(以下简称《通用技术要求》)，要求核电厂在厂内交流电源之外配置移动式应急电源，为实施应急措施提供临时动力，以缓解事故后果，并为恢复厂内、厂外交流电源提供时间窗口[4]。

2 全厂断电的电源配置

核电厂正常运行期间其厂用交流电源由主发电机供电。当主发电机发生故障，发电机出口断路器跳闸，厂用交流电源由厂外主电源经主变压器提供。当同时失去发电机电源及厂外主电源时，厂用交流电源通过切换装置切换到由厂外辅助电源经辅助变压器供电。当发生上述厂外电源均不可用的工况时，厂内应急电源向应急厂用设备供电。当发生全厂断电事故工况时，由应对全厂断电的电源供电，以尽快恢复向安全重要负荷供电，保持堆芯余热的排出能力和安全壳的有效隔离，缓解事故后果及预防可能的安全壳失效。我国现有和在建核电堆型CPRl000及其改进堆型、AP1000、EPR在提高应对全厂断电工况能力有不同的电源设计。

2.1 CPR1000核电厂

CPR1000核电厂厂用交流电系统分为6.6 kV中压交流系统和380 V低压交流系统两个电压等级。每台机组配置有两列6.6 kV应急母线，每列应急母线及本列的应急柴油发电机组(EDG)作为厂内应急电源。在电站正常运行工况下，两列6.6 kV应急母线可以通过厂用机组母线供电；当厂用机组母线因厂外主、辅电源失电时，由应急柴油发电机组继续向应急母线供电，以确保安全相关系统和设备能够正常运行。为提高核电厂的安全运行及机组可用率，核电厂增加了厂址附加柴油发电机组，作为机组的附加后备电源，替代不可用的应急柴油发电机组向负荷供电，但该柴油发电机组是非安全级设备不执行安全功能。全厂断电事故工况时，如果厂外电源和本机组的应急柴油发电机组都不能及时恢复供电，厂址附加柴油机组通过电源切换配电装置在3小时内手动接入，恢复一路6.6 kV应急母线的供电，尽快恢复对核辅助设施的供电，降低核反应堆堆芯熔化概率，提高核电厂的核安全水平。电源系统配置如图1所示。

图1 CPR1000电源系统示意图Fig.1 Power system of CPR1000 power plant

CPR1000核电厂配置有水压试验泵柴油发电机系统(LLS)应对短时间的全厂断电，系统不执行安全功能。在全厂断电短时间内，LLS系统柴油发电机自动启动，向水压试验泵和为保持机组处于安全状态所需的其他驱动机构提供380V应急交流电源[5]。水压试验泵的功能是为反应堆冷却剂泵提供密封水，使其不发生LOCA，从而保证反应堆冷却系统的完整性，有效预防反应堆断电时一回路水向安全壳泄漏的风险[6]。在全厂断电并蓄电池放电一小时以后，LLS001AR控制柜通过手动连接，为主控室内某些测量显示仪表(如一回路温度压力、稳压器液位、蒸汽发生器液位等)和单元机组运行必需的控制回路和继电器供电(如辅助给水汽动泵调节阀，大气蒸汽排放阀等)，使机组维持在安全状态，等待电源恢复。LLS主要负荷见表1。

为满足《通用技术要求》的要求，提高全厂断电电源的可靠性及纵深防御能力，LLS系统增设了380V移动式柴油发电机接口，全厂断电并且LLS柴油发电机出现失效状况时，立即手动接入移动式柴油机替代LLS柴油机组向水压试验泵等LLS系统下游负荷以及部分应急照明、重要的DCS监视、控制部件供电。同时设置一台6.6kV中压移动式柴油发电机组作为全厂断电事故(包括同时发生严重事故)的临时性电源，移动式应急电源临时手动接入附加柴油发电机母线段的预留接口，向一台低压安注泵或一台辅助给水泵及为保证该系统完成其功能需要的辅助设备进行供电[7]，以缓解事故后果并为恢复厂内外交流电源提供抢修时间。移动电源系统接入也如图1。

