某核電站核島電氣設(shè)備布置設(shè)計及改進

摘 要：【目的】介紹核電站核島電氣配電間的布置原則及電氣設(shè)備平面布置規(guī)范，闡述電氣設(shè)備布置設(shè)計過程中的工作流程邏輯和設(shè)計改進經(jīng)驗，為其他核電站電氣設(shè)備布置設(shè)計提供有益的參考。【方法】以某核電站為例，結(jié)合現(xiàn)場實際安裝情況，介紹核島電氣配電間內(nèi)變壓器、開關(guān)柜等設(shè)備的平面布置規(guī)范，分析設(shè)計過程中要注意的事項。針對現(xiàn)場遇到的問題，進行設(shè)計改進，并進行總結(jié)。【結(jié)果】詳細闡述了核電站核島電氣配電間的布置原則、電氣設(shè)備的平面布置規(guī)范及電氣設(shè)備布置設(shè)計過程中的邏輯工作流程。通過發(fā)現(xiàn)和解決現(xiàn)場問題，總結(jié)相關(guān)的設(shè)計改進經(jīng)驗，提高設(shè)計能力。【結(jié)論】在核電站電氣設(shè)備布置設(shè)計過程中，要遵循合理布局、安全可靠、實用高效的設(shè)計原則。根據(jù)實際需要，對布置方案進行適當?shù)恼{(diào)整和改進，確保電氣設(shè)備布置的安全性、可靠性和高效性。

關(guān)鍵詞：核電站；電氣設(shè)備布置；土建預埋；運輸路徑；三維建模

中圖分類號：TL371" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2023）13-0047-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.13.009

Design and Improvement of Electrical Equipment Arrangement for a Nuclear Island of a Nuclear Power Plant

ZHANG Cuilan

（China Institute of Atomic Energy，Beijing 102413，China）

Abstract： [Purposes] The purpose of this paper is to introduce the layout principles of the nuclear island electrical distribution room of a nuclear power plant and the plan layout specifications of electrical equipment， and to elaborate the workflow logic and design improvement experience in the design process of electrical equipment layout， so as to provide useful references for the layout design of electrical equipment in other nuclear power plants.[Methods] Taking a nuclear power plant as an example， the plan layout specifications for transformers， switchgear and other equipment in the electrical distribution room of its nuclear island are introduced with the actual installation situation on site， and the matters that need attention in the design process are analysed. Design improvements are made and summarised for the problems encountered on site. [Findings] The layout principles of the nuclear island electrical distribution room of the nuclear power plant and the plan layout specifications of the electrical equipment and the logical workflow of the electrical equipment layout design process are elaborated. Through the identification and solution of field problems， relevant design improvement experience was summarised and the design capability was improved.[Conclusions] In the design process of the electrical equipment layout of nuclear power plants， the design principles of reasonable layout， safety and reliability， practicality and efficiency need to be followed. According to the actual needs， appropriate adjustments and improvements are made to the layout plan to ensure the safety， reliability and efficiency of the electrical equipment layout.

Keywords： nuclear power plant; electrical equipment layout; civil engineering embedding; transportation path; 3D modeling

0 引言

合理布置核電站電氣設(shè)備是保證核電站安全運行的一種措施，也是指導現(xiàn)場設(shè)備安裝、施工圖設(shè)計階段非常重要的環(huán)節(jié)，正確的布局和布置不僅能節(jié)省廠房面積、減少橋架和電纜長度，還可有效防止線路短路和設(shè)備故障，保障電力的穩(wěn)定供應(yīng)。因此，核電站電氣設(shè)備的布置要經(jīng)過周密的規(guī)劃和設(shè)計，確保核電站的運行效率和安全性。

