核电机组220 kV安全电源设计

周志贵，卢忠斌，池闯正，朱志飞

（中核国电漳州能源有限公司，福建　漳州　363300）

核电机组220 kV安全电源设计

周志贵，卢忠斌，池闯正，朱志飞

（中核国电漳州能源有限公司，福建漳州363300）

安全电源的设计是核电前期工作必须优先考虑的内容之一，文章针对漳州核电厂址的自身特点和AP1000核电机组的技术要求，通过理论分析和模型计算，确定了漳州核电220 kV安全电源的设计容量和最优接入方案，论述了漳州核电AP1000机组220 kV安全电源设计方案在可靠性、安全性方面满足AP1000核电机组厂用电和安全电源的功能要求。

AP1000；漳州核电；220 kV安全电源

在核电前期阶段，深入分析全厂的220 kV安全电源需求、结合厂址所在地区电网的现状及发展规划，确定合适、可靠的安全电源接入点、最终确定与本厂机组技术特点相适应的接入方案和主接线形式，对核电厂的最终安全、稳定运行都具有非常重要的意义。漳州核电从2012年开始进行220 kV安全电源的分析和论证工作，目前，220 kV安全电源接入方案已经通过了国网福建省电力公司组织的评审，后续将根据通过的接入方案，进行相关的详细设计和施工。漳州核电规划容量为6台AP1000机组，分两期建设，一期工程建设4台1 250 MW级核电机组，计划2016年开工，2021年底第1台机组投产，一期4台机组预计2024年前全部建成投产。

1　AP1000机组对安全电源的要求

根据AP1000的用户要求文件（URD）和设计控制文件（DCD），AP1000堆型核电厂需要两路外部电源，其中与500 kV电网连接的外部电源被称作优先电源，另一路220 kV电源则被称作安全电源或辅助电源。这一点与M310及其改进型机组的要求基本相同，由于AP1000与M310及其改进型机组在设计理念的差异，国内同行有一种观点认为，AP1000对电源的配置要求没有M310的高，因此对相关系统在电源的配置上产生了不同的看法，这一点非常正常，AP1000本身就是一个消化和吸收的过程。需要说明的是，AP1000在严重事故情况下，可以不依靠外部动力（电源），仅依靠自身配置的非能动系统就可以缓解严重事故的进程，防止堆芯熔化和放射性物质外泄。但是在正常运行情况下，它对外部动力和电源的要求可以说和M310是一致的，甚至高于M310，从AP1000厂用电冗余度的配置和可靠性上就能明显体现这一点。

AP1000堆型核电机组采用了非能动的安全设计理念，降低了全厂断电事件导致堆芯熔化事故的概率，但为保证机组安全、经济运行，特别是事故72 h后厂外交流电源的恢复供电，为反应堆安全停堆提供充足的辅助电源仍然是十分必要的。AP1000堆型核电厂对安全电源的要求具有容量大、电能质量高等特点，每台机组设置2台辅助变压器，单台辅助变压器容量为88 MVA。深入分析220 kV安全电源的可靠性和安全性，不仅能为核电厂前期安全电源建设提供设计依据，也为后期核电机组的安全运行、停堆检修等提供了可靠的电源保障。

2　漳州电网现状及发展规划

2.1漳州电网现状

漳州电网位于福建电网最南端，截至2013年底，漳州电网共有电源装机5 625.2 MW，除接入500 k V的省网主力电源后石电厂（7×600 MW）以及古雷开发区220 kV接入的腾龙自备热电（100 MW），还有中小电源装机约1 325.2 MW，其中水电装机容量约821.8 MW，但多为径流式开发，调节性能较差。

漳州电网现有漳州变（2×1 000 MVA）和五峰变（1×1 000 MVA）两座500 kV变电站，220 kV变电站18座，变电总容量4 140 MVA。漳州北部220 kV电网形成以漳州变为中心的双回路环网（局部单回），南部形成漳州变往南三回路环网结构。此外，漳州电网还分别通过四回和六回220 kV线路与厦门、龙岩电网连接。漳州核电所处云霄县位于漳州市南部，目前主要由220 kV莆美变（240 MVA）供电，电网结构比较薄弱。

