阿尔及利亚比林堆0.4 kV供电母线设计及联络互锁方法研究

程 铭，吕 征

(中国原子能科学研究院 反应堆工程技术研究部，北京 102413)

核设施的供电系统(核电领域称为厂用电系统[1])是向整个反应堆装置及各厂房设施提供合格电源的电气系统[2]，其稳定可靠的运行为核设施的安全和连续运行提供不可或缺的重要保障。核设施供电系统结构的组成和运行方式与其用电负荷的特点直接相关，且随着堆型的区别各不相同。针对0.4 kV电压等级的常规电源供电母线，包括AP1000、EPR、VVER等在内[3]各型号国内外核电站的厂用电系统均采用了独立变压器向各母线一对一供电、母线之间无联络的设计方案，其提高电源可靠性的方式则通过高压厂用变压器实现[4](见图1)；包括泳池式轻水试验堆、微型反应堆、零功率堆等在内的国内大部分研究型反应堆及核设施，由于用电设备数量及负荷相对较少，供电系统均采用了设置两段0.4 kV母线、之间加设1台联络断路器的设计方案(见图2)。

图1 典型核电站厂用电系统结构图

图2 典型研究堆供电系统结构图

阿尔及利亚比林研究堆是我国出口并承担设计建造的一座多用途重水反应堆，该反应堆可用于同位素生产[5]、燃料元件考验、及热工水力试验等多种功能。在最新完成的B1B2升级改造工程设计中，考虑到该国市电基础设施的不稳定以及该反应堆特殊的多种运行工况[6]，设计中采用了特殊的多段母线、可依次联络的供电母线方案，配合特定数量的主变压器，组成了可靠性高[7]、灵活度强[8]、同时兼顾经济性[9]的供电系统结构。同时，该设计方案也为各段母线的进线断路器、联络断路器之间的互锁逻辑与电路设计带来了新的要求，需通过特定的研究方法分析得出一套完善的设计方案，并能将此方法应用于今后其他各类似项目的工程设计中。

1 多运行方式的供电母线设计

比林研究堆除反应堆的正常运行工况外，还有额外开启高温高压考验回路(204.6 kVA)、低温低压考验回路(135.5 kVA)、热工水力试验回路(264.2 kVA)以及分别同时运行等各个工况。反应堆各运行工况的电气总负荷如表1。

表1 反应堆各工况下用电负荷

负荷状态负荷容量/kVA反应堆正常运行1 411.3单个试验回路开启(最大)1 675.5两个试验回路开启(最大)1 880.1三个试验回路同时开启2 015.6

由于该地区市电电网经常出现不稳定的情况，若采用常规的两段0.4 kV正常供电母线设计思路，则要求在一路外电失去的情况下剩余一路电源需继续承担整个反应堆运行和试验回路的用电负荷，以保证不因外电的短期波动而影响连续进行的试验。此时两台主变压器的单台容量均需满足总容量2 015.6 kVA的需求而选择2 500 kVA等级，而在长期的反应堆正常运行时所需负荷1 411.3 kVA又仅占变压器总额定容量5 000 kVA的28.2%，无论从建造经济性还是运行经济性上均会造成大量的浪费。

经过对比分析与创新设计，在该反应堆的0.4 kV正常供电系统采用了三台10/0.4 kV主变压器(即三路外电)、四段低压供电母线、可依次联络的母线段设计方案。三台变压器中，1#和2#的容量为1 250 kVA，3#的容量为800 kVA，在提高经济性的同时保证了系统正常和安全功能的实现，系统的具体供电原理见图3。

图3 比林堆0.4 kV供电系统原理图

如图3，从左至右分别为I段母线、III段母线、IV段母线、II段母线，I、II、III段母线的进线断路器分别为QF1、QF2、QF3，各母线之间的联络断路器从左至右分别为QF1-3、QF3-4、QF4-2。反应堆常规运行所需的各工艺系统相关负荷主要分配于I段母线与II段母线，各试验回路的负荷主要分配于III段母线与IV段母线，在负荷分配时均考虑了冗余配置。

反应堆常规运行模式下，系统靠1#变压器、2#变压器两路外电供电，3#变压器停用，QF1-3和QF4-2两个联络断路器闭合，QF3-4断开，由两路外电分别向两组组合的母线供电，其2 500 kVA的总容量可满足运行需求，此时3#变压器的容量可额外作为单路失电时的备用。