1 電氣配電間分配方案及設(shè)計要點

某核電站核島廠房主要有5個，該電站用電負荷多，電纜數(shù)量多，且分散在各廠房、各樓層。核島廠房中只有電氣廠房設(shè)有電纜豎井，其他廠房無電纜豎井，電纜路徑只能通過走廊通道進行鋪設(shè)。針對這個特點，在電氣配電間布置規(guī)劃前期，要充分考慮各方因素。①各個廠房的用電負荷盡量由本廠房配電間進行供電，避免跨廠房的供電。②配電間應(yīng)盡量接近負荷中心，以降低配電系統(tǒng)的電能損耗、電壓損耗和有色金屬消耗量。③要充分考慮電氣設(shè)備的功能，將電氣功能上相關(guān)聯(lián)的設(shè)備盡量近距離布置，如將蓄電池盡量布置在靠近UPS、充電器、電氣柜和儀控DCS機柜的位置，越近越好，以便減少電纜長度。④配電間內(nèi)要安裝各種電氣設(shè)備，包括變壓器、開關(guān)柜、控制柜、UPS等，在設(shè)計時要考慮這些電氣設(shè)備的規(guī)格和尺寸，確保能安裝在配電間內(nèi)。還要確保設(shè)備間的距離和通道的寬度足夠，方便維修和檢修。⑤根據(jù)核電站的特點，要考慮安全級電氣設(shè)備的獨立性，同時考慮防火分區(qū)、水淹分區(qū)和輻射分區(qū)等空間要求。電氣設(shè)備布置時考慮防火分區(qū)的主要目的是保證在發(fā)生火災(zāi)時，電氣設(shè)備不會燃燒或引起爆炸。

在電氣設(shè)備布置時，可根據(jù)具體情況對防火分區(qū)進行劃分。①根據(jù)建筑物區(qū)域的不同進行劃分。根據(jù)建筑物的不同用途、防火分區(qū)、地形地貌等來進行區(qū)域劃分。②按照電氣設(shè)備的特點劃分。根據(jù)電氣設(shè)備的用途、功率、靈敏度、容量等因素，將電氣設(shè)備劃分為不同的防火分區(qū)。如將高壓設(shè)備和低壓設(shè)備分別安置在不同區(qū)域，避免因設(shè)備故障或電路故障而引起火災(zāi)。

在核電站電氣設(shè)備布置時，應(yīng)充分考慮水淹分區(qū)，根據(jù)不同等級的水淹分區(qū)，應(yīng)當采取相應(yīng)的電氣設(shè)備布置措施。此外，還應(yīng)當對安全級設(shè)備進行冗余設(shè)計，并將不同安全序列的設(shè)備布置在不同的水淹等級區(qū)域，保證整個核電站能穩(wěn)定運行。

核電站電氣設(shè)備的布置要充分考慮輻射分區(qū)，保證設(shè)備穩(wěn)定運行和人員的安全。電氣設(shè)備一般布置在綠區(qū)外，便于人員的可達性和長期操作性。

2 電氣設(shè)備布置設(shè)計及改進

2.1 電氣設(shè)備基礎(chǔ)預埋設(shè)計

電氣設(shè)備的安裝主要有施工準備期、預埋期、設(shè)備安裝期和調(diào)試試驗期。其中，預埋期的工程施工有著重要地位，預埋期不僅施工周期較長，且對電氣設(shè)備的安裝質(zhì)量和使用都有重要影響，同時電氣預埋的合理性也會影響后面設(shè)備的安裝進度。

2.1.1 核電站電氣柜和變壓器預埋件設(shè)計選型。在選型預埋件時，要根據(jù)對電氣柜的需求，選擇適合的型號和規(guī)格，確保電氣柜的性能穩(wěn)定可靠。首先，要根據(jù)安裝設(shè)備的類型和尺寸，選擇合適的預埋件，確保設(shè)備能穩(wěn)定地固定在預埋件上。其次，預埋件要能承受設(shè)備的荷載（包括拉力、剪力、彎矩和扭矩）和使用中產(chǎn)生的振動或沖擊，因此要選擇具有足夠承重能力的預埋件，預埋件的承載力與錨筋數(shù)量、錨筋直徑有關(guān)，預埋件適用的最小墻體厚度和混凝土邊最小距離，在滿足載荷的情況下，優(yōu)先選擇錨筋數(shù)量少的埋件。最后，預埋件所使用的材料質(zhì)量和強度也非常重要，要選擇能承受環(huán)境影響和使用壽命長的高質(zhì)量材料。

