程 銘，呂 征

(中國原子能科學研究院 反應堆工程技術研究部，北京 102413)

核設施的供電系統(tǒng)(核電領域稱為廠用電系統(tǒng)[1])是向整個反應堆裝置及各廠房設施提供合格電源的電氣系統(tǒng)[2]，其穩(wěn)定可靠的運行為核設施的安全和連續(xù)運行提供不可或缺的重要保障。核設施供電系統(tǒng)結構的組成和運行方式與其用電負荷的特點直接相關，且隨著堆型的區(qū)別各不相同。針對0.4 kV電壓等級的常規(guī)電源供電母線，包括AP1000、EPR、VVER等在內[3]各型號國內外核電站的廠用電系統(tǒng)均采用了獨立變壓器向各母線一對一供電、母線之間無聯(lián)絡的設計方案，其提高電源可靠性的方式則通過高壓廠用變壓器實現(xiàn)[4](見圖1)；包括泳池式輕水試驗堆、微型反應堆、零功率堆等在內的國內大部分研究型反應堆及核設施，由于用電設備數(shù)量及負荷相對較少，供電系統(tǒng)均采用了設置兩段0.4 kV母線、之間加設1臺聯(lián)絡斷路器的設計方案(見圖2)。

圖1 典型核電站廠用電系統(tǒng)結構圖

圖2 典型研究堆供電系統(tǒng)結構圖

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

1 多運行方式的供電母線設計

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

表1 反應堆各工況下用電負荷

負荷狀態(tài)負荷容量/kVA反應堆正常運行1 411.3單個試驗回路開啟(最大)1 675.5兩個試驗回路開啟(最大)1 880.1三個試驗回路同時開啟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正常供電母線設計思路，則要求在一路外電失去的情況下剩余一路電源需繼續(xù)承擔整個反應堆運行和試驗回路的用電負荷，以保證不因外電的短期波動而影響連續(xù)進行的試驗。此時兩臺主變壓器的單臺容量均需滿足總容量2 015.6 kVA的需求而選擇2 500 kVA等級，而在長期的反應堆正常運行時所需負荷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)濟性還是運行經(jīng)濟性上均會造成大量的浪費。

經(jīng)過對比分析與創(chuàng)新設計，在該反應堆的0.4 kV正常供電系統(tǒng)采用了三臺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)絡的母線段設計方案。三臺變壓器中，1#和2#的容量為1 250 kVA，3#的容量為800 kVA，在提高經(jīng)濟性的同時保證了系統(tǒng)正常和安全功能的實現(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段母線的進線斷路器分別為QF1、QF2、QF3，各母線之間的聯(lián)絡斷路器從左至右分別為QF1-3、QF3-4、QF4-2。反應堆常規(guī)運行所需的各工藝系統(tǒng)相關負荷主要分配于I段母線與II段母線，各試驗回路的負荷主要分配于III段母線與IV段母線，在負荷分配時均考慮了冗余配置。

反應堆常規(guī)運行模式下，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QF4-2兩個聯(lián)絡斷路器閉合，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的總容量可滿足運行需求，此時3#變壓器的容量可額外作為單路失電時的備用。

當啟用反應堆的各試驗回路時，3#變壓器提前投入并提供電力，母線的狀態(tài)也相應改變?yōu)镼F1-3和QF4-2斷開、QF3-4閉合，三臺變壓器分別向三組母線供電，3#變壓器的800 kVA容量可單獨滿足各試驗回路同時開啟的需求。同時，在該工況下三路電源中的任意一路失電時，剩余兩路電源的總容量均可繼續(xù)保證反應堆及試驗回路的繼續(xù)運行。

當反應堆處于調試、檢修、單項試驗等輕載運行方式下，又可挑選三臺變壓器中的任意一臺，通過閉合所有聯(lián)絡斷路器，向各段母線提供電源。

表2 供電系統(tǒng)設計方案優(yōu)化效果對比

設計方案需配置變壓器的總容量/kVA反應堆正常運行容量利用率/[%]各試驗回路同時開啟容量利用率/[%]常規(guī)兩段母線設計方案5 00028.240.3三臺變壓器、四段母線設計方案3 30056.461.1