2.2漳州地区电网规划

根据漳州500 kV电网规划，2015年将在漳浦县盘陀镇东林村建设500 kV东林变，一期规模为1×1 000 MV，由漳州500 kV变电站单回500 kV线路供电。2019年扩建500 kV东林变二期（1×1 000 MVA），配套将漳州—东林220 kV线路升压形成漳州—东林500 kV二回线路。

2015年配套500 kV东林变的建设，将天福—莆美双回及漳州—奇材220 kV线路开断接入东林变，同时新建东林—莆美三回线路。2014—2018年期间漳州南部规划新建油田、水晶、诏安3座220 kV变电站，扩建奇材、红旗2座220 kV变电站，新建东林—奇材第二回220 kV线路，并对漳州—天福双回线路进行增容改造。其中220 kV水晶变距漳州核电厂址最近，其推荐站址位于漳州核电西北部约11 km的三东村附近，规划于2017年6月投运，一期规模为1×240 MVA，配套将莆美—红旗220 kV线路开断接入水晶变，并将东林—莆美一回220 kV线路脱开，莆美变改接入水晶变。

3　线路容量分析及确定

根据漳州核电总体设计，每台机组设置2台88 MVA辅助变压器，单台机组正常运行时的最大设计备用容量为2×88=176 MVA，每台机组停堆所需的安全负荷为1 407×2%=28.14 MVA。其中单台核电机组的视载功率为1 407 MVA， 单台核电机组的安全停堆负荷按机组容量的2%计算。按照漳州核电的分期建设情况，220 kV备用（安全）电源容量按照下述几种情况进行分析：

1）2台机组时，220 kV备用电源容量是按照1台机组备用变带厂用负荷为机组容量的7%，另1台机组冷停堆，备用容量为单台机组容量的2%计算，即2台机组需要的备用电源容量为：1 407×7%+1 407×2%=126.6 MVA。

2）4台机组时，220 kV备用电源容量按照1台机组厂用负荷由备用变提供，容量为2台备用变压器的容量，即2×88 MVA；另3台机组中1台机组正常运行，1台机组计划停堆，1台机组非计划停堆。4台机组需要的备用电源容量为：2×88+2×1 407×2%=232 MVA。

3）6台机组时，由于采用群堆运行，厂用电和备用电源运行方式相对比较灵活，5、6号机组调试和运行时厂用电基本考虑用500 kV倒送电的方式来解决（500 kV开关站及出线的设计具有极高的可靠性）。终期负荷按照2台机组正常运行，2台机组快切、1台计划停堆、1台非计划停堆，此时备用电源容量为提供2台机组厂用电和2台机组停堆检修的电源容量。具体为：2×1 407×7%+2× 1 407×2%=253.26 MVA。

4）由于漳州核电建有专门的35 kV施工电源，所以机组建设期间的负荷不需要220 kV系统承担。

根据以上分析，漳州核电安全电源正常情况下两回线路分列运行，每回线路输送容量按满足安全电源可能发生的最大供电容量253.26 MVA来考虑。

4　安全电源接入系统方案分析

根据前述分析确定的漳州核电安全电源供电容量，结合厂内初步设计方案，漳州核电安全电源接入电压等级采用220 kV。安全电源考虑以两回220 kV线路接入漳州电网，每回线路输送容量按满足安全电源可能发生的最大供电容量253.26 MVA来考虑，导线截面采用400 mm2，持续极限输送容量为278 MVA（环温40 ℃，线温80 ℃）。

依据漳州电网现状及规划，2018年漳州南部电网可供核电安全电源接入的变电站主要有东林变、水晶变、奇材变、天福变、油田变，其中2017年投运的220 kV水晶变是漳州电网距核电厂址最近的一座220 kV变电站，直线距离仅11 km左右，线路路径不需跨越漳江和既有线路，根据电网规划，水晶变是漳州南部220 kV环网的重要节点，2020年后即直接由东林500 kV变双回线路供电，近期及远景供电可靠性均较高，且水晶变220 kV出线远景八回，2025年前仅使用四回，可满足核电安全电源的接入需求，因此考虑将水晶变作为漳州核电安全电源的优先接入点。