根據(jù)設(shè)備廠家提供的埋件圖對核電站電氣設(shè)備預埋件進行選型，開關(guān)柜埋件選用長寬厚為1 000 mm×100 mm×50 mm、變壓器埋件選用長寬厚為1 000 mm×200 mm×50 mm，預埋件的鋼板為碳鋼，錨筋為熱軋帶肋鋼筋。

2.1.2 預埋件基礎(chǔ)預埋設(shè)計。要重視核電站電氣配電柜、變壓器基礎(chǔ)預埋的安全問題，確保預埋件的質(zhì)量和精度都符合要求。首先，根據(jù)工程項目進展，基礎(chǔ)預埋一般開展較早，在電氣設(shè)備數(shù)量未知的情況下，房間內(nèi)按最大布置配電柜數(shù)量進行預埋設(shè)計。其次，由于前期配電柜尺寸未固化，電氣預埋件按開關(guān)柜深度800 mm和600 mm同時預埋，便于調(diào)整柜子尺寸。再次，預埋件的間距要和廠家提供的設(shè)備基礎(chǔ)圖一致，電氣柜柜前和柜后分別多留25 mm寬度埋件，變壓器柜前后各多留30 mm，如圖1所示。最后，預埋件安裝面水平誤差要滿足設(shè)備廠家要求。

2.1.3 基礎(chǔ)預埋存在的問題及改進。核電站基礎(chǔ)預埋是指在核電站建造過程中，將電氣設(shè)備埋件預先留在基礎(chǔ)中。基礎(chǔ)預埋出現(xiàn)的問題可能會對電氣設(shè)備的安裝和運行產(chǎn)生負面影響。①預埋數(shù)量不足。預埋的數(shù)量要根據(jù)設(shè)備要求和技術(shù)規(guī)范進行規(guī)劃和布置，如果數(shù)量不足，可能會影響設(shè)備的安裝和運行。②預埋位置不準確。預埋位置的準確性對設(shè)備的安裝和運行非常重要，如果位置不準確，可能會影響設(shè)備的穩(wěn)定性。③預埋長度不夠。如果電氣柜未完全落在預埋件上，可能會導致電氣柜不穩(wěn)定、傾斜或受力不均，影響電氣柜的使用和安全。由于開關(guān)柜在并柜安裝過程中會存在間隙，并柜安裝后，柜子長度大于預埋長度。針對這個問題，在基礎(chǔ)預埋時，要留一定的余量，預埋的長度要比設(shè)備長度多出約200 mm。④預埋精度不夠。如果電氣預埋件的安裝面水平誤差過大，可能會引發(fā)以下問題。①影響設(shè)備的穩(wěn)定性。電氣預埋件的安裝面水平度不好，導致設(shè)備無法平穩(wěn)地安放，出現(xiàn)設(shè)備不穩(wěn)定、晃動或傾斜等問題。②增加設(shè)備運行時的振動和噪聲。電氣設(shè)備在運行時，如果存在不良的水平度誤差，可能會增加設(shè)備的振動和噪聲，降低設(shè)備的使用壽命。③降低電氣設(shè)備的性能。安裝面水平度不良會導致電氣設(shè)備安裝的位置不準確，影響設(shè)備的工作性能和技術(shù)指標，降低電氣設(shè)備的使用效率和使用壽命。④增加電氣事故的風險。安裝面水平度不良可能會導致電氣接觸不良等問題，增加電氣事故的風險，影響電氣設(shè)備的安全運行。

由于該核電站在前期基礎(chǔ)預埋時，水平精度、平整度未達到設(shè)備安裝要求，導致設(shè)備無法安裝。為解決這個問題，在后期基礎(chǔ)預埋施工過程中，改成在一次預埋基礎(chǔ)上，再增加二次預埋件，如圖2所示。采用打磨或墊片將二次埋件找平，固定焊接在一次埋件上，來調(diào)整預埋精度，滿足設(shè)備安裝要求。