当启用反应堆的各试验回路时，3#变压器提前投入并提供电力，母线的状态也相应改变为QF1-3和QF4-2断开、QF3-4闭合，三台变压器分别向三组母线供电，3#变压器的800 kVA容量可单独满足各试验回路同时开启的需求。同时，在该工况下三路电源中的任意一路失电时，剩余两路电源的总容量均可继续保证反应堆及试验回路的继续运行。

当反应堆处于调试、检修、单项试验等轻载运行方式下，又可挑选三台变压器中的任意一台，通过闭合所有联络断路器，向各段母线提供电源。

表2 供电系统设计方案优化效果对比

设计方案需配置变压器的总容量/kVA反应堆正常运行容量利用率/[%]各试验回路同时开启容量利用率/[%]常规两段母线设计方案5 00028.240.3三台变压器、四段母线设计方案3 30056.461.1

2 联络与互锁逻辑的分析

在常规的研究堆及核设施供电系统结构中(如图2所示)，进线断路器与联络断路器的互锁较为简单，仅通过在每台断路器二次控制电路的合闸回路中并联接入另外两台断路器的常闭触点即可，如图4中方案所示。

图4 常规断路器联络互锁的实现

而在本项目中低压母线段为多段母线、依次联络且运行方式也不固定的情况下，为了避免各母线之间电源并车现象的发生，各段母线及断路器之间特殊的联络及互锁逻辑就变得尤为重要。仅通过非安全级DCS或规定运行人员的操作规程去实现复杂的逻辑显然并不十分可靠，所以通过搭建继电器连锁逻辑的电气硬接线方式就具有重要的应用意义和研究价值。逻辑图分析法的研究与应用可准确的指导完成电气连锁电路的设计，并能大大提高设计工作的效率。

在如图3所示的母线结构及运行方式中，共设有3个进线断路器和3个联络断路器，综合考虑各种运行方式，每一台断路器的闭合都需要事先判断其他5台断路器所处的状态，以防止电源并车发生。各断路器均配有辅助的开关触点，可表明目前该断路器的闭合或断开状态，每台断路器将自身的开关状态分别送至其余5台断路器，同时将分别来自其余5台断路器的触点进行综合逻辑判断后给出是否允许本台断路器闭合的信号。

如图5所示，现以1#变压器和I段母线之间的进线断路器QF1为例，来说明逻辑图分析法如何应用于断路器之间联络及连锁逻辑的设计。图中，open及close代表断路器的状态，P(permission)代表由于该断路器的特定状态而允许目标分析断路器的闭合，F(forbidden)代表由于该断路器的特定状态而禁止目标分析断路器的闭合，各断路器的排列判断顺序以母线段上的连接顺序为准。左侧标注箭头的代表该断路器是与变压器直接相连的进线断路器，不带箭头的表示母线段之间的联络断路器。

图5 QF1断路器逻辑分析图

从目标的QF1开始进行判断，QF1-3如果处于断开状态，表明I段母线与III段母线及之后其他各段母线均处于非连接状态，QF1允许闭合，即直接产生允许合闸的P信号；若QF1-3处于闭合状态，表明I段母线与III段母线之间已相连，此时判断QF3的状态，若闭合则表示3#变压器正在同时向I段和III段母线供电，QF1禁止闭合，即直接产生禁止闭合的F信号，若QF3断开则继续向后判断；接下来判断QF3-4的状态，若断开，则表示I段母线和III母线与之后的母线互相隔离，则允许QF1闭合向这两段母线供电，产生P信号，若QF3-4闭合则继续判断QF4-2的状态；当QF4-2断开，即表示I、III、IV三段母线连接后与II段母线隔离，此时允许闭合QF1向以上母线同时供电，产生P信号，若QF4-2闭合，则继续判断QF2状态；当QF2处于闭合状态，即表明2#变压器正在单独同时向所有四段母线供电，QF1禁止闭合，直接产生F信号，若QF2断开，则表明四段母线已连接在一起且暂无供电的变压器，QF1允许闭合并单独向四段母线供电，产生P信号。

