程 銘，呂 征

(中國原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究部，北京 102413)

核設(shè)施的供電系統(tǒng)(核電領(lǐng)域稱為廠用電系統(tǒng)[1])是向整個(gè)反應(yīng)堆裝置及各廠房設(shè)施提供合格電源的電氣系統(tǒng)[2]，其穩(wěn)定可靠的運(yùn)行為核設(shè)施的安全和連續(xù)運(yùn)行提供不可或缺的重要保障。核設(shè)施供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的組成和運(yùn)行方式與其用電負(fù)荷的特點(diǎn)直接相關(guān)，且隨著堆型的區(qū)別各不相同。針對(duì)0.4 kV電壓等級(jí)的常規(guī)電源供電母線，包括AP1000、EPR、VVER等在內(nèi)[3]各型號(hào)國內(nèi)外核電站的廠用電系統(tǒng)均采用了獨(dú)立變壓器向各母線一對(duì)一供電、母線之間無聯(lián)絡(luò)的設(shè)計(jì)方案，其提高電源可靠性的方式則通過高壓廠用變壓器實(shí)現(xiàn)[4](見圖1)；包括泳池式輕水試驗(yàn)堆、微型反應(yīng)堆、零功率堆等在內(nèi)的國內(nèi)大部分研究型反應(yīng)堆及核設(shè)施，由于用電設(shè)備數(shù)量及負(fù)荷相對(duì)較少，供電系統(tǒng)均采用了設(shè)置兩段0.4 kV母線、之間加設(shè)1臺(tái)聯(lián)絡(luò)斷路器的設(shè)計(jì)方案(見圖2)。

圖1 典型核電站廠用電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 典型研究堆供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

阿爾及利亞比林研究堆是我國出口并承擔(dān)設(shè)計(jì)建造的一座多用途重水反應(yīng)堆，該反應(yīng)堆可用于同位素生產(chǎn)[5]、燃料元件考驗(yàn)、及熱工水力試驗(yàn)等多種功能。在最新完成的B1B2升級(jí)改造工程設(shè)計(jì)中，考慮到該國市電基礎(chǔ)設(shè)施的不穩(wěn)定以及該反應(yīng)堆特殊的多種運(yùn)行工況[6]，設(shè)計(jì)中采用了特殊的多段母線、可依次聯(lián)絡(luò)的供電母線方案，配合特定數(shù)量的主變壓器，組成了可靠性高[7]、靈活度強(qiáng)[8]、同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性[9]的供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，該設(shè)計(jì)方案也為各段母線的進(jìn)線斷路器、聯(lián)絡(luò)斷路器之間的互鎖邏輯與電路設(shè)計(jì)帶來了新的要求，需通過特定的研究方法分析得出一套完善的設(shè)計(jì)方案，并能將此方法應(yīng)用于今后其他各類似項(xiàng)目的工程設(shè)計(jì)中。

1 多運(yùn)行方式的供電母線設(shè)計(jì)

比林研究堆除反應(yīng)堆的正常運(yùn)行工況外，還有額外開啟高溫高壓考驗(yàn)回路(204.6 kVA)、低溫低壓考驗(yàn)回路(135.5 kVA)、熱工水力試驗(yàn)回路(264.2 kVA)以及分別同時(shí)運(yùn)行等各個(gè)工況。反應(yīng)堆各運(yùn)行工況的電氣總負(fù)荷如表1。

表1 反應(yīng)堆各工況下用電負(fù)荷

負(fù)荷狀態(tài)負(fù)荷容量/kVA反應(yīng)堆正常運(yùn)行1 411.3單個(gè)試驗(yàn)回路開啟(最大)1 675.5兩個(gè)試驗(yàn)回路開啟(最大)1 880.1三個(gè)試驗(yàn)回路同時(shí)開啟2 015.6