2.2 電氣設(shè)備布置圖設(shè)計

核電站電氣設(shè)備布置圖是指對核電站中各種電氣設(shè)備（包括變壓器、蓄電池、保護設(shè)備等）在廠房中的位置、布置方式和母線橋位置等進行詳細描述和圖形化表達的一種圖紙。電氣設(shè)備布置圖主要用于指導電氣設(shè)備的安裝（布置圖清晰地表明各種設(shè)備在核電站中的位置和布置方式，為電氣設(shè)備的安裝提供指導）、提高電氣設(shè)備的可維護性（布置圖還包括設(shè)備的維修空間、操作空間等信息，為維修保養(yǎng)工作提供依據(jù)，提高電氣設(shè)備的可維護性）、用于施工驗收（布置圖是電氣設(shè)備的詳細描述，可作為施工過程的依據(jù)，方便進行施工驗收，在完工后，布置圖也可作為電氣系統(tǒng)的重要檔案之一）。

2.2.1 低壓開關(guān)柜平面布置。低壓開關(guān)柜主要有固定式和抽出式。開關(guān)柜布置應(yīng)按照高安全、易操作、易維護等要求進行布置，同時應(yīng)留出足夠的操作空間和人員安全距離。《低壓配電設(shè)計規(guī)范》（GB 50054—2011）［1］成排布置的開關(guān)柜，空間選擇單排布置、雙排面對面布置和多排同向布置，成排布置的開關(guān)柜通道最小寬度要求見表1。對該核電站進行電氣設(shè)備布置時要按受限布置。采用單排布置時，固定式開關(guān)柜柜前操作通道最小距離為1 300 mm、抽出式開關(guān)柜柜前操作通道最小距離為1 600 mm、柜后操作通道最小距離為800 mm、柜側(cè)通道最小距離為800 mm。采用雙排面對面布置時，固定式開關(guān)柜柜前操作通道最小距離為1 800 mm、抽出式開關(guān)柜柜前操作通道最小距離為2 100 mm、柜后操作通道最小距離為800 mm、柜側(cè)通道最小距離為800 mm。采用多排同向布置時，固定式開關(guān)柜柜前操作通道最小距離為1 800 mm、抽出式開關(guān)柜柜前操作通道最小距離為2 100 mm、柜后操作通道最小距離為800 mm、柜側(cè)通道最小距離為800 mm。

配電間內(nèi)成排布置的開關(guān)柜，其長度超過6 m時，柜后的通道應(yīng)設(shè)2個出口，宜布置在通道的兩端。當兩出口之間的距離超過15 m時，其應(yīng)增加出口［1］。

2.2.2 變壓器平面布置。該核電站核島中10/0.4 kV變壓器都是采用干式變壓器，根據(jù)《民用建筑電氣設(shè)計標準》（GB 51348—2019）［2］，該核電站干式變壓器容量為1 000～2 000 kVA，成排布置的配電屏通道最小密度見表2。由表2可知干式變壓器外廓與門和墻的距離取最大值800 mm。

2.2.3 核電站電氣設(shè)備布置注意事項。核電站電氣設(shè)備分為安全級和非安全級，安全級設(shè)備與非安全級設(shè)備分區(qū)布置。根據(jù)設(shè)備的安全級別和作用，對不同等級的設(shè)備進行分類，對安全級設(shè)備和非安全級設(shè)備進行分區(qū)布置，避免交叉布置。對安全級設(shè)備要采用冗余設(shè)計，確保其可靠性和安全性，布置時應(yīng)考慮設(shè)備的位置、備用電源和應(yīng)急電源等因素，使設(shè)備滿足設(shè)計要求。設(shè)置合適的隔離屏障，將安全級設(shè)備和非安全級設(shè)備互相隔離，防止非安全級設(shè)備對安全級設(shè)備產(chǎn)生影響［3］。

