核电厂厂用电供电方式改进分析

杨智慧，张 涛

（苏州热工研究院有限公司电站运行技术研究中心，广东 深圳518124）

厂用电主要为电厂的重要系统提供动力、控制和监视电源。由于绝大多数电厂负荷都是由其直接或间接驱动，厂用电的正常运行是电厂安全环境和电力生产持续的保障。全厂断电主要是指6.6／10kV厂用电源丧失。如果发生全厂断电事故，对于常规电厂意味着人身和设备等重大经济损失，而对于核电厂还有可能导致核泄漏以及由此衍生的一系列重大的环境、社会影响。越来越多的研究表明，全厂断电事故是可能引发核电厂堆芯损坏的主要事故之一。为了防止全厂断电事故的发生，大多数发电厂都设有备用电源和失去厂外电源情况下的电厂内部紧急备用（安全停机）电源。

1 核电厂的厂用电现状

1.1 大亚湾和岭澳核电站的厂用电现状

大亚湾和岭澳核电站各有2台装机容量为980～1 000MW的压水堆核电机组。大亚湾核电站外接电源有3路，一路由1号发电机经主变压器、主开关站通过3回线与400kV香港电网和深圳电网相连；一路由2号发电机经主变压器、主开关站通过核惠线与500kV广东电网相连；第3路通过坪核单回线与220kV深圳电网相连，作为整个电厂的厂外应急备用电源（图1）。一旦400／500kV主电网电源丧失，可以通过备用电源继续向机组永久附属设备和安全附属设备供电，保证机组安全。2台发电机输出的电能进入广东电网或与广东电网联网的香港电网，220kV电网属于广东电网下级的深圳电网。正在运行的2座核电厂相距不到1km，岭澳核电站二期2台1 000MW发电机组预计2011年投入商业运行，岭澳核电站目前在运的2台机组和未来的2台机组都将经过四回出线接入500kV广东电网。

图1 大亚湾和岭澳核电站厂用电系统简图Fig.1 Service power supply system of Daya Bay and Ling’Ao NPPsMT—主变压器；AT—辅助变压器；TU—汽轮机；G—发电机；ST—厂用变压器；1LGE、1LGA、1LGB、1LGD、1LGC、9LGI、1LHA、1LHB均为厂用电供电段

1.2 大亚湾和岭澳核电站厂用电运行方式

（1）机组功率运行时，6kV厂用电源通过发电机出口26kV母线经高压厂用变压器A和B供电。

（2）当机组停机大修时，随着汽轮发电机机组停运，发供电系统（GSY）负荷开关断开，所有6.6kV母线的供电由主变压器经过500kV电网提供。当主变压器或厂用变压器维修时，6.6kV母线供电由500kV电网切换至辅助厂用电供电段LGR，此时LGE母线无法供电，其他6.6kV母线均可以供电。

（3）变配电系统（GEV）手动停运：在主变压器停电之前，执行试验程序PT1LGI001（或PT2LGI001），即先将LGB／LGC转为由辅助变压器供电，再将LGA／LGD转为由LGB／LGC供电。

（4）GEV系统故障切除停运：在26kV母线或降压变压器A失电的情况下，将自动慢速切换到由辅助变压器对 LGB／LGC／LHA／LHB／9LGIA／9LGIB供电，使反应堆维持在热停堆状态。应急柴油机系统启动空载运行。LGA／LGD可以通过与LGB／LGC之间的母联开关转为由辅助变压器供电，使1台反应堆冷却剂泵（RCP001PO）重新启动。

（5）LHA／B母线失电：在LHA／B系统由正常电源供电时，当LHA／B系统失电（小于0.8倍额定电压）时间大于0.9s后，向应急电源发出启动信号；当LHA系统失电时间大于7.9s后，自动切断正常供电电源。切断正常电源后且母线电压未恢复且有允许投入应急电源的信号时自动启动卸载程序；当切断正常供电电源后1.5s且应急电源已准备好时（柴油机建 压 0.97 倍 额 定 电 压／建 频 49.5Hz），LHA系统自动转为由应急电源供电；当LHA／B系统电压恢复或允许应急电源投入的信号消失时，自动启动加载延时程序。当LHA系统转为由应急电源供电后，如失电时间大于5s，LHA系统自动转回由正常电源供电。

