核電機組220 kV安全電源設計

周志貴，盧忠斌，池闖正，朱志飛

（中核國電漳州能源有限公司，福建　漳州　363300）

核電機組220 kV安全電源設計

周志貴，盧忠斌，池闖正，朱志飛

（中核國電漳州能源有限公司，福建漳州363300）

安全電源的設計是核電前期工作必須優先考慮的內容之一，文章針對漳州核電廠址的自身特點和AP1000核電機組的技術要求，通過理論分析和模型計算，確定了漳州核電220 kV安全電源的設計容量和最優接入方案，論述了漳州核電AP1000機組220 kV安全電源設計方案在可靠性、安全性方面滿足AP1000核電機組廠用電和安全電源的功能要求。

AP1000；漳州核電；220 kV安全電源

在核電前期階段，深入分析全廠的220 kV安全電源需求、結合廠址所在地區電網的現狀及發展規劃，確定合適、可靠的安全電源接入點、最終確定與本廠機組技術特點相適應的接入方案和主接線形式，對核電廠的最終安全、穩定運行都具有非常重要的意義。漳州核電從2012年開始進行220 kV安全電源的分析和論證工作，目前，220 kV安全電源接入方案已經通過了國網福建省電力公司組織的評審，后續將根據通過的接入方案，進行相關的詳細設計和施工。漳州核電規劃容量為6臺AP1000機組，分兩期建設，一期工程建設4臺1 250 MW級核電機組，計劃2016年開工，2021年底第1臺機組投產，一期4臺機組預計2024年前全部建成投產。

1　AP1000機組對安全電源的要求

根據AP1000的用戶要求文件（URD）和設計控制文件（DCD），AP1000堆型核電廠需要兩路外部電源，其中與500 kV電網連接的外部電源被稱作優先電源，另一路220 kV電源則被稱作安全電源或輔助電源。這一點與M310及其改進型機組的要求基本相同，由于AP1000與M310及其改進型機組在設計理念的差異，國內同行有一種觀點認為，AP1000對電源的配置要求沒有M310的高，因此對相關系統在電源的配置上產生了不同的看法，這一點非常正常，AP1000本身就是一個消化和吸收的過程。需要說明的是，AP1000在嚴重事故情況下，可以不依靠外部動力（電源），僅依靠自身配置的非能動系統就可以緩解嚴重事故的進程，防止堆芯熔化和放射性物質外泄。但是在正常運行情況下，它對外部動力和電源的要求可以說和M310是一致的，甚至高于M310，從AP1000廠用電冗余度的配置和可靠性上就能明顯體現這一點。

AP1000堆型核電機組采用了非能動的安全設計理念，降低了全廠斷電事件導致堆芯熔化事故的概率，但為保證機組安全、經濟運行，特別是事故72 h后廠外交流電源的恢復供電，為反應堆安全停堆提供充足的輔助電源仍然是十分必要的。AP1000堆型核電廠對安全電源的要求具有容量大、電能質量高等特點，每臺機組設置2臺輔助變壓器，單臺輔助變壓器容量為88 MVA。深入分析220 kV安全電源的可靠性和安全性，不僅能為核電廠前期安全電源建設提供設計依據，也為后期核電機組的安全運行、停堆檢修等提供了可靠的電源保障。

2　漳州電網現狀及發展規劃

2.1漳州電網現狀

漳州電網位于福建電網最南端，截至2013年底，漳州電網共有電源裝機5 625.2 MW，除接入500 k V的省網主力電源后石電廠（7×600 MW）以及古雷開發區220 kV接入的騰龍自備熱電（100 MW），還有中小電源裝機約1 325.2 MW，其中水電裝機容量約821.8 MW，但多為徑流式開發，調節性能較差。