表1 LLS系统主要负荷Table 1 The main load of LLS system

2.2 CPR1000改进型核电厂

核电厂厂址附加柴油发电机组一般为厂址共用，无法满足多机组同时发生全厂断电工况时的电源容量需求，为保证在全厂断电工况下堆芯的充分冷却和安全壳的完整性，从纵深防御角度加强电源的可靠性，CPR1000改进堆型在CPR1000核电厂的设计基础上增设了后备柴油发电机组作为SBO电源，机组单堆配置一台6.6kV后备柴油发电机组，用于应对超设计基准事故。在电厂运行期间后备柴油发电机组不执行安全功能。当发生SBO时，且应急母线及其相关配电设备中至少有一列可用，后备柴油发电机组一小时内接入可用的应急母线为以下5种工况下需要投入的相应专设安全设备供电。供电系统如图2。

(1) SBO；

(2) SBO+辅助汽动给水泵(ASG)失效；

(3) SBO+小LOCA；

(4) SBO+辅助汽动给水泵(ASG)失效+丧失最终热阱；

(5) SBO+小LOCA+丧失最终热阱。

图2 后备柴油发电机组供电系统示意图Fig.2 Power system of the backup EDG

当仅发生SBO工况时，只需给后备母线上的负荷供电，情况与CPR1000核电厂水压试验泵柴油发电机组一样。在SBO叠加其他事故工况下，应急柴油发电机组没有恢复，后备柴油发电机组接入应急母线给相关的核岛工艺、暖通、仪控系统及柴油机组辅助设备等负荷按不同时序加载，主要供电负荷如表2。

表2 后备柴油发电机组主要负荷清单Table 2 The main load of the backup EDG

CPR1000改进堆型取消了LLS柴油机，由后备柴油发电机组给LLS系统供电，原LLS系统负荷变更为由LLS001AR控制柜及新增严重事故专用机柜UPS电源供电，设计更改能够满足其原有的功能需求，负荷加载时间更短。电厂发生SBO后，LLS系统用于保证220V交流不间断电源系统配电箱和水压试验泵的电力供应。ASG汽动辅助给水泵就地控制箱、稳压器卸压阀配电箱电源改由严重事故专用机柜UPS电源供电。严重事故专用机柜UPS电源是与严重事故专用仪控机柜配套新增的非安全级、抗震Ⅰ类独立系统，保证所有交流电失去后的必要监测手段，除向稳压器卸压阀、ASG控制箱等设备负荷供电外还向新增的严重事故专用仪控机柜、严重事故专用卸压阀保证至少供电12小时，该系统增强了接入负荷供电可靠性和供电时间，提高了电厂应对严重事故工况的能力[8]。LLS系统改进后的主要负荷供电方式详见表3。

2.3 AP1000核电厂

基于非能动安全设计的AP1000核电厂非能动安全系统不需泵、风机或柴油发电机等安全级别要求高的能动安全设备，也不需配置冗余的安全级交流电源、设备冷却等能动安全系统的支持，而是利用非能动系统与部件依靠自然物理规律实现安全功能[9]。因此其厂用交流电源系统(除反应堆冷却剂泵断路器)为非安全级系统，非抗震设计。电压分为中压10.5kV和低压400V/380V 和220V三个电压等级[10]。当发生全厂交流失电事故时，电厂的控制和保护电源由安全级(1E)级直流及UPS系统、非安全(非1E)级直流及UPS系统提供电源。在失去所有交流电源同时发生设计基准事故时，1E级直流和UPS系统不需要通过蓄电池充电器的支持能够为核电厂的安全停堆提供可靠的电力，为核电厂停堆所需的仪表、控制、监测和其他的重要功能所需的设备(如反应堆保护系统、非能动专设安全设施)提供电源，同时也为主控室和远距离停堆工作站照明供电。1E级直流及UPS系统设有A、B、C、D四个序列，A 和D 序列分别由一个蓄电池组组成。B 和C序列分别由两个蓄电池组组成。每个序列的第一组蓄电池设计为24 小时蓄电池组，在失去所有的交流电源并且发生一个设计基准事故的情况下为其负荷提供24 小时的电源。B 和C 序列的第二组蓄电池设计为72 小时蓄电池组，在发生上述事故的情况下可为其负荷提供72 小时的电源[11]。全厂交流失电72小时后，机组的两台非安全级辅助交流柴油发电机向事故后监测系统、主控室照明系统、主控室和仪表间通风设备、非能动冷却系统储水箱和乏燃料水池循环水泵等设备提供电源。非1E级直流和UPS系统为电厂的非1E级控制和仪表负荷、运行投资保护等设备供电。非1E 级直流和UPS系统的运行与核安全无关。失去所有交流电源时，蓄电池组能够保证向其负荷(包括非核级纵深防御设备)提供至少2小时的电量[12]。