2.3 核島廠房內(nèi)電氣設(shè)備運輸路徑設(shè)計

在廠房內(nèi)部電氣設(shè)備轉(zhuǎn)運就位過程中，要考慮多個因素，如安全性、存儲要求、運輸路線、轉(zhuǎn)運順序、環(huán)境因素等。在電氣設(shè)備布置時，要對設(shè)備的運輸路徑進行細致分析和規(guī)劃。首先，根據(jù)核島各個廠房出入口位置和電氣設(shè)備的重量尺寸來選擇貨運電梯或吊裝口，規(guī)劃電氣設(shè)備的運輸路徑。其次，根據(jù)電氣設(shè)備尺寸，通過擴大、增加、修改運輸路徑中經(jīng)過的門洞尺寸，滿足設(shè)備運輸要求。門洞高度要按設(shè)備高度、運輸小車的高度、門企口高度、門檻高度、富余量之和來設(shè)置，門洞的寬度按設(shè)備寬度、門兩邊企口厚度、富余量之和來設(shè)置。核島中有部分房間設(shè)備無法轉(zhuǎn)運到位，因走廊空間較小，要提前考慮在墻上開二次澆門洞，待設(shè)備就位后，再封堵二次澆門洞，便于設(shè)備運輸，但不利于后期設(shè)備更換維修，設(shè)備出現(xiàn)故障后無法整套運出，應(yīng)盡量避免二次澆門洞。

2.4 電氣設(shè)備在SP3D中三維建模

SmartPlant 3D（SP3D）是三維建模軟件之一，能在一個集成化的平臺上完成設(shè)計、建模、分析、評估、檢查、審批等工作流程。核電站電氣設(shè)備的三維建模非常重要，三維建模可提供準確的設(shè)備定位，以便更好地理解設(shè)備布局和功能，提高設(shè)備的可靠性和安全性。三維建模也能發(fā)現(xiàn)建設(shè)過程中可能存在的問題，并及時解決以下設(shè)計問題。

①空間分配問題。通過電氣設(shè)備的三維建模可分配設(shè)備在有限空間內(nèi)的尺寸和位置，檢查安裝過程中可能出現(xiàn)的干擾、沖突和問題。

②設(shè)備參數(shù)確認問題。通過電氣設(shè)備的三維建模能更好地查看設(shè)備的組成部分，確定設(shè)備的各項參數(shù)，如容量信息、額定電壓、保護等級、連接方式等。

③細節(jié)問題。通過電氣設(shè)備的三維建模能幫助識別設(shè)備的詳細組成部分，在建模過程中發(fā)現(xiàn)模型排布、配電電路和連接方式方案可能存在的變更，并在設(shè)計初期進行考慮和調(diào)整。

④安全問題。通過電氣設(shè)備的三維建模能提前發(fā)現(xiàn)潛在的安全風險和問題，如設(shè)備間的干擾和碰撞問題，盡量減少在實際施工中出現(xiàn)的意外事故。

⑤數(shù)據(jù)一體化問題。通過電氣設(shè)備的三維建模能與其他專業(yè)（如土建、機械）建模的數(shù)據(jù)一體化，整個工程的數(shù)據(jù)得到統(tǒng)一管理，提高工效，減少錯誤。

3 結(jié)語

核島廠房電氣設(shè)備布置的設(shè)計要嚴格執(zhí)行標準規(guī)范，結(jié)合現(xiàn)場出現(xiàn)的問題進行設(shè)計改進，進一步提高設(shè)計水平。通過對核島電氣設(shè)備的布置原則、電氣設(shè)備平面布置要求、設(shè)計過程中的注意事項及電氣設(shè)備布置設(shè)計工作流程進行研究，提出核島廠房中電氣設(shè)備布置設(shè)計流程，從電氣設(shè)備土建預埋到電氣平面圖的設(shè)計，再到電氣設(shè)備的運輸路徑，并在SP3D中進行三維建模。本研究為以后設(shè)計工作積累了一定經(jīng)驗。

參考文獻：

［1］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.低壓配電設(shè)計規(guī)范：GB 50054—2011［S］.北京：中國計劃出版社，2011.

［2］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.民用建筑電氣設(shè)計標準：GB 51348—2019［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2019.

［3］國家市場監(jiān)督管理總局，國家標準化管理委員會.核電廠安全級電氣設(shè)備和電路獨立性準則：GB/T 13286—2021［S］.北京：中國標準出版社，2021.