基于FTA方法的研究堆应急电力系统的可靠性分析

2017-01-13夏明薛子刚米向秒

蓄电池 2016年6期

关键词：失效率蓄电池电源

夏明，薛子刚，米向秒

（1. 中国工程物理研究院核物理与化学研究所，四川绵阳 621900；2. 中国人民解放军 91515 部队, 海南三亚 572016）

基于FTA方法的研究堆应急电力系统的可靠性分析

夏明1，薛子刚2，米向秒1

（1. 中国工程物理研究院核物理与化学研究所，四川绵阳 621900；2. 中国人民解放军 91515 部队, 海南三亚 572016）

为分析研究堆应急电力系统的可靠性，以明确运行实践中影响研究堆安全的薄弱环节，针对系统具体结构和运行模式，通过失效模型和影响分析法（FMEA）对系统和部件进行定性分析，采用故障树分析法（FTA）构建系统的事件树模型，进行定量分析，从而确定运行维护策略，并为研究堆后续的 PSA 分析提供数据支持。

研究堆；应急电源；不间断电源（UPS）；蓄电池；安全母线；失效模型和影响分析法（FMEA）；故障树分析（FAT）；最小割集（MCS）

0 引言

研究堆应急电力系统在预计运行事件(包括正常电源全部丧失)和事故工况下，按要求向系统本身和指定的其它安全重要物项供应电力，以保证它们可靠地执行其安全功能[1]。

一般在核设施的系统设计中都采用了冗余技术，系统可靠性很高，整个系统失效是一种稀有事件，因而无法根据经验直接确定系统可靠性；另一方面，部件的失效数据是比较容易确定的，所以采用有效的系统模型方法，可以根据部件的失效数据来预测系统的可靠性[2]。目前，采用的系统建模法有故障树分析法（FTA）、状态空间和 Markov 分析法、可靠性框图法以及 GO 法。FTA 是最为广泛采用的方法，特别是对于核设施这种由多个部件组成的庞大系统，采用故障树分析是很有效的[3]，能够方便地分析出系统的失效机理，并定量求出失效概率。而采用其它建模方法可能会遇到困难。本文的就是采用 FTA 系统建模方式来分析各种运行状态下厂内应急电力系统的可靠性。

1 系统的组成、特点、运行方式

1.1 系统组成

应急电源系统由直流单元和不间断电源（简称UPS）单元组成。图 1 中有 3 个直流通道，每个通道均由蓄电池组、充电器和直流配电屏等组成；UPS 单元由主机和旁路构成，接入交流 380 V 电源和直流 220 V 电源。在正常状态下厂外电源接入1E 级 MCC 母线向 UPS 供电，UPS 对市电进行整流－逆变后供给反应堆重要负载。当整流器故障或MCC 母线失电时，直流 220 V 电源投入经逆变后输出 AC 220 V 和 AC 380 V（切换时间不大于 5 ms）。

图1 研究堆应急电力系统原理图

1.2 系统特点

应急电力系统应具有以下特点：① 与被供电的安全系统在可靠性、运行、环境条件等方面的要求保持一致；② 满足多重性（冗余）、独立性（电气隔离与实体分隔）及单一故障准则的要求；③ 满足各种假设始发条件下不同安全组合中执行安全功能的需求；④ 对完成每项安全功能的手段在数量、容量、连续性及持续时间等方面予以保证；⑤ 不间断交流电力系统的供电间断时间不大于 5 ms，供电持续时间不小于 3 h。

1.3 运行方式

1.3.1 正常运行

外电网供电给工作母线 A 和 B；通过独立充电器给蓄电池 A/B 充电，使蓄电池 A/B 保持浮充状态，随时可用；UPS 整流器供给逆变器能量，逆变器通过优化的脉宽调制将直流转换成交流通过静态开关供给负载。

1.3.2 应急运行

如果发生丧失外电源（电网故障）的情况，系统就进入应急运行，UPS 装置的蓄电池放电，经过逆变器和切换开关给 380 V 安全母线 A/B 供电；切换开关要做一次切换，由连接外电网方式改为连接蓄电池方式；UPS 装置的蓄电池容量为 3 h。