表3 LLS系统改进后主要负荷及供电方式Table 3 The main load and power supply mode of the backup EDG

AP1000的设计设置了多道由能动和非能动设施共同构成的纵深防御措施，能够确保在事故后72小时内安全地导出堆芯衰变热。事故72小时后，可利用非能动安全壳冷却系统(PCS)循环泵、消防水泵、除盐水泵对安全壳进行冷却。为进一步提升核电厂应对超设计基准事故的能力及满足《通用技术要求》，AP1000核电厂也采取了增设移动电源的方案，拟增设400 V低压移动柴油发电机组和10 kV中压移动柴油发电机组。400 V低压移动柴油发电机组采用端对端的方式为事故后72小时相关低压负荷直接供电，其中包括PCS再循环泵，厂内部分照明、辅助风机、重要的仪表监控等负荷，低压移动电源接口如图3。10 kV中压移动柴油发电机组则可以作为应对全厂断电工况的后备电源，并通过中压母线供电，为正常余热排出泵及其辅助设备以及安全级蓄电池等负荷供电。

图3 AP1000低压移动电源接入图Fig.3 The access way of the mobile low voltage power

2.4 EPR核电厂

EPR核电机组在二代压水堆核电厂设计的基础上对堆芯、系统、安全壳设计进行了改进，优化了保护和控制体系，提高了电厂抵御内部、外部灾害的能力，增加了安全系统冗余度，安全系统由2列增加为4列配置，重要的安全系统及其辅助支持系统(应急电源系统等)都是4列布置。在EPR的设计中，采取有效的严重事故预防和缓解措施，减小了放射性物质大剂量释放的风险，把应急措施限制在电站内有限的范围内[13]。

图4 EPR核电厂SBO电源系统示意图Fig.4 SBO power system of EPR power plant

EPR核电厂厂用交流电分为10KV、690V、400V、230V四个等级。每台机组配置了四台应急柴油发电机组，为4列安全设备供电。基于概率风险评估和避免共因故障的考虑，并针对全厂断电事故工况增加配置了两台690V SBO柴油发电机，以保证相关安全设施的供电以缓解事故后果[14]。SBO柴油发电机分置于第1列和第4列，主要为应急给水泵、安全壳环廊通风系统、核岛仪表和控制系统以及主控室照明供电。乏燃料水池冷却系统、安全壳余热排出系统和专设冷却水系统也可由SBO柴油发电机供电。发生全厂断电时，蓄电池可维持2小时直流电源供应，故两台SBO柴油发电机在2小时内启动并向第1、4列690 V应急母线供电。SBO柴油发电机根据事故后管理规程，用于缓解事故后果的重要设备将由操作员手动加载供电，可连续满负荷供电24小时。同时，EPR核电机组第1、4列配置12小时不间断电源系统，在发生严重事故和全厂断电时，为工艺控制和监测所需的负荷供电从而执行反应堆冷却剂系统的降压，并为稳压器卸压阀和安全壳隔离阀、主控室中严重事故监测和显示以及相关的照明负荷供电[15]。EPR核电厂SBO电源系统如图4。EPR核电厂严重事故防御已考虑全厂失去交流电源12小时的工况，根据福岛核事故反馈及《通用技术要求》，考虑到较长时间失去交流电源的工况，EPR核电厂拟配置一台400V低压移动柴油发电机和两台并机运行的10 kV中压移动柴油发电机。低压移动电源根据柴油机厂房的水淹情况，可通过AC/DC转换器变换成直流接至第1/4列直流配电盘或12小时不间断电源系统配电盘为稳压器卸压阀、安全壳隔离阀和控制棒驱动机构、主控室中严重事故监测和指示及应急照明供电。10 kV中压移动电源接于第1/4列应急母线段，为低压安注泵、辅助给水泵等事故缓解设施供电，以实现电厂安全状态连续监测和安全壳热量导出的安全目标。