漳州電網現有漳州變（2×1 000 MVA）和五峰變（1×1 000 MVA）兩座500 kV變電站，220 kV變電站18座，變電總容量4 140 MVA。漳州北部220 kV電網形成以漳州變為中心的雙回路環網（局部單回），南部形成漳州變往南三回路環網結構。此外，漳州電網還分別通過四回和六回220 kV線路與廈門、龍巖電網連接。漳州核電所處云霄縣位于漳州市南部，目前主要由220 kV莆美變（240 MVA）供電，電網結構比較薄弱。

2.2漳州地區電網規劃

根據漳州500 kV電網規劃，2015年將在漳浦縣盤陀鎮東林村建設500 kV東林變，一期規模為1×1 000 MV，由漳州500 kV變電站單回500 kV線路供電。2019年擴建500 kV東林變二期（1×1 000 MVA），配套將漳州—東林220 kV線路升壓形成漳州—東林500 kV二回線路。

2015年配套500 kV東林變的建設，將天福—莆美雙回及漳州—奇材220 kV線路開斷接入東林變，同時新建東林—莆美三回線路。2014—2018年期間漳州南部規劃新建油田、水晶、詔安3座220 kV變電站，擴建奇材、紅旗2座220 kV變電站，新建東林—奇材第二回220 kV線路，并對漳州—天福雙回線路進行增容改造。其中220 kV水晶變距漳州核電廠址最近，其推薦站址位于漳州核電西北部約11 km的三東村附近，規劃于2017年6月投運，一期規模為1×240 MVA，配套將莆美—紅旗220 kV線路開斷接入水晶變，并將東林—莆美一回220 kV線路脫開，莆美變改接入水晶變。

3　線路容量分析及確定

根據漳州核電總體設計，每臺機組設置2臺88 MVA輔助變壓器，單臺機組正常運行時的最大設計備用容量為2×88=176 MVA，每臺機組停堆所需的安全負荷為1 407×2%=28.14 MVA。其中單臺核電機組的視載功率為1 407 MVA， 單臺核電機組的安全停堆負荷按機組容量的2%計算。按照漳州核電的分期建設情況，220 kV備用（安全）電源容量按照下述幾種情況進行分析：

1）2臺機組時，220 kV備用電源容量是按照1臺機組備用變帶廠用負荷為機組容量的7%，另1臺機組冷停堆，備用容量為單臺機組容量的2%計算，即2臺機組需要的備用電源容量為：1 407×7%+1 407×2%=126.6 MVA。

2）4臺機組時，220 kV備用電源容量按照1臺機組廠用負荷由備用變提供，容量為2臺備用變壓器的容量，即2×88 MVA；另3臺機組中1臺機組正常運行，1臺機組計劃停堆，1臺機組非計劃停堆。4臺機組需要的備用電源容量為：2×88+2×1 407×2%=232 MVA。

3）6臺機組時，由于采用群堆運行，廠用電和備用電源運行方式相對比較靈活，5、6號機組調試和運行時廠用電基本考慮用500 kV倒送電的方式來解決（500 kV開關站及出線的設計具有極高的可靠性）。終期負荷按照2臺機組正常運行，2臺機組快切、1臺計劃停堆、1臺非計劃停堆，此時備用電源容量為提供2臺機組廠用電和2臺機組停堆檢修的電源容量。具體為：2×1 407×7%+2× 1 407×2%=253.26 MVA。

4）由于漳州核電建有專門的35 kV施工電源，所以機組建設期間的負荷不需要220 kV系統承擔。

根據以上分析，漳州核電安全電源正常情況下兩回線路分列運行，每回線路輸送容量按滿足安全電源可能發生的最大供電容量253.26 MVA來考慮。

4　安全電源接入系統方案分析

根據前述分析確定的漳州核電安全電源供電容量，結合廠內初步設計方案，漳州核電安全電源接入電壓等級采用220 kV。安全電源考慮以兩回220 kV線路接入漳州電網，每回線路輸送容量按滿足安全電源可能發生的最大供電容量253.26 MVA來考慮，導線截面采用400 mm2，持續極限輸送容量為278 MVA（環溫40 ℃，線溫80 ℃）。

