AP1000核電機組電氣系統的研究

李冬冬

（上海核工程研究設計院有限公司，上海 200235）

0 引言

AP1000核電機組是美國西屋公司在傳統成熟的壓水堆核電技術的基礎上，引入非能動安全系統理念，這使得AP1000的安全性能得到顯著提高，經濟性也得到相應的提高，AP1000核電廠電氣系統服務于核電廠的安全生產及電能的傳輸。

1 電力系統的簡介

1.1 電力系統構成要素

電力系統構成要素包括發電、輸電、變電、配電、用電以及保證設備和電力系統安全可靠、優質、經濟運行的管理、監視和控制手段。發出的電能要經過線路輸送出來，電能在輸送和使用過程中必須使用變壓器變換電壓，有時要用換流器將交流變換成直流，或者將直流變換成交流。為使電力系統安全、經濟、優質運行，電力系統內除上述設備外，還有電力系統繼電保護裝置、自動裝置以及電網調度所需的自動化設備、通信設備。

1.2 電力系統特征

（1）頻率：我國的頻率50Hz，原有的小型60Hz地區系統經過整治，已改造成50Hz。

（2）最高電壓等級：隨著電力系統容量的增大和供電范圍的擴大，電力系統輸變電設備的最高電壓等級越來越高。因此一個電力系統最高電壓等級已是該系統容量和供電范圍的標志。目前世界上多為220KV、500KV、750KV系統，我國到目前為止最高電壓等級為750KV。

（3）中性點接地方式：電力系統內交流發電機和變壓器的三相星形接線中性點接地與否和經過何種裝置接地是關系到電力設備制造、電力系統運行的大問題、涉及系統絕緣水平、供電可靠性、對通信影響、繼電保護性能、霹雷器配置等各個方面。我國規定，66KV及以下輸電網絡中性點經消弧線圈接地，也有經電阻接地或不接地的，110KV及以上網絡中性點直接接地[1]。

2 AP1000電氣系統概述

2.1 AP1000電氣系統功能

（1）向廠外送電，保證電廠生產的電能安全送出。

（2）維持廠用電，保證電廠生產、安全設施的用電及其配送要求。

2.2 AP1000電氣系統特點

（1）系統簡化、裝備減少。

（2）非能動安全系統設計，對交流供電系統無安全方面要求，無需實體隔離、廠外供電系統僅需提供正常啟動和正常停堆用電源，也無需考慮多重性；備用柴油發電機組屬非安全級，無應急要求。當主交流電源全部失去后，備用柴油發電機組對相關負責的供電，其響應時間可延緩至120s。

（3）延長不間斷供電時間，提高電廠運行的安全性。

2.3 AP1000電氣系統組成

2.4 AP1000機組 ECS系統

主交流電源系統（ECS）系統母線電壓為中壓10KV和低壓380/220V。

（1）正常電源：電廠正常運行時，由主發電機提供的廠用電源。

（2）優先電源：停堆時，由主變壓器和廠用變壓器接受當地電網電能，提供廠用電。

（3）檢修電源：真非常電源和優先電源不可用時，由備用輔助變壓器提供廠用電源。

2.5 AP1000機組IDS系統

IDS是最重要的電氣系統，它為電廠安全監測，設備啟動與控制，事故緩解和安全停堆的儀控設備提供1E級電源。IDS除了作儀控電源外，還用來啟動一些安全設備，如自動卸壓系統的閥門。在全部喪失廠房電源和場內交流電源事件中，1E級直流蓄電池為需要的直流負載和交流儀表提供電源。

2.6 AP1000機組EDS系統

為電站非1E級直流和交流負載提供直流和不間斷交流電源，EDS對電站運行和重點保護至關重要：①控制和測量儀表；②安全殼內的氫點火器提供直流和不間斷交流電源；③現場備用柴油發電機可向電池充電器提供正常的480 Vac交流電力；④在失去所有交流電源的情況下，電池的容量可以為系統負載提供兩個小時的電力；⑤當非1E級蓄電池充電器由于維護、測試或故障的原因而不可用時，每個非1E級直流配電子系統母線，能夠連接到一個備用的蓄電池充電器上。EDS用1E級備用蓄電池組作為任何一個非1E級蓄電池組的臨時備用。在這個設計配置中，1E級蓄電池和非1E級直流母線相連，但不能同時給1E級安全負載供電或執行安全相關功能。另外，備用蓄電池組的饋線回路配有兩個串聯的保護裝置，它能夠在非1E級母線發生電氣故障時，保護備用1E及蓄電池的完整性。這個配置不會降低1E機安全電路的電氣獨立性[2]。