3 结束语

虽然核电厂厂用交流电设计虽然有所不同，但其目标是一致的，不仅要保证正常运行工况时厂用电力负荷的需要，还要保证在事故工况时，能够为必要的厂用设备提供安全可靠的电源，并保证影响供电的运行故障或内外部灾害不会引起放射性事故。现有核电厂应对全厂断电的电源设计从纵深防御角度考虑了应对严重事故工况的供电后备手段，以保证严重事故工况下实现安全停堆、余热导出和放射性包容三项基本安全功能，虽然进一步提高了厂用电系统的可靠性，但仍应充分完善应急体系及相应的程序文件，加强事故应对电源的定期试验与应急演练，预防全厂断电事件的发生，减少严重事故发生的概率以确保核电厂安全稳定运行。

[1] 国家能源局．NB/T20066-2012《核电厂应对全厂断电设计准则》[S]．北京：原子能出版社，2012．

[2] 王中堂．加强严重事故研究，提高核电厂安全水平[J].核安全，2014(1)：1-3．

[3] 陈学锋．核电厂全厂断电事故分析[J]. 核电运营，2011(1)：46-51．

[4] 国家核安全局．关于印发《福岛核事故后核电厂改进行动通用技术要求》(试行)的通知 (EB/OL) ．(2012-06-12)．

[5] 周克峰．全厂断电情景下M310核电厂缓解措施分析[J].原子能科学技术，2014(8)：1467．

[6] 杨鹏．国内二代改进型核电机组应对双机组全厂断电事故的可行性分析[J].核安全，2014(3)：34．

[7] 张淑兴．CPR1000 核电厂应对超设计基准全厂断电增设移动电源的研究与设计[J].核动力工程，2014(增1)：15-16．

[8] 阳江核电有限公司．阳江核电厂五、六号机组初步安全分析报告[M].阳江：阳江核电有限公司，2013．

[9] 叶成．AP1000核电站非能动安全系统的比较优势[J].原子能科学技术，2012(10)：1222

[10] 林诚格．非能动安全先进压水堆核电技术[M].北京：原子能出版社，2010．

[11] 三门核电有限公司．三门核电一期工程1&2号机组最终安全分析报告[M].三门：三门核电有限公司，2012.

[12] 杜宝瑞．核电厂核岛直流和UPS系统[J].自动化与仪器仪表，2012(6)：178-180．

[13] 郭景任．AP1000与EPR专设安全系统的差异性比较和分析[J].中国核电，2009(6)：170．

[14] 朱汪强．EPR与GPRl000电源系统设计差异性浅析[C].先进核电站技术研讨会，宁波：380-384．

[15] 台山核电合营有限公司．台山核电厂1、2号机组最终安全分析报告[M].台山：台山核电合营有限公司，2013.

The Power Supply Design to Deal with Station Blackout Failure in PWR NPP

KONG Jing1, ZHANG Qi1,*, YING Liang2, LIU Peng1

(1.Nuclear and Radiation Safety Center, MEP, Beijing 100082, China； 2.State Nuclear Power Technology Corporation, Beijing 100029, China)

Station blackout failure (SBO) is one of the major initial events leading to serious accidents in nuclear power plants, enhancing the ability to deal with SBO will further strengthen the nuclear power plant defense in depth, improve the ability to remove the core heat and maintain the integrity of the reactor, reduce the core melt probability, After the Fukushima accident, nuclear power plant pay more attention to improve the power of the plant's response capacity of SBO. The design of power supply of CPR1000 and evolutionary CPR1000, AP1000 and EPR nuclear power plant in China are summarized in this paper.

SBO, nuclear power plant, AC power supply, mobile power supply, AP1000, EPR

2016- 10- 05

2016- 10- 30

环保公益性行业科研专项经费项目,项目编号：20130954

孔静(1980—)，女，山东曲阜人，高级工程师，现主要从事核电厂电气系统设备审评工作

*通讯作者:张奇，E-mail:zhangqi@nsc.cn

TL48

A

1672- 5360(2017)01- 0075- 07