AP1000核电机组电气系统的研究

李冬冬

（上海核工程研究设计院有限公司，上海 200235）

0 引言

AP1000核电机组是美国西屋公司在传统成熟的压水堆核电技术的基础上，引入非能动安全系统理念，这使得AP1000的安全性能得到显著提高，经济性也得到相应的提高，AP1000核电厂电气系统服务于核电厂的安全生产及电能的传输。

1 电力系统的简介

1.1 电力系统构成要素

电力系统构成要素包括发电、输电、变电、配电、用电以及保证设备和电力系统安全可靠、优质、经济运行的管理、监视和控制手段。发出的电能要经过线路输送出来，电能在输送和使用过程中必须使用变压器变换电压，有时要用换流器将交流变换成直流，或者将直流变换成交流。为使电力系统安全、经济、优质运行，电力系统内除上述设备外，还有电力系统继电保护装置、自动装置以及电网调度所需的自动化设备、通信设备。

1.2 电力系统特征

（1）频率：我国的频率50Hz，原有的小型60Hz地区系统经过整治，已改造成50Hz。

（2）最高电压等级：随着电力系统容量的增大和供电范围的扩大，电力系统输变电设备的最高电压等级越来越高。因此一个电力系统最高电压等级已是该系统容量和供电范围的标志。目前世界上多为220KV、500KV、750KV系统，我国到目前为止最高电压等级为750KV。

（3）中性点接地方式：电力系统内交流发电机和变压器的三相星形接线中性点接地与否和经过何种装置接地是关系到电力设备制造、电力系统运行的大问题、涉及系统绝缘水平、供电可靠性、对通信影响、继电保护性能、霹雷器配置等各个方面。我国规定，66KV及以下输电网络中性点经消弧线圈接地，也有经电阻接地或不接地的，110KV及以上网络中性点直接接地[1]。

2 AP1000电气系统概述

2.1 AP1000电气系统功能

（1）向厂外送电，保证电厂生产的电能安全送出。

（2）维持厂用电，保证电厂生产、安全设施的用电及其配送要求。

2.2 AP1000电气系统特点

（1）系统简化、装备减少。

（2）非能动安全系统设计，对交流供电系统无安全方面要求，无需实体隔离、厂外供电系统仅需提供正常启动和正常停堆用电源，也无需考虑多重性；备用柴油发电机组属非安全级，无应急要求。当主交流电源全部失去后，备用柴油发电机组对相关负责的供电，其响应时间可延缓至120s。

（3）延长不间断供电时间，提高电厂运行的安全性。

2.3 AP1000电气系统组成

2.4 AP1000机组 ECS系统

主交流电源系统（ECS）系统母线电压为中压10KV和低压380/220V。

（1）正常电源：电厂正常运行时，由主发电机提供的厂用电源。

（2）优先电源：停堆时，由主变压器和厂用变压器接受当地电网电能，提供厂用电。

（3）检修电源：真非常电源和优先电源不可用时，由备用辅助变压器提供厂用电源。

2.5 AP1000机组IDS系统

IDS是最重要的电气系统，它为电厂安全监测，设备启动与控制，事故缓解和安全停堆的仪控设备提供1E级电源。IDS除了作仪控电源外，还用来启动一些安全设备，如自动卸压系统的阀门。在全部丧失厂房电源和场内交流电源事件中，1E级直流蓄电池为需要的直流负载和交流仪表提供电源。

2.6 AP1000机组EDS系统

为电站非1E级直流和交流负载提供直流和不间断交流电源，EDS对电站运行和重点保护至关重要：①控制和测量仪表；②安全壳内的氢点火器提供直流和不间断交流电源；③现场备用柴油发电机可向电池充电器提供正常的480 Vac交流电力；④在失去所有交流电源的情况下，电池的容量可以为系统负载提供两个小时的电力；⑤当非1E级蓄电池充电器由于维护、测试或故障的原因而不可用时，每个非1E级直流配电子系统母线，能够连接到一个备用的蓄电池充电器上。EDS用1E级备用蓄电池组作为任何一个非1E级蓄电池组的临时备用。在这个设计配置中，1E级蓄电池和非1E级直流母线相连，但不能同时给1E级安全负载供电或执行安全相关功能。另外，备用蓄电池组的馈线回路配有两个串联的保护装置，它能够在非1E级母线发生电气故障时，保护备用1E及蓄电池的完整性。这个配置不会降低1E机安全电路的电气独立性[2]。