1.3 田湾核电站的厂用电现状

田湾核电站现有2台装机容量为1 000MW的核电机组，核电厂外接电源有2路，一路由发电机经主变压器、主开关站通过500kV线路连接500kV华东电网，另一路通过单回线与220kV电网相连，220kV电源带有2台启动变压器作为500kV电网故障时保证机组安全停机所需的厂外备用电源（图2）。

图2 田湾核电站厂用电系统简图Fig.2 Service power supply system of Tianwan NPPBCT—辅助变压器；BAT—主变压器；MKA—发电机；XKA—柴油发电机；BEA、BCA、BCB—6kV厂用供电段

（1）正常运行时，厂用负荷由发电机经出口24kV母线给高压厂用变压器A和B供电。

（2）机组启动或停运时，厂用负荷由500kV电网经主变压器通过2台高压厂用变压器供电。

（3）当失去主电网电源供给时，发电机负荷降至厂用负荷运行，厂用电源由主发电机供给；当主变压器或厂用变压器维修时，6kV厂用电源供电由500kV电网切换至220kV电网，通过辅助变压器向厂内负载供电。

（4）当机组保护动作引起跳机或发电机、主变压器故障时，通过发电机变压器组保护、6kV母线低电压保护或者断路器状态启动6kV厂用电源由高压厂用变压器快速切换至由220kV电网供电的辅助变压器供电，通过辅助变压器向厂内负载供电，在电源切换过程中不会出现供电中断。

（5）与大亚湾核电站相比，田湾核电站6kV厂用电系统的优点有：田湾核电站2台启动变压器低压侧与机组高压厂用变压器容量相同，而且由于使用厂用电快速切换装置，机组停机／事故切换时，6kV厂用电系统在电源切换过程中不会出现供电中断，也不会出现为了保证6kV厂用电电压稳定需要甩掉一些负荷的情况，不存在大亚湾核电站事故停机时出现的各种缺点。其缺点是：尽管田湾核电站2台启动变压器低压侧与机组高压厂用变压器容量相同，但是没有用启动变压器做机组启动所需6kV电源的功能，所以虽然命名为启动变压器，实际上只有机组备用电源功能。

1.4 台山核电厂的厂用电现状

台山核电厂一期设计装有2台装机容量为1 600MW的压水堆核电机组，系统简图见图3。核电厂外接电源有2路，与大亚湾核电站和田湾核电站相同。核电厂6kV厂用电系统与大亚湾核电站和田湾核电站的区别有：台山核电厂2台机组高压厂用变压器高压侧与主变压器各通过1个断路器与500kV电网相连，由于使用厂用电快速切换装置，机组停机／事故切换时，除非500kV电网故障或者高压厂用变压器故障，否则6.6kV厂用电系统不存在电源切换，不会出现供电中断。台山核电厂欧洲先进压水堆（EPR）机组设计的供电方式为：

图3 台山核电厂厂用电系统简图Fig.3 Service power supply system of Taishan NPP SF6GIS／GIB—封闭组合电器；IPB—离相封闭母线

（1）正常运行时，厂用负荷由发电机通过主变压器经500kV开关站对2台厂用变压器供电。

（2）发电机停运时，厂用负荷由500kV电网通过2台厂用变压器供电。

（3）当主电网电源供给失去时，发电机负荷降至厂用负荷运行，厂用电源由主发电机供给；如果降至厂用负荷运行不成功，切换至220kV电网，通过辅助变压器向厂内负载供电。当1台厂用变压器故障时，厂用负荷由辅助电网通过1台辅助变压器供电。

（4）当机组保护动作引起跳机或发电机、主变压器故障时不启动切换，而是由主电网供电；当1台厂用变压器故障需要退出检修时，允许辅助变压器代替该厂用变压器运行一段时间（技术规范未确定）。

2 核电厂厂用电分析

2.1 大亚湾和岭澳核电站厂用电分析

大亚湾和岭澳核电站采用的低电压延时厂用电运行方式的弊端如下：

（1）机组启动或停运时，主变压器由高压侧送电，使高压厂用变压器得电而供电给6.6kV 厂 用 配 电 盘 LGA／LGD／LGB／LGC／LGE，厂用6.6kV配电盘切换过程中厂用、公用6.6kV配电盘将出现供电中断，切换前大批负荷进行停电和再送电重新启动操作；对主变压器状态的依赖性很高。