2 聯(lián)絡與互鎖邏輯的分析

在常規(guī)的研究堆及核設施供電系統(tǒng)結構中(如圖2所示)，進線斷路器與聯(lián)絡斷路器的互鎖較為簡單，僅通過在每臺斷路器二次控制電路的合閘回路中并聯(lián)接入另外兩臺斷路器的常閉觸點即可，如圖4中方案所示。

圖4 常規(guī)斷路器聯(lián)絡互鎖的實現(xiàn)

而在本項目中低壓母線段為多段母線、依次聯(lián)絡且運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)絡及互鎖邏輯就變得尤為重要。僅通過非安全級DCS或規(guī)定運行人員的操作規(guī)程去實現(xiàn)復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用意義和研究價值。邏輯圖分析法的研究與應用可準確的指導完成電氣連鎖電路的設計，并能大大提高設計工作的效率。

在如圖3所示的母線結構及運行方式中，共設有3個進線斷路器和3個聯(lián)絡斷路器，綜合考慮各種運行方式，每一臺斷路器的閉合都需要事先判斷其他5臺斷路器所處的狀態(tài)，以防止電源并車發(fā)生。各斷路器均配有輔助的開關觸點，可表明目前該斷路器的閉合或斷開狀態(tài)，每臺斷路器將自身的開關狀態(tài)分別送至其余5臺斷路器，同時將分別來自其余5臺斷路器的觸點進行綜合邏輯判斷后給出是否允許本臺斷路器閉合的信號。

如圖5所示，現(xiàn)以1#變壓器和I段母線之間的進線斷路器QF1為例，來說明邏輯圖分析法如何應用于斷路器之間聯(lián)絡及連鎖邏輯的設計。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為準。左側標注箭頭的代表該斷路器是與變壓器直接相連的進線斷路器，不帶箭頭的表示母線段之間的聯(lián)絡斷路器。

圖5 QF1斷路器邏輯分析圖

從目標的QF1開始進行判斷，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，即直接產生允許合閘的P信號；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，此時判斷QF3的狀態(tài)，若閉合則表示3#變壓器正在同時向I段和III段母線供電，QF1禁止閉合，即直接產生禁止閉合的F信號，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，產生P信號，若QF3-4閉合則繼續(xù)判斷QF4-2的狀態(tài)；當QF4-2斷開，即表示I、III、IV三段母線連接后與II段母線隔離，此時允許閉合QF1向以上母線同時供電，產生P信號，若QF4-2閉合，則繼續(xù)判斷QF2狀態(tài)；當QF2處于閉合狀態(tài)，即表明2#變壓器正在單獨同時向所有四段母線供電，QF1禁止閉合，直接產生F信號，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允許閉合并單獨向四段母線供電，產生P信號。

經(jīng)以上逐一邏輯分析后，總結繪制成如上圖5的邏輯判斷流程圖。對母線上其余各個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，總結出了明顯的可遵循的規(guī)律。從目標斷路器開始按不同方向依次判斷，當判斷經(jīng)過聯(lián)絡斷路器時，則會統(tǒng)一得出“open-P，close-next”的結論，即該聯(lián)絡斷路器斷開時，目標斷路器允許閉合，該聯(lián)絡斷路器閉合時，需要繼續(xù)分析之后的斷路器狀態(tài)；當判斷經(jīng)過進線斷路器時，則會統(tǒng)一得出“open-next，close-F”的結論，即該進線斷路器斷開時，目標斷路器允許閉合，該進線斷路器閉合時，目標斷路器禁止閉合；其中，當判斷至母線最邊緣的斷路器時(如本示例中的QF1、QF2)，next即直接代表P或者F的結論，即允許或禁止目標斷路器的閉合。參照以上規(guī)則，挑選QF3-4為目標斷路器，可不經(jīng)過復雜的判斷、直接繪制出相應的邏輯判斷流程圖(見圖6)，再經(jīng)詳細的分析校驗后，得出的結論與此圖一致。至此，依據(jù)以上歸納出的原則可快捷的確定出各個斷路器的聯(lián)絡與互鎖邏輯，為下一步二次控制回路的具體設計提供基礎。