3 AP1000机组IDS系统解析

AP1000 IDS系统由A、B、C、D 4个序列构成，正常情况下，低压交流电源取自MCC，经DC变成直流电源进直流配电盘，除供电给所带负荷，同时通过DF对蓄电池组进行浮充电； 失去外部交流电时，由蓄电池对负荷供电，对于A、D序列提供必须的最初24h电源，B、C序列中的72小时蓄电池，将为负荷提供所必须的72h电源，此外，IDS系统还有一组备用蓄电池组和充电器，作为IDS系统的备用电源。

3.1 蓄电池组

蓄电池的设计标准，AP1000蓄电池组主要采用了NEC标准，NFPA70-1999标准。

（1）电池组及房间的通风要求：①通风口不能被阻塞且电池具有防火装置；②通风系统，不论强制性还是自然性通风，都要满足防止爆炸混合物的聚集；③探测系统和报警系统要经过功能性测试。

（2）电池组及房间的安全要求：①保证房间内氢气浓度不超过1%；②足够的通风口保证溢出的氢气不会聚集在房顶；③废气不能越过房间内的电气设备；④进风口不能高于电池组序列，出风口在房间内的最高位置；⑤气流探测器保证排风扇非正常工作时发出报警信号；⑥排风扇的控制设备位于距离电池组至少6’（1800mm），低于最高通风口最下端至少4”（100mm）。

（3）国内蓄电池组的设计标准要求，参考为国标：①严禁在蓄电池室内吸烟和将任何火种带入蓄电池室内。②蓄电池室可装设整个管路焊接的暖气装置，严禁采用明火取暖。③蓄电池应装置在单独的室内；蓄电池室门应向外开。蓄电池室应装有通风装置，通风道应单独设置，不应通向烟道或厂房内的总通风系统。离通风管出口处10m内（含10m）有引爆物质场所时，则通风管的出风口至少应高出该建筑物屋顶2m。④蓄电池室应使用防爆型照明和防爆型排风机，开关、熔断器、插座等应装在蓄电池室的外面。⑤蓄电池室的照明线应采用耐酸导线，并用暗线敷设。检修用的行灯应采用12V防爆灯，其电缆应用绝缘良好的胶质软线。

3.2 蓄电池充电

蓄电池的仓储充电选择恒压充电方式，充电时间选择6小时。单体电池充电电压设置为2.5V。但一般的恒压充电初期电流过大，容易对蓄电池寿命造成影响，因此充电初期按照更新充电时间表中的要求，IDS蓄电池组设置充电电流140A，EDS蓄电池组设置充电电流190A，有效避免了蓄电池充电初期蓄电池所承受过大的电流。根据现场的实际充电试验，可以得到蓄电池恒压充电的充电曲线。

3.3 蓄电池组的布置

IDS蓄电池组采用预埋螺栓安装的方式，主要考虑两者在抗震要求方面要求的不同，对于IDS蓄电池组，需要满足抗震I类的要求。现场经验反馈预埋螺栓的安装方式在混凝土浇筑时出现了大量的位置偏差，不利于现场施工，当前在焊接的方式能够证实满足抗震I类的要求的情况下，考虑到现场施工的方便性，将1E级蓄电池组的安装方式改为与预埋板焊接[3]。

4 AP1000电气系统设备施工及质量控制

4.1 电气盘箱柜

4.1.1 电气盘箱柜安装流程

4.1.2 电气盘箱柜施工及质量控制要点

（1）测量放线：根据电气设备布置图在现场对设备和基础型钢进行测量放线。

（2）基础型钢预制与安装：楼板平面度偏差不能大于3mm；基础安装验收允许偏差（见表1）。

表1 验收偏差表

（3）设备运输及现场存放：①盘柜吊装应保持平衡，柜体不倾斜，一般情况下，电气设备应直立运输及存放，在设备吊装过程中，连向吊钩的吊绳与地平线之间的角度应大于60度。在安装区域和因门或顶棚高度无法使用标准吊装设备的地方，应使用管子、滚杠来搬运设备。②设备安装前如需贮存，应采用运输包装箱及保护罩予以保护。③现场存放应满足盘柜临时存放要求，应有防潮、防雨措施。④如贮存地点没有加热措施，则应通过临时电源向盘柜内加热通电进行加热；如盘柜内不带加热器，则应采用临时加热器加热，以防止凝露。