2 系统的可靠性分析

2.1 基本假设和顶事件的确定

在建立故障树时，做如下假设：1) 事故前系统处于正常状态；2) 不考虑事故处理过程中人为操作失误；3) 把“厂外 380 交流母线失效”作为底事件处理；4) 任务时间为 3 h (参考最终分析报告，一般认为 3 h 后，安全措施已实施，反应堆停止。)；5)基于电力系统设计一般都考虑短路保护，所以所有失效模式都假设为只影响局部；6) 不考虑各种电开关、熔断器、变压器等的失效；7) 如果发生丧失外电源（电网故障），系统进入应急运行。

依据假设建立系统的故障树建模图（图 2）。由系统成功准则的定义，确定“交流 380 V 安全母线均故障”为故障树的顶事件。

图2 研究堆应急电力系统故障树建模图

2.2 FMEA 分析

FMEA 本质上是一种定性的分析方法，用于系统地鉴别在设备/系统设计中潜在的失效，并分析该失效对设备/系统性能造成的影响，降低整体风险的级别。美国的格拉曼公司于 20 世纪 50 年代初期，在海军飞机主操纵系统的设计研制中，最早采用了这一方法。现在，FMEA 在核工业中也得到了广泛的应用。

在故障树模型建立之前，我们使用 FMEA 方法对系统进行全面的分析，保证故障树模型的完备性和合理性。FMEA 分析工作一般需要运用表格的形式来进行，流程的顺序是由下级装置到上级装置，分析故障模式并评价其失效影响。表 1 是分析的结果。

表1 FMEA 表

2.2.1 底事件编码及概率值

厂外电力系统从 2006 年 6 月投入运行，截至2012 年 6 月，统计这期间出现意外停电、检修倒闸、供电设备故障、外网闪络的数据。依据运行事故统计，正常停电时间 432 h，厂外电源 A 线路意外停电 8 次，厂外电源 B 线路意外停电 5 次。依据惯例认为在意外停电 6 h 内能够恢复电力，故外网电源失效率：

应急电力系统的主要设备的失效率均采用国际上同期核电厂的相应设备的失效率[4-6]。然后，把FMEA 中的基本事件定义为故障树的底事件，进行编码，见表 2。

2.3 故障树的建立

由 FMEA 分析及图 2，应用自顶向下的方法建立系统的故障树，由于篇幅所限，只详细列出交流380 V 安全母线 A 供电失效的故障树。

2.4 定量计算及数据分析

用 RISKSPECTRUM 软件对故障树进行计算，得到在 3 h 应急事件中的失效率为 2.07×10-5/h-1。系统故障树的最小割集见表 3。图 4 为各 MCS 贡献比例图。

通过表 3 和图 4 可以找出故障树的薄弱环节。对系统失效率贡献最大的是 MCS1、MCS2。事故主要来源于静态开关的失效；其次是 MCS3～MCS6，主要来源是厂外失电和蓄电池故障。系统总体失效率级别与核电厂一致。但厂外失电主要是与自然因素有关，例如雷击、地震、人因等。

Reliability analysis of emergency electric power system for research reactor based on fault tree analysis method

XIA Ming1, XUE Zigang2, MI Xiangmiao1
(1. Institute of Nuclear Physics & Chemistry, China Academy of Engineering Physics, Mianyang Sichuan 621900; 2. PLA 91515, Sanya Hainan 572016, China)

According to the system structure and operating model, we have done qualitative analysis of systems and components by failure model and effect analysis (FMEA), and quantitative analysis by fault tree analysis method and event tree model. The reliability of the emergency electric power system and the weak links affecting the research reactor safety in the operation are analyzed. The objective is to determine the operation maintenance strategy and provide data support for the subsequent research reactor PSA analysis.

research reactor; emergency electric power; uninterruptible power supply (UPS); battery; safety bus; failure model and effect analysis (FMEA); fault tree analysis (FAT); minimum cut set (MCS)