依據漳州電網現狀及規劃，2018年漳州南部電網可供核電安全電源接入的變電站主要有東林變、水晶變、奇材變、天福變、油田變，其中2017年投運的220 kV水晶變是漳州電網距核電廠址最近的一座220 kV變電站，直線距離僅11 km左右，線路路徑不需跨越漳江和既有線路，根據電網規劃，水晶變是漳州南部220 kV環網的重要節點，2020年后即直接由東林500 kV變雙回線路供電，近期及遠景供電可靠性均較高，且水晶變220 kV出線遠景八回，2025年前僅使用四回，可滿足核電安全電源的接入需求，因此考慮將水晶變作為漳州核電安全電源的優先接入點。

基于上述分析，綜合考慮漳州電網現狀及規劃情況后，對下述的4個備選方案進行技術可靠性和經濟性分析：

方案一：核電安全電源各以一回220 kV線路分別接入220 kV水晶變和天福變。

該方案可靠性最高，即使東林變全站停電，核電安全電源仍可通過天福變供電，但由于天福變目前220 kV間隔已全部使用，需拆除變電站東側圍墻以擴建一個220 kV間隔，另外天福變220 kV出線走廊也較為困難，天福—核電線路將與多回220 kV線路交叉，一定程度上增加了公用線路的運行和維護風險。如果天福變220 kV出線采用電纜出線，可以解決上述問題。

方案二：核電安全電源各以一回220 kV線路分別接入220 kV水晶變和500 kV東林變。

該方案接線模式簡單，潮流方向明確，且安全電源可全部由東林變直接供電，對漳州南部220 kV供電通道的影響相對較小，但從網絡結構來看，一旦東林變全站停電（如地質災害等原因造成），核電安全電源將完全失電，且500 kV變電站220 kV間隔資源較為寶貴。

方案三：核電安全電源各以一回220 kV線路分別接入220 kV水晶變和220 kV油田變。

該方案可靠性高于方案二，即使東林變全站停電，核電安全電源仍可通過油田變供電，但此方案新建線路最長，且大部分線路走廊接近海邊，污穢等級較高，相應的線路絕緣水平也需大大提高，運行維護費用也較高，從而導致工程總投資最高，此外，油田—林倉段線路所在區域為填海形成，結合古雷開發區建設進度來看，該區域填海工作于近期完成的難度極大，難以滿足核電安全電源供電線路的工期要求。

方案四：核電安全電源各以一回220 kV線路分別接入220 kV水晶變和220 kV奇材變。

該方案新建線路最短，且不需跨越漳江入海口，但核電安全電源完全依靠漳州南部220 kV電網進行供電，加重了漳州南部220 kV供電通道的供電壓力，且核電—奇材線路需跨越多條220 kV公用線路，施工難度較大，同時也增加了電網線路的運行和維護風險，此外，同方案二一樣，東林變全站停電時核電安全電源也將完全失電。

綜合技術、經濟比較結果，方案二經濟性居中，對漳州南部220 kV電網的影響最小，但供電可靠性不如方案一，一旦東林變全站停電，核電安全電源將完全失電。方案三新建線路最長，且線路臨近海邊，線路造價及運維成本較高，經濟性最差，同時難以滿足工期要求，而方案四雖然經濟性最優，但大大增加了漳州電網的運行和維護風險，且東林變全站停電也將導致核電安全電源完全失電。方案一經濟性居中，供電可靠性最高，即使東林變全站停電，核電安全電源仍可通過天福變供電，因此確定方案一作為漳州核電220 kV安全電源接入系統方案，即漳州核電安全電源各以一回220 kV線路分別接入220 kV水晶變和220 kV天福變，水晶變和天福變各擴建一個220 kV間隔線路，核電—水晶、核電—天福線路長度分別約11 km、48 km，導線截面均采用400 mm2。漳州核電安全電源接入方案示意圖如圖1所示。