基于上述分析，综合考虑漳州电网现状及规划情况后，对下述的4个备选方案进行技术可靠性和经济性分析：

方案一：核电安全电源各以一回220 kV线路分别接入220 kV水晶变和天福变。

该方案可靠性最高，即使东林变全站停电，核电安全电源仍可通过天福变供电，但由于天福变目前220 kV间隔已全部使用，需拆除变电站东侧围墙以扩建一个220 kV间隔，另外天福变220 kV出线走廊也较为困难，天福—核电线路将与多回220 kV线路交叉，一定程度上增加了公用线路的运行和维护风险。如果天福变220 kV出线采用电缆出线，可以解决上述问题。

方案二：核电安全电源各以一回220 kV线路分别接入220 kV水晶变和500 kV东林变。

该方案接线模式简单，潮流方向明确，且安全电源可全部由东林变直接供电，对漳州南部220 kV供电通道的影响相对较小，但从网络结构来看，一旦东林变全站停电（如地质灾害等原因造成），核电安全电源将完全失电，且500 kV变电站220 kV间隔资源较为宝贵。

方案三：核电安全电源各以一回220 kV线路分别接入220 kV水晶变和220 kV油田变。

该方案可靠性高于方案二，即使东林变全站停电，核电安全电源仍可通过油田变供电，但此方案新建线路最长，且大部分线路走廊接近海边，污秽等级较高，相应的线路绝缘水平也需大大提高，运行维护费用也较高，从而导致工程总投资最高，此外，油田—林仓段线路所在区域为填海形成，结合古雷开发区建设进度来看，该区域填海工作于近期完成的难度极大，难以满足核电安全电源供电线路的工期要求。

方案四：核电安全电源各以一回220 kV线路分别接入220 kV水晶变和220 kV奇材变。

该方案新建线路最短，且不需跨越漳江入海口，但核电安全电源完全依靠漳州南部220 kV电网进行供电，加重了漳州南部220 kV供电通道的供电压力，且核电—奇材线路需跨越多条220 kV公用线路，施工难度较大，同时也增加了电网线路的运行和维护风险，此外，同方案二一样，东林变全站停电时核电安全电源也将完全失电。

综合技术、经济比较结果，方案二经济性居中，对漳州南部220 kV电网的影响最小，但供电可靠性不如方案一，一旦东林变全站停电，核电安全电源将完全失电。方案三新建线路最长，且线路临近海边，线路造价及运维成本较高，经济性最差，同时难以满足工期要求，而方案四虽然经济性最优，但大大增加了漳州电网的运行和维护风险，且东林变全站停电也将导致核电安全电源完全失电。方案一经济性居中，供电可靠性最高，即使东林变全站停电，核电安全电源仍可通过天福变供电，因此确定方案一作为漳州核电220 kV安全电源接入系统方案，即漳州核电安全电源各以一回220 kV线路分别接入220 kV水晶变和220 kV天福变，水晶变和天福变各扩建一个220 kV间隔线路，核电—水晶、核电—天福线路长度分别约11 km、48 km，导线截面均采用400 mm2。漳州核电安全电源接入方案示意图如图1所示。

5　接入系统方案潮流计算

由于存在漳州核电安全电源满负荷供电与地区最高负荷同时发生的可能性，选择漳州核电第1台机组投运后的2021年以及辅助变压器全部投运后的2025年枯水期高峰方式（此方式下网供负荷最大）作为计算方式。2021年、2025年核电安全电源供电负荷分别按176 MW和253 MW考虑，功率因数取0.95。正常运行时核电安全电源两回进线分列运行，在其中一回进线停运时，另一回进线供电安全电源全部负荷。

图1　漳州核电安全电源接入系统方案接线示意图Fig.1　Schematic of safety power connection to the grid of Zhangzhou nuclear power plant

图2　2025年枯水期高峰方式漳州南部220 kV电网潮流图（核电—天福线路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）

计算结果表明：2021年、2025年正常及“N-1”运行方式下，电网潮流分布合理，电压均在正常范围内。天福变现有220 kV母线载流能力可以满足漳州核电安全电源的接入，无需进行改造。在漳州电网出现N-2故障（东林—水晶双回线路全停），由于220 kV开关站母联开关断开，开关站无穿越功率，不会导致核电—天福线路过载。