由于該地區(qū)市電電網(wǎng)經(jīng)常出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，若采用常規(guī)的兩段0.4 kV正常供電母線設(shè)計(jì)思路，則要求在一路外電失去的情況下剩余一路電源需繼續(xù)承擔(dān)整個(gè)反應(yīng)堆運(yùn)行和試驗(yàn)回路的用電負(fù)荷，以保證不因外電的短期波動(dòng)而影響連續(xù)進(jìn)行的試驗(yàn)。此時(shí)兩臺(tái)主變壓器的單臺(tái)容量均需滿足總?cè)萘? 015.6 kVA的需求而選擇2 500 kVA等級(jí)，而在長期的反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)所需負(fù)荷1 411.3 kVA又僅占變壓器總額定容量5 000 kVA的28.2%，無論從建造經(jīng)濟(jì)性還是運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性上均會(huì)造成大量的浪費(fèi)。

經(jīng)過對(duì)比分析與創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在該反應(yīng)堆的0.4 kV正常供電系統(tǒng)采用了三臺(tái)10/0.4 kV主變壓器(即三路外電)、四段低壓供電母線、可依次聯(lián)絡(luò)的母線段設(shè)計(jì)方案。三臺(tái)變壓器中，1#和2#的容量為1 250 kVA，3#的容量為800 kVA，在提高經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)保證了系統(tǒng)正常和安全功能的實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的具體供電原理見圖3。

圖3 比林堆0.4 kV供電系統(tǒng)原理圖

如圖3，從左至右分別為I段母線、III段母線、IV段母線、II段母線，I、II、III段母線的進(jìn)線斷路器分別為QF1、QF2、QF3，各母線之間的聯(lián)絡(luò)斷路器從左至右分別為QF1-3、QF3-4、QF4-2。反應(yīng)堆常規(guī)運(yùn)行所需的各工藝系統(tǒng)相關(guān)負(fù)荷主要分配于I段母線與II段母線，各試驗(yàn)回路的負(fù)荷主要分配于III段母線與IV段母線，在負(fù)荷分配時(shí)均考慮了冗余配置。

反應(yīng)堆常規(guī)運(yùn)行模式下，系統(tǒng)靠1#變壓器、2#變壓器兩路外電供電，3#變壓器停用，QF1-3和QF4-2兩個(gè)聯(lián)絡(luò)斷路器閉合，QF3-4斷開，由兩路外電分別向兩組組合的母線供電，其2 500 kVA的總?cè)萘靠蓾M足運(yùn)行需求，此時(shí)3#變壓器的容量可額外作為單路失電時(shí)的備用。

當(dāng)啟用反應(yīng)堆的各試驗(yàn)回路時(shí)，3#變壓器提前投入并提供電力，母線的狀態(tài)也相應(yīng)改變?yōu)镼F1-3和QF4-2斷開、QF3-4閉合，三臺(tái)變壓器分別向三組母線供電，3#變壓器的800 kVA容量可單獨(dú)滿足各試驗(yàn)回路同時(shí)開啟的需求。同時(shí)，在該工況下三路電源中的任意一路失電時(shí)，剩余兩路電源的總?cè)萘烤衫^續(xù)保證反應(yīng)堆及試驗(yàn)回路的繼續(xù)運(yùn)行。

當(dāng)反應(yīng)堆處于調(diào)試、檢修、單項(xiàng)試驗(yàn)等輕載運(yùn)行方式下，又可挑選三臺(tái)變壓器中的任意一臺(tái)，通過閉合所有聯(lián)絡(luò)斷路器，向各段母線提供電源。

表2 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化效果對(duì)比

設(shè)計(jì)方案需配置變壓器的總?cè)萘?kVA反應(yīng)堆正常運(yùn)行容量利用率/[%]各試驗(yàn)回路同時(shí)開啟容量利用率/[%]常規(guī)兩段母線設(shè)計(jì)方案5 00028.240.3三臺(tái)變壓器、四段母線設(shè)計(jì)方案3 30056.461.1