3 AP1000機組IDS系統解析

AP1000 IDS系統由A、B、C、D 4個序列構成，正常情況下，低壓交流電源取自MCC，經DC變成直流電源進直流配電盤，除供電給所帶負荷，同時通過DF對蓄電池組進行浮充電； 失去外部交流電時，由蓄電池對負荷供電，對于A、D序列提供必須的最初24h電源，B、C序列中的72小時蓄電池，將為負荷提供所必須的72h電源，此外，IDS系統還有一組備用蓄電池組和充電器，作為IDS系統的備用電源。

3.1 蓄電池組

蓄電池的設計標準，AP1000蓄電池組主要采用了NEC標準，NFPA70-1999標準。

（1）電池組及房間的通風要求：①通風口不能被阻塞且電池具有防火裝置；②通風系統，不論強制性還是自然性通風，都要滿足防止爆炸混合物的聚集；③探測系統和報警系統要經過功能性測試。

（2）電池組及房間的安全要求：①保證房間內氫氣濃度不超過1%；②足夠的通風口保證溢出的氫氣不會聚集在房頂；③廢氣不能越過房間內的電氣設備；④進風口不能高于電池組序列，出風口在房間內的最高位置；⑤氣流探測器保證排風扇非正常工作時發出報警信號；⑥排風扇的控制設備位于距離電池組至少6’（1800mm），低于最高通風口最下端至少4”（100mm）。

（3）國內蓄電池組的設計標準要求，參考為國標：①嚴禁在蓄電池室內吸煙和將任何火種帶入蓄電池室內。②蓄電池室可裝設整個管路焊接的暖氣裝置，嚴禁采用明火取暖。③蓄電池應裝置在單獨的室內；蓄電池室門應向外開。蓄電池室應裝有通風裝置，通風道應單獨設置，不應通向煙道或廠房內的總通風系統。離通風管出口處10m內（含10m）有引爆物質場所時，則通風管的出風口至少應高出該建筑物屋頂2m。④蓄電池室應使用防爆型照明和防爆型排風機，開關、熔斷器、插座等應裝在蓄電池室的外面。⑤蓄電池室的照明線應采用耐酸導線，并用暗線敷設。檢修用的行燈應采用12V防爆燈，其電纜應用絕緣良好的膠質軟線。

3.2 蓄電池充電

蓄電池的倉儲充電選擇恒壓充電方式，充電時間選擇6小時。單體電池充電電壓設置為2.5V。但一般的恒壓充電初期電流過大，容易對蓄電池壽命造成影響，因此充電初期按照更新充電時間表中的要求，IDS蓄電池組設置充電電流140A，EDS蓄電池組設置充電電流190A，有效避免了蓄電池充電初期蓄電池所承受過大的電流。根據現場的實際充電試驗，可以得到蓄電池恒壓充電的充電曲線。

3.3 蓄電池組的布置

IDS蓄電池組采用預埋螺栓安裝的方式，主要考慮兩者在抗震要求方面要求的不同，對于IDS蓄電池組，需要滿足抗震I類的要求。現場經驗反饋預埋螺栓的安裝方式在混凝土澆筑時出現了大量的位置偏差，不利于現場施工，當前在焊接的方式能夠證實滿足抗震I類的要求的情況下，考慮到現場施工的方便性，將1E級蓄電池組的安裝方式改為與預埋板焊接[3]。

4 AP1000電氣系統設備施工及質量控制

4.1 電氣盤箱柜

4.1.1 電氣盤箱柜安裝流程

4.1.2 電氣盤箱柜施工及質量控制要點

（1）測量放線：根據電氣設備布置圖在現場對設備和基礎型鋼進行測量放線。

（2）基礎型鋼預制與安裝：樓板平面度偏差不能大于3mm；基礎安裝驗收允許偏差（見表1）。

表1 驗收偏差表

（3）設備運輸及現場存放：①盤柜吊裝應保持平衡，柜體不傾斜，一般情況下，電氣設備應直立運輸及存放，在設備吊裝過程中，連向吊鉤的吊繩與地平線之間的角度應大于60度。在安裝區域和因門或頂棚高度無法使用標準吊裝設備的地方，應使用管子、滾杠來搬運設備。②設備安裝前如需貯存，應采用運輸包裝箱及保護罩予以保護。③現場存放應滿足盤柜臨時存放要求，應有防潮、防雨措施。④如貯存地點沒有加熱措施，則應通過臨時電源向盤柜內加熱通電進行加熱；如盤柜內不帶加熱器，則應采用臨時加熱器加熱，以防止凝露。