（4）设备安装前检查：①开箱前，施工人员应熟悉设备的说明文件、装箱单及安装图纸等技术资料，了解设备的性能、结构特点、几何尺寸，查明设备的安装位置、设备号、房间号和规格型号。②开箱后，检查随机文件是否齐全；按照装箱单清点设备的零件、部件、附件、设备、附属材料、工具等并妥善保管，设备应无变形、损伤和锈蚀。

（5）母线安装及盘间连线：①安装前用兆欧表测量各段母线相间及对地的绝缘电阻。②用清洁、干燥的软布擦拭母线，检查绝缘是否损伤，清除油脂和粘附的污物。③在母线终端，栓接支撑板，以支撑绝缘罩。④在母线终端和连接处，安装绝缘罩。⑤盘间连线按照设计图纸连接。

（6）盘柜接地：盘柜的接地按照设计文件要求进行规格及接地点数量的选择。

（7）设备清洁：①盘内清洁：清理遗留在盘柜内的杂物等，用吸尘器吸净盘柜内的灰尘和细小的杂物；②盘外清洁：清扫盘柜外表面的灰尘及污染物体，使盘柜保持干净整洁；③盘柜属于B级物项，其开关室也应保持清洁、干燥、无扬尘、通风环境良好。

（8）设备补漆、标识：①对运输和安装过程中发现的设备外壳脱漆现象，应涂刷厂家提供的油漆；若厂家没有提供油漆，则应涂上与设备颜色相同的漆；修补时不要将油漆沾到设备配件及其他电气设备表面。②对运输和安装过程中设备标识损坏的，应用新的标识牌将其更换。③壳内环境选用高固态环氧涂层，壳外环境选用富锌漆；涂层表面应光滑，均匀，无流挂，无气泡，无裂纹，漏涂等缺陷。

（9）电气盘箱柜安装实例及经验反馈：①盘柜内存在冷凝水问题：因现场环境湿度在70%以上，临时隔间内盘柜未密封，除湿机也未开启，外部湿热空气接触到空调直吹的柜体形成冷凝水。后续经验反馈，电气仪控设备隔间应确保封闭完整，隔间内空调、除湿器及时投入使用，确保温湿度满足设备存储要求。②盘柜内存在内部进灰问题：房间内预埋件施工的凿毛、钻孔、打磨等作业导致环境存在大量粉尘，并且未采取有效管理手段与降尘措施。IDS设备未采取任何防尘保护措施。后续经验反馈，在电仪设备成品保护工作程序中明确电仪设备区域凿毛、钻孔、打磨等作业必须采取降尘措施，并且有专人负责该区域的清洁管理工作。电仪设备安装完成后，若有其他作业，应对内部的部件以及盘柜本体都进行防尘保护。

4.2 共箱母线

共箱封闭母线是指各相导体在一个公共的金属壳内，相间没有隔板隔开的母线，是承担电力传输的重要导电部件。封闭共箱母线主要由箱体、母线导体、绝缘子、金具、连接或者紧固螺栓组成。

4.2.1 共箱母线安装工艺流程

4.2.2 共箱封闭母线施工及质量控制要点

（1）支架预制安装：①确认常规岛核岛接口处支架高度是否一致；②支吊架横梁标高误差不超过±5mm；③支吊架涂层表面光滑、均匀、无流挂、无裂纹。

（2）共箱母线组对：①根据母线总走向图，尽可能一次安装到位；②全部母线就位后，方可以进行段间连接；③待母线固定好后，焊接导体三相，确认没问题后再焊接外壳上下抱瓦；④焊接需牢靠、满焊无缝。

（3）共箱母线安装：①安装顺序原则上为先户内后户外，户内为先里后外；②安装时注意箱体与支架之间不能留缝隙；③共箱母线应保证定相、连接和封闭正确；④共箱母线内壁、绝缘子表面、内部导体均应清洁无尘。

（4）螺栓连接：①共箱母线与设备连接处为螺栓连接、母线导体与设备端子导电接触面镀银或者搪锡、期间用铜编织线作为伸缩连接件；②连接接头必须用工业酒精清洁、并涂抹导电膏；③根据厂家公布的力矩值紧固螺栓或者厂家引用的标准内的力矩值紧固螺栓。