2 聯(lián)絡(luò)與互鎖邏輯的分析

在常規(guī)的研究堆及核設(shè)施供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中(如圖2所示)，進(jìn)線斷路器與聯(lián)絡(luò)斷路器的互鎖較為簡單，僅通過在每臺(tái)斷路器二次控制電路的合閘回路中并聯(lián)接入另外兩臺(tái)斷路器的常閉觸點(diǎn)即可，如圖4中方案所示。

圖4 常規(guī)斷路器聯(lián)絡(luò)互鎖的實(shí)現(xiàn)

而在本項(xiàng)目中低壓母線段為多段母線、依次聯(lián)絡(luò)且運(yùn)行方式也不固定的情況下，為了避免各母線之間電源并車現(xiàn)象的發(fā)生，各段母線及斷路器之間特殊的聯(lián)絡(luò)及互鎖邏輯就變得尤為重要。僅通過非安全級(jí)DCS或規(guī)定運(yùn)行人員的操作規(guī)程去實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯顯然并不十分可靠，所以通過搭建繼電器連鎖邏輯的電氣硬接線方式就具有重要的應(yīng)用意義和研究價(jià)值。邏輯圖分析法的研究與應(yīng)用可準(zhǔn)確的指導(dǎo)完成電氣連鎖電路的設(shè)計(jì)，并能大大提高設(shè)計(jì)工作的效率。

在如圖3所示的母線結(jié)構(gòu)及運(yùn)行方式中，共設(shè)有3個(gè)進(jìn)線斷路器和3個(gè)聯(lián)絡(luò)斷路器，綜合考慮各種運(yùn)行方式，每一臺(tái)斷路器的閉合都需要事先判斷其他5臺(tái)斷路器所處的狀態(tài)，以防止電源并車發(fā)生。各斷路器均配有輔助的開關(guān)觸點(diǎn)，可表明目前該斷路器的閉合或斷開狀態(tài)，每臺(tái)斷路器將自身的開關(guān)狀態(tài)分別送至其余5臺(tái)斷路器，同時(shí)將分別來自其余5臺(tái)斷路器的觸點(diǎn)進(jìn)行綜合邏輯判斷后給出是否允許本臺(tái)斷路器閉合的信號(hào)。

如圖5所示，現(xiàn)以1#變壓器和I段母線之間的進(jìn)線斷路器QF1為例，來說明邏輯圖分析法如何應(yīng)用于斷路器之間聯(lián)絡(luò)及連鎖邏輯的設(shè)計(jì)。圖中，open及close代表斷路器的狀態(tài)，P(permission)代表由于該斷路器的特定狀態(tài)而允許目標(biāo)分析斷路器的閉合，F(xiàn)(forbidden)代表由于該斷路器的特定狀態(tài)而禁止目標(biāo)分析斷路器的閉合，各斷路器的排列判斷順序以母線段上的連接順序?yàn)闇?zhǔn)。左側(cè)標(biāo)注箭頭的代表該斷路器是與變壓器直接相連的進(jìn)線斷路器，不帶箭頭的表示母線段之間的聯(lián)絡(luò)斷路器。

圖5 QF1斷路器邏輯分析圖

從目標(biāo)的QF1開始進(jìn)行判斷，QF1-3如果處于斷開狀態(tài)，表明I段母線與III段母線及之后其他各段母線均處于非連接狀態(tài)，QF1允許閉合，即直接產(chǎn)生允許合閘的P信號(hào)；若QF1-3處于閉合狀態(tài)，表明I段母線與III段母線之間已相連，此時(shí)判斷QF3的狀態(tài)，若閉合則表示3#變壓器正在同時(shí)向I段和III段母線供電，QF1禁止閉合，即直接產(chǎn)生禁止閉合的F信號(hào)，若QF3斷開則繼續(xù)向后判斷；接下來判斷QF3-4的狀態(tài)，若斷開，則表示I段母線和III母線與之后的母線互相隔離，則允許QF1閉合向這兩段母線供電，產(chǎn)生P信號(hào)，若QF3-4閉合則繼續(xù)判斷QF4-2的狀態(tài)；當(dāng)QF4-2斷開，即表示I、III、IV三段母線連接后與II段母線隔離，此時(shí)允許閉合QF1向以上母線同時(shí)供電，產(chǎn)生P信號(hào)，若QF4-2閉合，則繼續(xù)判斷QF2狀態(tài)；當(dāng)QF2處于閉合狀態(tài)，即表明2#變壓器正在單獨(dú)同時(shí)向所有四段母線供電，QF1禁止閉合，直接產(chǎn)生F信號(hào)，若QF2斷開，則表明四段母線已連接在一起且暫無供電的變壓器，QF1允許閉合并單獨(dú)向四段母線供電，產(chǎn)生P信號(hào)。