2025年枯水期高峰方式漳州南部220 kV电网潮流图如图2所示。

6　220 kV GIS电气主接线

漳州核电安全电源设置220 kV开关站，每台机组的2台辅助变压器合用一路220 kV电缆进线，即每台机组需一回220 kV进线。一期4台机组共四回进线，远景六台机组共六回进线。漳州核电安全电源开关站本期进出线共六回，远景进出线共八回，本期及远景均采用双母线接线即可满足要求。根据潮流计算结果，正常运行及电网N-1情况下核电安全电源均为受电端，无穿越功率，在漳州电网出现N-2故障（东林—水晶双回线路全停）也不会导致核电—天福线路过载，所以漳州核电正常运行时，220 kV母联开关打开，两回220 kV进线分列运行，一回进线停运时，另一回进线供电安全电源全部负荷。

7　220 kV安全电源可靠性分析

7.1220 kV接入方案及开关站布置分析

该接入方案的两个接入点取自漳州电网不同的220 kV系统支撑点，即使一个支撑点故障，并不影响漳州核电安全电源的可靠性和安全性，所以从接入方案来分析，漳州核电的安全电源在源头上是可靠和安全的。

另外按照漳州核电总平面设计，220 kV开关站采用屋内GIS设备，屋内GIS在设备可靠性、运行维护等方面均有较明显的优势，尤其是漳州核电地处东南沿海，220 kV GIS暴露在户外，受外界影响较多，如盐污、台风等，可靠性相应降低，因此漳州核电220 kV配电装置采用屋内GIS对安全电源的可靠性也具有十分重要的意义。

7.2220 kV主接线方式分析

220 kV开关站主接线采用双母线接线，两条母线设置母联断路器。正常运行时，两组母线分列运行，在1号机组装料前，两回线路可以考虑一用一备，1号机组装料后，两回线路正常情况下全部投入运行。在双母线加母联开关的接线方式中，一条母线故障，并不影响漳州核电安全电源的可靠性和安全性，系统仍旧可以通过另一条母线向厂内安全负荷供电，运行方式相当灵活。两条母线同时故障的概率极小，可以不予考虑。从核安全角度来分析，即使两条母线同时故障，厂内安全负荷可以通过厂内备用柴油发电机电源系统（ZOS）来供电。对于AP1000核电机组，即使厂内、外交流电源全部失去，依靠AP1000自身的非能动安全系统，也可以完全使核安全三要素得到保障，使反应堆的三道安全屏障完整。

7.3系统主设备配置分析

在漳州核电的220 kV安全电源系统中，每台机组配置容量完全相同的两台辅助变压器。在主发电机及500 kV优先电源均不可用时，或者当主变压器、厂用变压器、离相封闭母线故障，或者10 kV共箱母线及其他相关电气设备处发生故障而导致正常电源和优先电源都不可用时，10 kV母线快切装置动作将负荷切换到由220 kV安全电源供电的辅助变压器上，再由辅助变压器的两个低压绕组向不同的10 kV母线分别供电，这种运行方式相对比较独立，也比较可靠，可以使一回路反应堆不停堆。在故障排除后，可以使故障机组快速恢复到功率运行状态。单元机组的1台辅助变压器故障或者检修时，可以通过机组另外1台辅助变压器为机组的安全负荷供电，确保满足机组安全负荷的正常运转要求。

8　结论

1）漳州核电安全电源各以一回220 kV线路分别接入220 kV水晶变和220 kV天福变，水晶变和天福变各扩建1个220 kV间隔线路。该设计方案符合AP1000核电机组的技术要求和漳州电网的现状及未来规划，是最优和最可靠的技术方案。

2）核电—水晶、核电—天福线路导线截面均采用400 mm2，持续极限输送容量278 MVA满足漳州核电安全电源容量需求。

3）漳州核电安全电源220 kV线路采用双回供电，220 kV开关站电气主接线采用双母线加母联开关的接线方式，提高了安全电源的可靠性。

［1］ 林诚格. 非能动安全先进核电厂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. 核电厂丧失厂外电的经验反馈［J］. 中国核电，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. 核电厂优先电源分析［J］.产业与科技论坛，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，核电厂优先电源［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

周志贵（1973—），男，陕西礼泉人，高工，硕士，主要从事核电站电气设计、技术改造等领域的工作。