（2）如果某个高压厂用变压器或者6kV厂用电源断路器有1个“偷跳”，会导致某段6kV厂用电源母线失电引起的跳机、跳堆事件发生。

（3）大亚湾核电站还有一条220kV坪核线路运行，岭澳核电站和岭澳核电站二期现在由大亚湾坪核线的T接分支和风岭线二回线路给一个变电站供电，由2条母线给2个电厂的4台辅助变压器供电，坪核线只是作为风岭线的备用。机组检修期间，如果220kV线路故障会导致2台辅助变压器失电，从而引发机组进入应急状态。如果长时间不能恢复供电，会造成运行机组后撤。如2010年5月7日3时18分，深圳坪核线故障跳闸导致大亚湾核电站2号机组失去厂外电源，外电源失去后A列应急柴油机D2LHP按设计要求自动启动带载成功。大亚湾核电站程序规定执行失电事故处理程序IR4B，4时35分2号机组因失去厂外电源中止装料并进入应急待命状态。

在系统故障紧急停机时厂用电源延时切换的缺点如下：

（1）事故情况的瞬态冲击危及核岛和常规岛主设备的安全，有可能产生多重故障而引发重大事故后果。

（2）事故情况下6.6kV 厂用配电盘LGB／LGC通过自动低电压延时切换到由辅助变压器供电，切换过程中全厂中压电源系统将出现供电中断，LGB／LGC将出现1.5～3s供电中断，增加引发其他事故发生的概率。

（3）事故情况下中压电源切换到由220kV辅助电源供电，由于辅助电源容量限制，事故情况下要甩掉大批负荷，如核岛3台主泵、常规岛3台凝结水泵、2台循环冷却水泵、安全注射泵、余热导出泵等许多与核安全相关的设备，从而增加事故的影响范围；其次切换后需要重新启动的应急厂用设备容量和同时启动的数量也有限制，如只许1台反应堆冷却剂泵（RCP001PO）重新启动。

（4）事故情况下当厂用配电盘电压低于0.7倍额定电压时，会启动应急柴油发电机组及辅助给水系统（ASG）；厂外辅助电源切换成功后又需要将这些设备停下来恢复备用状态，这种无谓的启－停对设备的消耗和寿命有很大影响。

（5）事故情况下LHA／B因LGB／C低电压延时切换也有3s左右的失电时间，所以需要执行卸载、加载程序，增加了设备启－停操作的风险并影响设备的寿命。

（6）由于事故情况影响带来的操作压力大、操作项目多、操作次序要求严格，由操作人员误操作的概率也大大提高。

2.2 田湾核电站厂用电分析

田湾核电站机组的启动与大亚湾核电站一样都是由500kV高压电网通过主变压器、高压厂用变压器来为6kV厂用电源供电。启动变压器只是起到备用电源的功能，并不能启动机组。

2.3 台山核电厂厂用电分析

台山核电厂厂用变压器电源直接使用500kV电网电源，所以可以不考虑在发电机和变压器之间设置负荷开关，这样可以节省相应的投资。但是也带来一些缺点：

（1）由于2台高压厂用变压器分别直接与500kV电网连接，造成2台厂用变压器的投资大大增加。

（2）由于使用的厂用变压器变压等级为500kV／6kV，设备使用经验少，增加了使用新设备带来的风险，厂用变压器的维修工作可能会更繁重。

（3）500kV侧增加2台断路器，增大了500kV变电站的投资。

3 核电厂厂用电改造方案和改造后优点分析

3.1 大亚湾和岭澳核电站厂用电改造方案和改进后的优点

大亚湾和岭澳核电站可以进行如下改进：

（1）改造辅助变压器容量，使其低压侧容量与高压厂用变压器相同，增加LGE段备用电源。

（2）大亚湾和岭澳核电站6kV厂用电可以考虑设置2段公用母线，作为2个电厂机组厂用电源的备用段和电厂公用负荷的电源。

（3）厂用电切换采用具有“快切”和“检同期”功能的厂用电切换装置。目前国内有几个厂家生产这种设备，据田湾核电站和大多数火电厂应用经验来看，这种装置切换可靠，成功率高，未曾出现切换不成功导致的事故扩大事件。

（4）220kV备用电源应设计为2路电源供电，目前可以考虑将大亚湾核电站2台辅助变压器的电源接到岭澳核电站220kV变电站母线上，像1＃、2＃辅助变压器与母线连接一样，同时改变岭澳核电站220kV变电站2条进线运行方式从“1运行1备用”改为2条同时运行。