經(jīng)以上逐一邏輯分析后，總結(jié)繪制成如上圖5的邏輯判斷流程圖。對(duì)母線上其余各個(gè)斷路器參照以上思路和方法分析并繪制出邏輯判斷流程圖后，總結(jié)出了明顯的可遵循的規(guī)律。從目標(biāo)斷路器開始按不同方向依次判斷，當(dāng)判斷經(jīng)過聯(lián)絡(luò)斷路器時(shí)，則會(huì)統(tǒng)一得出“open-P，close-next”的結(jié)論，即該聯(lián)絡(luò)斷路器斷開時(shí)，目標(biāo)斷路器允許閉合，該聯(lián)絡(luò)斷路器閉合時(shí)，需要繼續(xù)分析之后的斷路器狀態(tài)；當(dāng)判斷經(jīng)過進(jìn)線斷路器時(shí)，則會(huì)統(tǒng)一得出“open-next，close-F”的結(jié)論，即該進(jìn)線斷路器斷開時(shí)，目標(biāo)斷路器允許閉合，該進(jìn)線斷路器閉合時(shí)，目標(biāo)斷路器禁止閉合；其中，當(dāng)判斷至母線最邊緣的斷路器時(shí)(如本示例中的QF1、QF2)，next即直接代表P或者F的結(jié)論，即允許或禁止目標(biāo)斷路器的閉合。參照以上規(guī)則，挑選QF3-4為目標(biāo)斷路器，可不經(jīng)過復(fù)雜的判斷、直接繪制出相應(yīng)的邏輯判斷流程圖(見圖6)，再經(jīng)詳細(xì)的分析校驗(yàn)后，得出的結(jié)論與此圖一致。至此，依據(jù)以上歸納出的原則可快捷的確定出各個(gè)斷路器的聯(lián)絡(luò)與互鎖邏輯，為下一步二次控制回路的具體設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

圖6 QF3-4斷路器邏輯分析圖

3 斷路器二次控制回路設(shè)計(jì)

在得出了母線段上各個(gè)斷路器的聯(lián)絡(luò)與互鎖邏輯后，接下來的任務(wù)就是通過斷路器的二次控制回路具體設(shè)計(jì)來將此邏輯搭建實(shí)現(xiàn)。關(guān)于斷路器二次控制回路的整體設(shè)計(jì)較為常規(guī)，具體包括斷路器的合閘、分閘、失壓脫扣、儲(chǔ)能、指示燈等回路，以及就地/DCS的轉(zhuǎn)換開關(guān)和操作按鈕等元件，本節(jié)就不再詳細(xì)展開介紹，本節(jié)的重點(diǎn)主要為依據(jù)互鎖邏輯而添加在斷路器合閘回路中的邏輯觸點(diǎn)組合的設(shè)計(jì)。