（4）設備安裝前檢查：①開箱前，施工人員應熟悉設備的說明文件、裝箱單及安裝圖紙等技術資料，了解設備的性能、結構特點、幾何尺寸，查明設備的安裝位置、設備號、房間號和規格型號。②開箱后，檢查隨機文件是否齊全；按照裝箱單清點設備的零件、部件、附件、設備、附屬材料、工具等并妥善保管，設備應無變形、損傷和銹蝕。

（5）母線安裝及盤間連線：①安裝前用兆歐表測量各段母線相間及對地的絕緣電阻。②用清潔、干燥的軟布擦拭母線，檢查絕緣是否損傷，清除油脂和粘附的污物。③在母線終端，栓接支撐板，以支撐絕緣罩。④在母線終端和連接處，安裝絕緣罩。⑤盤間連線按照設計圖紙連接。

（6）盤柜接地：盤柜的接地按照設計文件要求進行規格及接地點數量的選擇。

（7）設備清潔：①盤內清潔：清理遺留在盤柜內的雜物等，用吸塵器吸凈盤柜內的灰塵和細小的雜物；②盤外清潔：清掃盤柜外表面的灰塵及污染物體，使盤柜保持干凈整潔；③盤柜屬于B級物項，其開關室也應保持清潔、干燥、無揚塵、通風環境良好。

（8）設備補漆、標識：①對運輸和安裝過程中發現的設備外殼脫漆現象，應涂刷廠家提供的油漆；若廠家沒有提供油漆，則應涂上與設備顏色相同的漆；修補時不要將油漆沾到設備配件及其他電氣設備表面。②對運輸和安裝過程中設備標識損壞的，應用新的標識牌將其更換。③殼內環境選用高固態環氧涂層，殼外環境選用富鋅漆；涂層表面應光滑，均勻，無流掛，無氣泡，無裂紋，漏涂等缺陷。

（9）電氣盤箱柜安裝實例及經驗反饋：①盤柜內存在冷凝水問題：因現場環境濕度在70%以上，臨時隔間內盤柜未密封，除濕機也未開啟，外部濕熱空氣接觸到空調直吹的柜體形成冷凝水。后續經驗反饋，電氣儀控設備隔間應確保封閉完整，隔間內空調、除濕器及時投入使用，確保溫濕度滿足設備存儲要求。②盤柜內存在內部進灰問題：房間內預埋件施工的鑿毛、鉆孔、打磨等作業導致環境存在大量粉塵，并且未采取有效管理手段與降塵措施。IDS設備未采取任何防塵保護措施。后續經驗反饋，在電儀設備成品保護工作程序中明確電儀設備區域鑿毛、鉆孔、打磨等作業必須采取降塵措施，并且有專人負責該區域的清潔管理工作。電儀設備安裝完成后，若有其他作業，應對內部的部件以及盤柜本體都進行防塵保護。

4.2 共箱母線

共箱封閉母線是指各相導體在一個公共的金屬殼內，相間沒有隔板隔開的母線，是承擔電力傳輸的重要導電部件。封閉共箱母線主要由箱體、母線導體、絕緣子、金具、連接或者緊固螺栓組成。

4.2.1 共箱母線安裝工藝流程

4.2.2 共箱封閉母線施工及質量控制要點

（1）支架預制安裝：①確認常規島核島接口處支架高度是否一致；②支吊架橫梁標高誤差不超過±5mm；③支吊架涂層表面光滑、均勻、無流掛、無裂紋。

（2）共箱母線組對：①根據母線總走向圖，盡可能一次安裝到位；②全部母線就位后，方可以進行段間連接；③待母線固定好后，焊接導體三相，確認沒問題后再焊接外殼上下抱瓦；④焊接需牢靠、滿焊無縫。

（3）共箱母線安裝：①安裝順序原則上為先戶內后戶外，戶內為先里后外；②安裝時注意箱體與支架之間不能留縫隙；③共箱母線應保證定相、連接和封閉正確；④共箱母線內壁、絕緣子表面、內部導體均應清潔無塵。

（4）螺栓連接：①共箱母線與設備連接處為螺栓連接、母線導體與設備端子導電接觸面鍍銀或者搪錫、期間用銅編織線作為伸縮連接件；②連接接頭必須用工業酒精清潔、并涂抹導電膏；③根據廠家公布的力矩值緊固螺栓或者廠家引用的標準內的力矩值緊固螺栓。