大亚湾和岭澳核电站厂用电改造后的优点：

（1）事故情况下延时切换导致很多电源、负荷的跳闸和启－停切换操作，采用新型厂用电切换装置后，只需切换一次，一般快速切换即可，最多使用首次同期切换就可以直接切换到220kV备用厂用电系统，所有电源和负荷可以达到“无感觉”切换。与依赖于上百个串联操作的事故手动切换的可靠性相比，结果是不言而喻的。此外这种方式有4个好处：① 可以免除无谓的启－停应急柴油发电机组、ASG和其他应急厂用设备；② 免除中间过程大量电源和负荷的手动切换，减少人因失误因素；③ 提高厂用供电安全性，如有可能，可以重新计算整个核电厂的安全性以期获得较高的安全评价或者优化减少备用电源方案的资金投入（例如取消第5台柴油机）；④ 改造后应急柴油发电机组、ASG和其他应急厂用设备启－停次数大大减少，对厂用电源的重要程度有所降低，相应的试验周期也可以因此而优化。

（2）发电厂厂用电切换主要集中于正常启－停机切换和事故切换，使用厂用电切换装置可以避免因电源切换造成的电动、机械设备启－停次数，减少由送电和失电带来的设备寿命损失、设备可靠性降低及由此而投入的维修成本。

（3）事故情况下配电盘电源切换到220kV辅助电源，由于辅助变压器容量与机组厂用变压器容量接近，可以通过“快切”或首次同期捕捉达到厂用变压器负荷与辅助变压器负荷的顺利“交接”，不需要考虑备用电源容量限制、启动容量限制和启动序列，大大缩小事故影响范围。

（4）事故情况下6.6kV厂用配电盘除LGE外供电不中断，不会对由电力驱动或者控制的系统产生任何不利影响。尤其是主泵，如果事故情况下仍能保证3台主泵都可以运行，核岛设备和与核安全相关设备的安全性将大大提高。

（5）可以为核电厂带来一种新的启－停机方案。以前大亚湾和岭澳核电站启机时，首先主变压器由高压侧送电，使得高压厂用变压器得电而供电给6.6kV 厂用配电盘 LGA／LGD／LGB／LGC／LGE；停机时由发电机与主变压器之间封闭母线上装设的负荷开关断开发电机与电网的连接，此时主变压器和厂用变压器继续运行带载停机厂用负荷，对主变压器状态的依赖性很高。采用新的厂用电切换装置后，可以实现启－停机不需主变压器、厂用变压器参与，直接切换到220kV备用厂用电系统，但效果与原来运行方式一样。此外这种方式有3个好处：① 可以免除启机时440／550kV高压冲击主变压器带来的对电网系统和厂用设备的不良影响；② 可以免除中间过程大量电源和负荷的手动切换，减少人因失误；③ 可以降低对主变压器和厂用变压器在启机过程的依赖程度，进而实现缩短以主变压器或厂用变压器检修为关键路径的机组检修的工期。

（6）发展了一种新的并网方案。正常情况下大亚湾和岭澳核电站启机时，首先主变压器由高压侧送电，使得高压厂用变压器得电而供电给 6.6kV 厂 用 配 电 盘 LGA／LGD／LGB／LGC／LGE，机组启动发电机励磁空载运行后通过发电机与主变压器之间封闭母线上装设的负荷开关与电网并网连接发电。如果采用厂用电切换装置，可以达到启机时由220kV电源系统带机组厂用电负荷，机组启动后发电机带主变压器、厂用变压器升电压至额定电压，由6.6kV侧厂用、备用电源同期实现由发电机自带厂用电负荷，然后经主变压器高压侧550／440kV开关与广东（香港）电网并网运行。

（7）降低机组对厂用电源设备异常的依赖能力。正常运行情况下如果发生机组厂用进线开关意外断开或者二次回路故障造成的部分厂用电失电，不需要跳机、跳堆，可以由220kV备用厂外电源带机组厂用负荷，故障消除后还可以通过厂用电切换装置切回机组厂用电运行。

（8）核电厂之间设置6kV公用段可以作为电厂机组厂用负荷的备用，避免出现“2010年5月7日电厂进入应急状态”一样当机组检修时220kV外部电源故障使电厂进入应急状态；此外，公用段供应厂内公用负荷，可以提高厂内公用设备的供电可靠性，同时由于使用的是自产电源，大大减少由于供用电差价造成的经济损失。