各斷路器均取常閉輔助觸點(diǎn)代表自身開合狀態(tài)，即斷路器處于斷開狀態(tài)下該輔助觸點(diǎn)閉合，斷路器處于合閘狀態(tài)下該輔助觸點(diǎn)斷開，此信號(hào)依次傳送至其它各斷路器?，F(xiàn)仍以圖5中得出的QF1斷路器的聯(lián)絡(luò)及互鎖邏輯結(jié)果為例進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。當(dāng)分析首先經(jīng)過QF1-3斷路器時(shí)，其斷開可直接產(chǎn)生允許合閘的P信號(hào)，在二次控制回路的設(shè)計(jì)上即可體現(xiàn)為單獨(dú)一路直接的常閉觸點(diǎn)允許合閘信號(hào)通過；QF3斷路器的閉合可直接產(chǎn)生禁止合閘的F信號(hào)、斷開需要繼續(xù)向后判斷，則在二次控制回路的設(shè)計(jì)上即可體現(xiàn)為將其常閉觸點(diǎn)串聯(lián)在其余各斷路器之前；剩余的三臺(tái)斷路器QF3-4、QF4-2、QF2任意斷路器的閉合都可產(chǎn)生允許合閘的P信號(hào)、斷開則繼續(xù)判斷或禁止合閘，所以在二次控制回路的設(shè)計(jì)上即為三個(gè)并聯(lián)的觸點(diǎn)組合。經(jīng)分析和設(shè)計(jì)后，該斷路器的聯(lián)絡(luò)互鎖邏輯形成了圖7中的連接方式，該組觸點(diǎn)串聯(lián)在二次控制電路中的合閘回路以實(shí)現(xiàn)其功能。

圖7 QF1斷路器二次圖合閘回路設(shè)計(jì)

參照此思路，斷路器QF3-4可依據(jù)圖6的聯(lián)絡(luò)及互鎖邏輯圖設(shè)計(jì)成圖8的觸點(diǎn)邏輯組合。母線上的其余各斷路器也均可按照此思路，快速的完成斷路器之間聯(lián)絡(luò)及互鎖的電路設(shè)計(jì)。

圖8 QF3-4斷路器二次圖合閘回路設(shè)計(jì)

在分別依此設(shè)計(jì)方法完成該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工作、設(shè)備采購制造及現(xiàn)場安裝后，調(diào)試時(shí)將各斷路器搖至試驗(yàn)位依次進(jìn)行了詳細(xì)的斷路器聯(lián)絡(luò)互鎖邏輯合閘驗(yàn)證試驗(yàn)，均完美的實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能，充分驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)分析方法的可行性。

4 結(jié)語

(1)本文通過舉例對(duì)比、詳細(xì)說明和具體分析，闡述了阿爾及利亞比林堆0.4 kV低壓供電母線的設(shè)計(jì)思路，同時(shí)對(duì)各斷路器之間的聯(lián)絡(luò)互鎖邏輯進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，總結(jié)歸納出了一套具有應(yīng)用和推廣價(jià)值的分析方法。

(2)根據(jù)本文內(nèi)容，在進(jìn)行具有特殊運(yùn)行要求、多種運(yùn)行方式的供配電母線設(shè)計(jì)時(shí)，可快速和準(zhǔn)確的確定各進(jìn)線斷路器和聯(lián)絡(luò)斷路器之間的互鎖關(guān)系，完成相應(yīng)二次控制回路的詳細(xì)設(shè)計(jì)。本文介紹的工作與內(nèi)容在提高研究堆或其他核設(shè)施供電系統(tǒng)建造和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)行多樣性以及設(shè)計(jì)工作的準(zhǔn)確性等方面都具有切實(shí)的價(jià)值。

(3)隨著反應(yīng)堆分布式控制系統(tǒng)(DCS)可靠性的不斷提高，尤其是安全級(jí)(1E級(jí))DCS[10]的不斷成熟，在完成本文介紹的聯(lián)絡(luò)及互鎖邏輯分析工作后，除通過斷路器二次控制回路繼電器組合的方式實(shí)現(xiàn)互鎖設(shè)計(jì)之外，在遠(yuǎn)程控制運(yùn)行模式下，也可考慮使用安全級(jí)DCS軟件編程的方法實(shí)現(xiàn)此邏輯，最終只向斷路器的二次控制回路輸出單一的合閘指令，此思路可減少電氣系統(tǒng)控制電路的復(fù)雜程度，這也是本文工作內(nèi)容將來可擴(kuò)展研究和應(yīng)用的一個(gè)重要方向。