（5）接地安裝：①外殼用120mm2接地導線與接地預埋板連接；②根據圖紙多點接地。

（6）試驗：①依據廠家手冊進行絕緣測試；②依據電氣設備交接試驗標準進行耐壓試驗；③人工淋水試驗，用直徑2.5cm左右的軟管，通過距外殼3m的噴嘴，將水從與水平面45°角度噴出，連續噴淋1分鐘，共箱母線內部無水痕。

4.3 蓄電池組

AP1000蓄電池包括1E級和非1E級兩種，物項代碼分別為DB01和DB02，1E級蓄電池組屬于IDS系統，非1E級蓄電池組屬于EDS系統。

4.3.1 蓄電池組安裝流程

4.3.2 蓄電池組施工及質量控制要點

（1）開箱檢查：①包裝材料是否被損壞；②是否有發濕與污漬；③檢查酸液液位，及是否有外溢（富液式）；④數量、規格、型號是否與箱單一致。

（2）存儲維護：①存儲于清潔、干燥、涼爽的房間；②嚴禁疊放；③按照廠家要求的間隔時間進行更新充電（富液式）。

（3）環境檢查：①空間是否滿足搬運通道及安裝的要求；②通風系統是否投用，或者臨時通風系統已經投用，具備氫氣檢測的要求設備（氫氣累積量需小于蓄電池區總容量的2%。）；③環境溫濕度及控制措施是否已經到位（溫度控制在19-26度間，事故工況極限不低于15.6度）；④房間內是否還有未完成的其他施工活動。

（4）支架安裝：①房間地面的水平度是否滿足支架安裝（調整幅度6mm）的要求；②蓄電池支架的位置及水平偏差是否滿足6mm的要求；③蓄電池支架的連接螺栓力矩是否滿足廠家的給定值；④蓄電池架是否已經接地。

（5）吊裝運輸：①運輸過程及吊裝過程是否采取保護措施避免碰撞及跌落；②蓄電池應在托盤上運輸；③避免損傷導電極柱。

（6）蓄電池安裝：①蓄電池安裝到支架上的過程是否有足夠的保護措施，保持平穩避免碰撞支架，并注意注酸、注水帽、阻火器的防護②相鄰電池間的間距滿足6mm的要求（國標5mm）

連接板連接：①接線柱需擦掉保護潤滑脂進行檢查表面是否損傷，然后打磨并涂抹潤滑脂；②連接條需進行表面損傷檢查后涂抹潤滑脂（導電膏）；③按照詳圖使用合適的緊固件、連接板連接蓄電池接線柱。

4.3.3 蓄電池組安裝及經驗反饋

蓄電池支架安裝難點：①蓄電池支架安裝前地面需達到一定平整度，為后續蓄電池架前后及左右高低相差不超過1/4英寸（6毫米）的安裝要求提供支持。蓄電池支架固定在現場已經安裝好的預埋螺栓上，由于預埋螺栓的長度與支架存在沖突，需要對其切割給以保證蓄電池支架能夠正常安裝。②由于蓄電池及支架靠墻壁較近，在支架安裝前需要先安裝蓄電池防酸擋板。擋板采用膨脹螺栓進行固定。擋板內側與蓄電池支架之間的距離不小于1英寸。③支架安裝時，首先取出支架部件中的階梯形結構焊接件進行安裝。注意帶有接地孔的結構焊接件放兩側，每一組電池架共有5個結構焊接件，安裝時注意找正。④蓄電池支架的螺栓最后應使用力矩扳手擰緊，使其達到規定的力矩要求[4]。

（2）蓄電池安裝難點：①蓄電池存儲期間，需要確保房間的溫濕度滿足要求，避免連接板的氧化；②蓄電池儲存時間不能超過2年，確保存儲期間滿足B級物項存儲條件下，每6個月的維護充電；③蓄電池預埋地腳螺栓的防護，避免銹蝕；④蓄電池吊裝過程確保安全；⑤安裝完成后成品保護措施是否得當，避免損壞蓄電池結構，如加酸、加水帽等。

5 結語

本文主要對AP1000電氣系統組成及功能、安全級直流+UPS電源系統（IDS）、電氣系統設備施工及質量控制要點、后續經驗反饋等進行了解析、歸納和總結。核電廠安全系統設計基于對設計基準事件/事故的假設和對單一故障準則的應用，兩者共同構成的基本設計準則及由單一故障準則所派生的冗余性、多樣性和獨立性原則以及隔離準則（實體隔離和電氣隔離）為安全相關系統實現其充足又恰當的安全裕度，提供了必要的設計保障。