（5）接地安装：①外壳用120mm2接地导线与接地预埋板连接；②根据图纸多点接地。

（6）试验：①依据厂家手册进行绝缘测试；②依据电气设备交接试验标准进行耐压试验；③人工淋水试验，用直径2.5cm左右的软管，通过距外壳3m的喷嘴，将水从与水平面45°角度喷出，连续喷淋1分钟，共箱母线内部无水痕。

4.3 蓄电池组

AP1000蓄电池包括1E级和非1E级两种，物项代码分别为DB01和DB02，1E级蓄电池组属于IDS系统，非1E级蓄电池组属于EDS系统。

4.3.1 蓄电池组安装流程

4.3.2 蓄电池组施工及质量控制要点

（1）开箱检查：①包装材料是否被损坏；②是否有发湿与污渍；③检查酸液液位，及是否有外溢（富液式）；④数量、规格、型号是否与箱单一致。

（2）存储维护：①存储于清洁、干燥、凉爽的房间；②严禁叠放；③按照厂家要求的间隔时间进行更新充电（富液式）。

（3）环境检查：①空间是否满足搬运通道及安装的要求；②通风系统是否投用，或者临时通风系统已经投用，具备氢气检测的要求设备（氢气累积量需小于蓄电池区总容量的2%。）；③环境温湿度及控制措施是否已经到位（温度控制在19-26度间，事故工况极限不低于15.6度）；④房间内是否还有未完成的其他施工活动。

（4）支架安装：①房间地面的水平度是否满足支架安装（调整幅度6mm）的要求；②蓄电池支架的位置及水平偏差是否满足6mm的要求；③蓄电池支架的连接螺栓力矩是否满足厂家的给定值；④蓄电池架是否已经接地。

（5）吊装运输：①运输过程及吊装过程是否采取保护措施避免碰撞及跌落；②蓄电池应在托盘上运输；③避免损伤导电极柱。

（6）蓄电池安装：①蓄电池安装到支架上的过程是否有足够的保护措施，保持平稳避免碰撞支架，并注意注酸、注水帽、阻火器的防护②相邻电池间的间距满足6mm的要求（国标5mm）

连接板连接：①接线柱需擦掉保护润滑脂进行检查表面是否损伤，然后打磨并涂抹润滑脂；②连接条需进行表面损伤检查后涂抹润滑脂（导电膏）；③按照详图使用合适的紧固件、连接板连接蓄电池接线柱。

4.3.3 蓄电池组安装及经验反馈

蓄电池支架安装难点：①蓄电池支架安装前地面需达到一定平整度，为后续蓄电池架前后及左右高低相差不超过1/4英寸（6毫米）的安装要求提供支持。蓄电池支架固定在现场已经安装好的预埋螺栓上，由于预埋螺栓的长度与支架存在冲突，需要对其切割给以保证蓄电池支架能够正常安装。②由于蓄电池及支架靠墙壁较近，在支架安装前需要先安装蓄电池防酸挡板。挡板采用膨胀螺栓进行固定。挡板内侧与蓄电池支架之间的距离不小于1英寸。③支架安装时，首先取出支架部件中的阶梯形结构焊接件进行安装。注意带有接地孔的结构焊接件放两侧，每一组电池架共有5个结构焊接件，安装时注意找正。④蓄电池支架的螺栓最后应使用力矩扳手拧紧，使其达到规定的力矩要求[4]。

（2）蓄电池安装难点：①蓄电池存储期间，需要确保房间的温湿度满足要求，避免连接板的氧化；②蓄电池储存时间不能超过2年，确保存储期间满足B级物项存储条件下，每6个月的维护充电；③蓄电池预埋地脚螺栓的防护，避免锈蚀；④蓄电池吊装过程确保安全；⑤安装完成后成品保护措施是否得当，避免损坏蓄电池结构，如加酸、加水帽等。

5 结语

本文主要对AP1000电气系统组成及功能、安全级直流+UPS电源系统（IDS）、电气系统设备施工及质量控制要点、后续经验反馈等进行了解析、归纳和总结。核电厂安全系统设计基于对设计基准事件/事故的假设和对单一故障准则的应用，两者共同构成的基本设计准则及由单一故障准则所派生的冗余性、多样性和独立性原则以及隔离准则（实体隔离和电气隔离）为安全相关系统实现其充足又恰当的安全裕度，提供了必要的设计保障。