圖6 QF3-4斷路器邏輯分析圖

3 斷路器二次控制回路設計

在得出了母線段上各個斷路器的聯(lián)絡與互鎖邏輯后，接下來的任務就是通過斷路器的二次控制回路具體設計來將此邏輯搭建實現(xiàn)。關于斷路器二次控制回路的整體設計較為常規(guī)，具體包括斷路器的合閘、分閘、失壓脫扣、儲能、指示燈等回路，以及就地/DCS的轉換開關和操作按鈕等元件，本節(jié)就不再詳細展開介紹，本節(jié)的重點主要為依據(jù)互鎖邏輯而添加在斷路器合閘回路中的邏輯觸點組合的設計。

各斷路器均取常閉輔助觸點代表自身開合狀態(tài)，即斷路器處于斷開狀態(tài)下該輔助觸點閉合，斷路器處于合閘狀態(tài)下該輔助觸點斷開，此信號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)絡及互鎖邏輯結果為例進行分析和設計。當分析首先經(jīng)過QF1-3斷路器時，其斷開可直接產生允許合閘的P信號，在二次控制回路的設計上即可體現(xiàn)為單獨一路直接的常閉觸點允許合閘信號通過；QF3斷路器的閉合可直接產生禁止合閘的F信號、斷開需要繼續(xù)向后判斷，則在二次控制回路的設計上即可體現(xiàn)為將其常閉觸點串聯(lián)在其余各斷路器之前；剩余的三臺斷路器QF3-4、QF4-2、QF2任意斷路器的閉合都可產生允許合閘的P信號、斷開則繼續(xù)判斷或禁止合閘，所以在二次控制回路的設計上即為三個并聯(lián)的觸點組合。經(jīng)分析和設計后，該斷路器的聯(lián)絡互鎖邏輯形成了圖7中的連接方式，該組觸點串聯(lián)在二次控制電路中的合閘回路以實現(xiàn)其功能。

圖7 QF1斷路器二次圖合閘回路設計

參照此思路，斷路器QF3-4可依據(jù)圖6的聯(lián)絡及互鎖邏輯圖設計成圖8的觸點邏輯組合。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)絡及互鎖的電路設計。

圖8 QF3-4斷路器二次圖合閘回路設計

在分別依此設計方法完成該項目的設計工作、設備采購制造及現(xiàn)場安裝后，調試時將各斷路器搖至試驗位依次進行了詳細的斷路器聯(lián)絡互鎖邏輯合閘驗證試驗，均完美的實現(xiàn)了預期功能，充分驗證了該設計分析方法的可行性。

4 結語

(1)本文通過舉例對比、詳細說明和具體分析，闡述了阿爾及利亞比林堆0.4 kV低壓供電母線的設計思路，同時對各斷路器之間的聯(lián)絡互鎖邏輯進行了分析與設計，總結歸納出了一套具有應用和推廣價值的分析方法。

(2)根據(jù)本文內容，在進行具有特殊運行要求、多種運行方式的供配電母線設計時，可快速和準確的確定各進線斷路器和聯(lián)絡斷路器之間的互鎖關系，完成相應二次控制回路的詳細設計。本文介紹的工作與內容在提高研究堆或其他核設施供電系統(tǒng)建造和運行的經(jīng)濟性、運行多樣性以及設計工作的準確性等方面都具有切實的價值。

(3)隨著反應堆分布式控制系統(tǒng)(DCS)可靠性的不斷提高，尤其是安全級(1E級)DCS[10]的不斷成熟，在完成本文介紹的聯(lián)絡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現(xiàn)互鎖設計之外，在遠程控制運行模式下，也可考慮使用安全級DCS軟件編程的方法實現(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)控制電路的復雜程度，這也是本文工作內容將來可擴展研究和應用的一個重要方向。