核电站电力系统安全策略

前言
        发电厂根据所利用一次能源形式的不同，可分为火力发电厂、水力发电厂、核电厂、风力发电厂、太阳能发电厂等，其中核电由于能够改善能源结构、减少环境污染、延长发电机组寿命、缓解交通运输紧张等原因，在我国发挥越来越大的作用。目前，我国的核电方针也由原来的“适度发展核电”调整为“积极推进和发展核电”，体现了国家对核电发展的重视和认可。
        百万千瓦级的压水堆核电站是国家早在1983年就已经明确的核电技术路线，其原型是从法国引进的M310压水堆堆型，曾应用于我国大亚湾核电站的建设；其后的广东岭澳核电站是以大亚湾核电站为参考，根据运行经验反馈进行了多项技术改进而实施的设计和施工；目前国内核电发展方向则是以第二代或二代半核电站为参考基础，积极引进消化和应用第三代核电技术。湖北咸宁核电项目采用的就是第三代核电技术：AP1000（先进型压水堆核电机组）。AP1000是美国西屋公司开发的一种双环路1000 MW的压水堆核电机组，采用的是一种“非能动型安全技术”，利用物质的重力、惯性，流体的自然对流、扩散、蒸发、冷凝等物理原理，无须外界动力驱动系统，只要相应的通风、冷却水等支持系统，在紧急情况下，就能冷却反应堆厂房并且带走反应堆产生的余热。这一技术被公认为是目前最安全、最先进的核电技术。
        核电站和其它常规发电厂相比有一系列的特殊性， 这些特性要求电网必须给予重视和解决：(1)核电的安全问题具有广泛的社会影响和政治影响，因此核电从设计、建造、调试、运行等方面有一系列严格的安全规范必须遵守；这些规范既使核电在没有外部电源时，仍能保证核安全，同时也确保电网外部的条件不能削弱核安全的管理并有利于增强核电的安全性；(2)核电站本身的运行状态，包括启动、负荷调整、各种运行状态及其转换、外部电源和厂内电源的状态，也必须遵守相应的强制性技术规范； 这些标准使电网在考虑核电的运行方式，调度核电机组时有所限制；(3)任何拥有和运行核电站的电网， 必须对核电站的要求给予充分的关注。包括在“黑启动”（指电力系统在经受大的扰动或故障而发生大面积停电事故后，依靠本身的自启动机组或依靠临近电网的联络线支援，逐步恢复系统各运行元件和供电服务到正常运行状态的过程。）及电网恢复计划中，始终将恢复核电站厂外电源作为最优先的目标。因此，根据各个电网的特点，研究核电站的特殊要求，是设计并实施电网安全策略和恢复方案的一个重要问题。
        1.  核电站的特点
        1.1  核安全防护
        核电站的核安全保障是基于3层次的纵深防御策略 ：(1)核燃料组件。核燃料组件包括核燃料物质和包壳。燃料物质采用化学性质非常稳定，在高温(2000℃ 以上)环境下，仍能保持化学稳定，并对水不产生正反应的复合物质构成，这种物质确保一旦核燃料外泄时，不会产生更多的热量；核燃料包壳采用化学性质非常稳定，耐辐射、耐高温、耐腐蚀、传热性能优良的锆合金制造，防止核燃料组件破坏，放射物质流入反应堆一回路中；(2)一回路压力边界。该压力边界主要由反应器外壳和一回路管道构成。放射物质一旦泄漏进入一回路中，即由厚度达数厘米的金属外壳防护，防止放射物质进入反应堆中；(3)反应堆安全壳。厚达1m左右的钢筋混凝土外壳将核岛设备密封，作为核岛的最后一道屏障，防止放射物质扩散至周围环境中。最大限度地防止核事故对环境的影响。
        为使核防御策略在核安全受到威胁时有效地发挥作用，核电站厂内外电源的有效性十分重要，厂用电源除确保核安全所需的关键设备有效工作外，还是核电站常规岛，如发电机、汽轮机安全的重要保证。厂用电源在以下几个方面有重要影响：
        (1)停机停堆。核电站一旦发生事故，如与电网解列，为避免事故扩大，防止核事故发生，将发电机组安全停机及将反应堆安全停堆是首要的工作。将发电机组安全停机的关键是机组的操作电源。机组的操作电源包括交流操作电源和直流操作电源。这些电源将提供停机所需的开关操作电源、润滑油泵电源、交流操作电源及使机组安全停机的盘车电源。在盘车电源不可用时，应人工盘车。核电站的停堆是确保核安全的关键。只有可靠停堆，才能确保核反应产生的热量最少，避免发生堆芯熔化等严重事故。在核反应堆设计中，为确保在核电站失去厂用电后，仍能实现停堆，采用通过失电释放控制棒实现紧急停堆。而在厂用电可用的情况下，可实现正常的停堆，也能实现快速停堆。
        (2)余热导出。仅将反应堆停堆并不能保证核安全，必须将核反应产生的热量顺利导出反应器，即从一回路导至二回路，才能确保反应堆的安全。在余热导出过程中，厂用电源非常关键，厂用电源确保了一回路和二回路安全功能有效工作。
        (3)控制排放。一旦发生反应堆外壳破裂或一回路设备损坏的严重事故，确保安全壳的安全，防止放射物质向环境不受控制地排放， 必须进行有效地控制，包括对反应堆喷淋降压及消污。在这个过程中，厂用电源必不可少。
        此外，厂用电源还是大量控制设备可靠工作的基础，因此，在核电站的安全防护体系中，厂用电源的可靠性十分重要。
        1.2   厂用电系统
        1.2.1  电源
        基于上述的考虑， 核电站的厂用电源设计采用高可靠性的原则，并作为核安全规范的一部分。该规范中与外部电源相关的最基本的要求是：
        必须设立彼此独立的厂外电源和厂内电源， 以确保对电厂安全有重要影响的设备的供电； 厂外电源必须由至少2个物理上独立的电路将电网联接到厂用安全母线上。
        图1是大亚湾核电站厂用电系统(6．6kV 及以上部分)的示意。在该核电站中，每一核电机组的厂用电系统由如下电源供电：(1)接于发电机机端26kV母线的厂用高压变压器，向2段6．6kV 厂用供电母线供电；(2)接于220kV 线路的2组辅助变压器，分别向另外2段6．6 kV 厂用供电母线提供备用；(3)2组100％互为备用的厂内柴油发电机，向核电站提供应急电源。
        
        图1 大亚湾核电站厂用电系统(6．6kV 以上部分)示意图
        该厂用电供电系统的设计完全满足规范的要求：核电站厂用电在500kV电网可用时，完全由厂用高压变压器供电。而220kV辅助电源即提供了另一个物理上独立的电路将厂用电安全母线联接到外电源中。核电站厂用电系统除上述电源外，还包括主要用于操作机构供电和控制系统供电的直流系统，直流系统通常由蓄电池组和整流设备组成。