5　接入系統方案潮流計算

由于存在漳州核電安全電源滿負荷供電與地區最高負荷同時發生的可能性，選擇漳州核電第1臺機組投運后的2021年以及輔助變壓器全部投運后的2025年枯水期高峰方式（此方式下網供負荷最大）作為計算方式。2021年、2025年核電安全電源供電負荷分別按176 MW和253 MW考慮，功率因數取0.95。正常運行時核電安全電源兩回進線分列運行，在其中一回進線停運時，另一回進線供電安全電源全部負荷。

圖1　漳州核電安全電源接入系統方案接線示意圖Fig.1　Schematic of safety power connection to the grid of Zhangzhou nuclear power plant

圖2　2025年枯水期高峰方式漳州南部220 kV電網潮流圖（核電—天福線路N-1）Fig.2　Peak power flow of south Zhangzhou 220 kV grid in low water period in 2025（Lines between the plant and Tianfu station in the mode of N-1）

計算結果表明：2021年、2025年正常及“N-1”運行方式下，電網潮流分布合理，電壓均在正常范圍內。天福變現有220 kV母線載流能力可以滿足漳州核電安全電源的接入，無需進行改造。在漳州電網出現N-2故障（東林—水晶雙回線路全停），由于220 kV開關站母聯開關斷開，開關站無穿越功率，不會導致核電—天福線路過載。

2025年枯水期高峰方式漳州南部220 kV電網潮流圖如圖2所示。

6　220 kV GIS電氣主接線

漳州核電安全電源設置220 kV開關站，每臺機組的2臺輔助變壓器合用一路220 kV電纜進線，即每臺機組需一回220 kV進線。一期4臺機組共四回進線，遠景六臺機組共六回進線。漳州核電安全電源開關站本期進出線共六回，遠景進出線共八回，本期及遠景均采用雙母線接線即可滿足要求。根據潮流計算結果，正常運行及電網N-1情況下核電安全電源均為受電端，無穿越功率，在漳州電網出現N-2故障（東林—水晶雙回線路全停）也不會導致核電—天福線路過載，所以漳州核電正常運行時，220 kV母聯開關打開，兩回220 kV進線分列運行，一回進線停運時，另一回進線供電安全電源全部負荷。

7　220 kV安全電源可靠性分析

7.1220 kV接入方案及開關站布置分析

該接入方案的兩個接入點取自漳州電網不同的220 kV系統支撐點，即使一個支撐點故障，并不影響漳州核電安全電源的可靠性和安全性，所以從接入方案來分析，漳州核電的安全電源在源頭上是可靠和安全的。

另外按照漳州核電總平面設計，220 kV開關站采用屋內GIS設備，屋內GIS在設備可靠性、運行維護等方面均有較明顯的優勢，尤其是漳州核電地處東南沿海，220 kV GIS暴露在戶外，受外界影響較多，如鹽污、臺風等，可靠性相應降低，因此漳州核電220 kV配電裝置采用屋內GIS對安全電源的可靠性也具有十分重要的意義。

7.2220 kV主接線方式分析

220 kV開關站主接線采用雙母線接線，兩條母線設置母聯斷路器。正常運行時，兩組母線分列運行，在1號機組裝料前，兩回線路可以考慮一用一備，1號機組裝料后，兩回線路正常情況下全部投入運行。在雙母線加母聯開關的接線方式中，一條母線故障，并不影響漳州核電安全電源的可靠性和安全性，系統仍舊可以通過另一條母線向廠內安全負荷供電，運行方式相當靈活。兩條母線同時故障的概率極小，可以不予考慮。從核安全角度來分析，即使兩條母線同時故障，廠內安全負荷可以通過廠內備用柴油發電機電源系統（ZOS）來供電。對于AP1000核電機組，即使廠內、外交流電源全部失去，依靠AP1000自身的非能動安全系統，也可以完全使核安全三要素得到保障，使反應堆的三道安全屏障完整。