（9）DL／T 5153—2002《火力发电厂厂用电设计技术规定》第4.5.3节规定：“2台及以上高压厂用启动／备用变压器应该由2个线路（电源）供电”。风岭线和坪核线路2条线路都正常运行，大亚湾核电站2台辅助变压器从岭澳核电站220kV变电站分别接入，这样供电方式更加简单可靠，运行方式灵活，即使一条线路故障失电也不会导致“2010年5月7日电厂进入应急状态”的事件发生。

3.2 田湾核电站厂用电改造方案和改造后优点

由于2台启动变压器容量与高压厂用变压器相同，厂用电切换使用新型厂用电快速切换装置，无需像大亚湾和岭澳核电站一样改造，只需把2台启动的电源分别引到对应的2台机组的2台高压厂用变压器所带的6kV厂用段，然后修改机组运行方案，增加2种运行方式来优化设备管理。

（1）由于2台启动变压器容量与每台机组的高压厂用变压器容量相同，所以可以考虑发展一种新的启机方式：启机时由220kV电源系统通过2台启动变压器带机组厂用电负荷，机组启动后发电机带主变压器、厂用变压器升电压至额定电压，由6.6kV侧厂用电源、备用电源同期切换实现由发电机自带厂用电负荷，然后经主变压器高压侧500kV断路器与同期并列实现与电网并网运行的启机过程。与以前运行方式相比，这种方式有3个优点：① 可以免除启机时550／440kV高压冲击主变压器带来的电网系统和厂用设备的不良影响；② 免除中间过程大量电源和负荷的手动切换，减少人因失误因素；③ 降低对主变压器和厂用变压器在启机过程的依赖程度，可以实现缩短以主变压器或厂用变压器检修为关键路径的机组检修的工期。

（2）正常运行情况下如果发生机组厂用进线开关意外断开或者保护、二次回路故障造成部分6kV厂用段失电，可以通过厂用电切换装置将失电厂用段切换为220kV的启动／备用变电源，不会引起跳机、跳堆，故障消除后还可以通过厂用电切换装置切回机组厂用电运行，切换方式可以采用先断后合的检同期方式，降低了机组对厂用电源设备异常的依赖能力。

3.3 台山核电厂厂用电改造方案和改造后优点

台山核电厂的厂用电设计比较灵活，设备无需改造，运行方式可以有较大改进。笔者认为设计部门提供的台山核电EPR机组的供电方式可以进一步优化：

（1）当1台厂用变压器故障需要退出检修时，允许辅助变压器代替该厂用变压器运行。当厂用变压器故障消除后，则可以通过厂用电切换装置由辅助变压器切换回高压厂用变压器供电，保证机组正常运行。

（2）当2台厂用变压器故障需要退出检修或者机组启动过程中，允许2台辅助变压器代替该厂用变压器运行一段时间（根据2台机组无备用电源运行的要求来确定运行时间）。如果在规程要求的时间内可以消除故障，则可以通过厂用电切换装置由辅助变压器切换回高压厂用变压器供电，保证机组正常运行。

上述运行方式的优点有：

（1）EPR机组大修中，主变压器可以获得和发电机同样宽广的维修窗口。

（2）除非主变压器故障，机组厂用进线开关意外断开或者保护、二次回路故障造成的部分6kV厂用段失电都不会引起跳机，可以在机组运行中隔离厂用变压器或者对二次回路进行检修，检修后可以通过厂用电切换装置切换回由厂用变压器供电。

4 结论

与火电的高污染、燃料紧缺、经济性差相比，核电作为一种新型的高效能、低污染、发展潜力大的能源受到国内外能源产业越来越多的青睐，但其安全性是发展核能的前提条件。鉴于核电厂厂用电的重要性，厂用电设计应该本着方式多变、可靠性高和兼顾经济性的设计原则。借鉴已运行核电厂厂用电设计与运行方案和目前设计技术的更新，结合当前常规电厂和变压器生产技术、厂用电源切换技术应用经验得出，新建或改进核电厂的厂用电系统应该在辅助变压器容量、厂用电切换方式、220kV备用电源接线方式等方面进行考虑，以满足电厂设备运行方式、设备管理的改进和优化。