经以上逐一逻辑分析后，总结绘制成如上图5的逻辑判断流程图。对母线上其余各个断路器参照以上思路和方法分析并绘制出逻辑判断流程图后，总结出了明显的可遵循的规律。从目标断路器开始按不同方向依次判断，当判断经过联络断路器时，则会统一得出“open-P，close-next”的结论，即该联络断路器断开时，目标断路器允许闭合，该联络断路器闭合时，需要继续分析之后的断路器状态；当判断经过进线断路器时，则会统一得出“open-next，close-F”的结论，即该进线断路器断开时，目标断路器允许闭合，该进线断路器闭合时，目标断路器禁止闭合；其中，当判断至母线最边缘的断路器时(如本示例中的QF1、QF2)，next即直接代表P或者F的结论，即允许或禁止目标断路器的闭合。参照以上规则，挑选QF3-4为目标断路器，可不经过复杂的判断、直接绘制出相应的逻辑判断流程图(见图6)，再经详细的分析校验后，得出的结论与此图一致。至此，依据以上归纳出的原则可快捷的确定出各个断路器的联络与互锁逻辑，为下一步二次控制回路的具体设计提供基础。

图6 QF3-4断路器逻辑分析图

3 断路器二次控制回路设计

在得出了母线段上各个断路器的联络与互锁逻辑后，接下来的任务就是通过断路器的二次控制回路具体设计来将此逻辑搭建实现。关于断路器二次控制回路的整体设计较为常规，具体包括断路器的合闸、分闸、失压脱扣、储能、指示灯等回路，以及就地/DCS的转换开关和操作按钮等元件，本节就不再详细展开介绍，本节的重点主要为依据互锁逻辑而添加在断路器合闸回路中的逻辑触点组合的设计。

各断路器均取常闭辅助触点代表自身开合状态，即断路器处于断开状态下该辅助触点闭合，断路器处于合闸状态下该辅助触点断开，此信号依次传送至其它各断路器。现仍以图5中得出的QF1断路器的联络及互锁逻辑结果为例进行分析和设计。当分析首先经过QF1-3断路器时，其断开可直接产生允许合闸的P信号，在二次控制回路的设计上即可体现为单独一路直接的常闭触点允许合闸信号通过；QF3断路器的闭合可直接产生禁止合闸的F信号、断开需要继续向后判断，则在二次控制回路的设计上即可体现为将其常闭触点串联在其余各断路器之前；剩余的三台断路器QF3-4、QF4-2、QF2任意断路器的闭合都可产生允许合闸的P信号、断开则继续判断或禁止合闸，所以在二次控制回路的设计上即为三个并联的触点组合。经分析和设计后，该断路器的联络互锁逻辑形成了图7中的连接方式，该组触点串联在二次控制电路中的合闸回路以实现其功能。

图7 QF1断路器二次图合闸回路设计

参照此思路，断路器QF3-4可依据图6的联络及互锁逻辑图设计成图8的触点逻辑组合。母线上的其余各断路器也均可按照此思路，快速的完成断路器之间联络及互锁的电路设计。

图8 QF3-4断路器二次图合闸回路设计

在分别依此设计方法完成该项目的设计工作、设备采购制造及现场安装后，调试时将各断路器摇至试验位依次进行了详细的断路器联络互锁逻辑合闸验证试验，均完美的实现了预期功能，充分验证了该设计分析方法的可行性。

4 结语

(1)本文通过举例对比、详细说明和具体分析，阐述了阿尔及利亚比林堆0.4 kV低压供电母线的设计思路，同时对各断路器之间的联络互锁逻辑进行了分析与设计，总结归纳出了一套具有应用和推广价值的分析方法。

(2)根据本文内容，在进行具有特殊运行要求、多种运行方式的供配电母线设计时，可快速和准确的确定各进线断路器和联络断路器之间的互锁关系，完成相应二次控制回路的详细设计。本文介绍的工作与内容在提高研究堆或其他核设施供电系统建造和运行的经济性、运行多样性以及设计工作的准确性等方面都具有切实的价值。

(3)随着反应堆分布式控制系统(DCS)可靠性的不断提高，尤其是安全级(1E级)DCS[10]的不断成熟，在完成本文介绍的联络及互锁逻辑分析工作后，除通过断路器二次控制回路继电器组合的方式实现互锁设计之外，在远程控制运行模式下，也可考虑使用安全级DCS软件编程的方法实现此逻辑，最终只向断路器的二次控制回路输出单一的合闸指令，此思路可减少电气系统控制电路的复杂程度，这也是本文工作内容将来可扩展研究和应用的一个重要方向。