7.3系統主設備配置分析

在漳州核電的220 kV安全電源系統中，每臺機組配置容量完全相同的兩臺輔助變壓器。在主發電機及500 kV優先電源均不可用時，或者當主變壓器、廠用變壓器、離相封閉母線故障，或者10 kV共箱母線及其他相關電氣設備處發生故障而導致正常電源和優先電源都不可用時，10 kV母線快切裝置動作將負荷切換到由220 kV安全電源供電的輔助變壓器上，再由輔助變壓器的兩個低壓繞組向不同的10 kV母線分別供電，這種運行方式相對比較獨立，也比較可靠，可以使一回路反應堆不停堆。在故障排除后，可以使故障機組快速恢復到功率運行狀態。單元機組的1臺輔助變壓器故障或者檢修時，可以通過機組另外1臺輔助變壓器為機組的安全負荷供電，確保滿足機組安全負荷的正常運轉要求。

8　結論

1）漳州核電安全電源各以一回220 kV線路分別接入220 kV水晶變和220 kV天福變，水晶變和天福變各擴建1個220 kV間隔線路。該設計方案符合AP1000核電機組的技術要求和漳州電網的現狀及未來規劃，是最優和最可靠的技術方案。

2）核電—水晶、核電—天福線路導線截面均采用400 mm2，持續極限輸送容量278 MVA滿足漳州核電安全電源容量需求。

3）漳州核電安全電源220 kV線路采用雙回供電，220 kV開關站電氣主接線采用雙母線加母聯開關的接線方式，提高了安全電源的可靠性。

［1］ 林誠格. 非能動安全先進核電廠AP1000［M］. 北京：原子能出版社，2008.（LIN Cheng-ge. An advanced passive plant AP1000［M］.Beijing：Atomic Energy Press，2008.）

［2］ 焦峰，等. 核電廠喪失廠外電的經驗反饋［J］. 中國核電，2013，6（2）.（JIAO Feng， et al. Operating Experience Feedback on Lose of Offsite Power Supply for Nuclear Power Plant［J］. China Nuclear Power， 2013，6（2）.）

［3］ 李金芳，等. 核電廠優先電源分析［J］.產業與科技論壇，2013（2）.（LI Jin-fang， et al. Analysis of Preferred Power Supply for Nuclear Power Plant［J］. Industrial&Science Tribune， 2013（2）.）

［4］ IEEE Power Engineering Society.IEEE Standard for Preferred Power Supply （PPS） for Nuclear Power Generating Stations （NPGS）［S］. 2006.

［5］GB/T 13177-2008，核電廠優先電源［S］. （GB/T 13177-2008，Preferred Power Supply for Nuclear Power Plant［S］.）

Analysis of 220 kV Safety Power Design forNuclear Power Project

ZHOU Zhi-gui，LU Zhong-bin，CHI Chuang-zheng，ZHU Zhi-fei
（Zhonghe Guodian Zhangzhou Energy Co.，Ltd. Zhangzhou of Fujian Prov. 363300，China）

Safety power design is one of the most important tasks which should be performed preferentially in the early nuclear power construction.According to the technical requirement of AP1000 and the site feature of Zhangzhou nuclear power plant，the design capacity and the optimal connection to the grid are decided after theoretical analysis and emulation. Moreover， the safety and reliability of 220 kV safety power in Zhangzhou nuclear power plant is discussed to meet the functional requirement of AP1000 in both service power and safety power.

AP1000；Zhangzhou Nuclear Power；220 kV safety power

TM623Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）03-0196-06

TM623

A

1674-1617（2015）03-0196-06

2015-05-25

周志貴（1973—），男，陜西禮泉人，高工，碩士，主要從事核電站電氣設計、技術改造等領域的工作。