康明斯动力（深圳）有限公司

目前，国内核电厂的供电电源较为丰富，具有一定的为核安全提供纵深防御的能力，但在严重事故下，如发生多电源共模失效，缺少终极手段缓解事故的能力。核电厂应急柴油发电机组布置于＋0.8m标高（未作特殊说明均为相对标高），附加柴油发电机组及SBO柴油发电机组布置于＋0.3m标高，主要中低压电气柜布置于电气厂房（标高＋7.00m）。考虑到目前在建电站厂址标高均在8.5m之上，可见其中低压电气柜等主要配电设备绝对标高均在15.0m以上，对海啸、洪水等重大水淹外部事件有一定的抵御能力；但柴油发电机组绝对标高在9.0m左右位置，存在发生重大自然灾害（海啸、洪水等）时应急电源系统出现“共模故障”的风险。

一、设备概述

针对日本福岛第一核电站的经验总结，比照国内某核电厂应急供电系统的基本情况，对应急供电应从加强电源配置，提高发电机组纵深防御能力，在核电厂内设置专用电源设备，避免在严重事故的情况下从外部调动移动电源可达性具有不确定性的问题，降低“共模故障”风险。

（1）增设380V移动应急柴油发电机组

从现有供电策略和法国《900MW压水堆核电站设计建造规则》（RCC-P）规程来看，在全厂失电工况下，首先是需启动SBO柴油发电机组；随后需尽快恢复供电，解除故障。从加强全厂失电后的电源保障的角度，应考虑在厂内增设1台长期备用电源，为水压试验泵、厂内部分测量、监视及控制负载进行供电，以起到缓解事故的能力。核电厂需供电负载总容量约为220kW，选用移动电源发电机组容量约为400kW，电压等级为380V。

移动式发电机组入厂区后，为便于尽快接入系统，发挥功能，设立了快速接线箱，与原SBO应急供电进行联络。在全厂失电及原有固定式SBO柴油发电机组不能使用的情况下，移动式发电机组通过手动方式接入原有的SBO应急母线段，为下游提供电源。

（2）增设6.6kV移动应急柴油发电机组

根据RCC-P规程，在保证原有SBO电源供电的同时，还应通过恢复电网本身，或启动其中1台已修复的原故障应急柴油发电机组，或修复原故障的应急配电盘来恢复供电，上述手段在规定期限内无效的情况下，则启动附加柴油发电机组为发电机组恢复供电。但根据福岛事故的经验，水浸后固定式的附加发电机组在严重事故下的可用性无法保障，有必要增配1台6kV（核电厂中压电压等级）移动式应急柴油发电机组，在全厂失电的情况下接入系统，加强核电站应急供电系统中SBO电源的可靠性和多样性，保证对事故的进一步的缓解能力。

6kV移动式柴油发电机组其电压等级较高，可启动部分核岛中压设备，但由于受移动设备的容量限制，可分别为一次侧或二次侧部分设备进行供电，保证排热能力，经事故分析，主要考虑为1台辅助给水泵进行供电或考虑为1台低安注泵和1台安全壳喷淋泵进行供电，必要时也可以为1台消防水泵进行供电。根据移动式柴油发电机组的调研情况和上述供电需求，并经大容量电机启动能力校验，应选择柴油发电机组容量不小于2000kW，详见表1。

表1 6kV移动式应急电源系统供电负载表

在全厂失电且应急柴油发电机组LHP/Q无法短时恢复可用的工况下，6kV移动式柴油发电机组通过手动方式接入6kV应急中压母线LHA/B（简称“LHA/B母线”），为其提供电源。6kV移动式柴油发电机组通过其配电设备的中压软电缆接入LHA/B母线LHP/Q进线开关柜中。接入前，需闭锁对应原应急柴油发电机组，以防误启动，并将对应LHA/B母线正常电源进线开关锁定在隔离位。6kV移动式柴油发电机组通过就地手动启动，在其启动投入前，除机械自保持接触器回路的接触器保持在闭合状态外，LHA/B母线下游其他所有中压接触器都应位于断开位置。在6kV移动式柴油发电机组为LHA/B母线恢复供电后，可根据具体工况需求和柴油机容量分步投入负载。当厂用电系统恢复供电后，可根据运行工况逐步退出LHA/B母线的负载，然后就地手动停运6kV移动式柴油发电机，并恢复原有接线和供电。

（3）移动式柴油发电机组的储存

对于厂内配设的中低压移动电源设备，必须充分考虑在极端自然灾害情况下的设备安全和到达现场接入点的可达性。应根据各厂址实际情况，在核电厂内选择距核岛距离较远，标高高于核岛5m以上的地点建设独立抗震厂房用于移动电源设备的储存。

（4）安全分析

在全厂失电工况下，新增380V移动式应急柴油发电机组的接入盘柜，正常运行情况时，其接入回路与系统断开，对原有盘柜结构不构成影响，可使水压试验泵、重要暖通负载及重要仪表等供电可靠性加强，进一步提升纵深防御能力。

6kV接口设置采取临时接入方式进行，同样不改变原有盘柜结构，并可增强发电机组恢复供电的可靠性。

二、移动式柴油发电机组（6kV）

1、系统概述

以某现役核电厂为例，介绍增设6kV中压移动电源改造设计方案。该核电厂共有两台压水堆发电机组（1、2号发电机组），每台发电机组的应急供电系统都按照设备的组成和执行的功能分为4个相互独立的冗余通道，每个通道都能满足100％安全停堆功能的供电需要，即冗余度为4x100％。其中，4段6kV应急母线分别为BEA、BEB、BEC、BED。

该核电厂两台反应堆发电机组之间的距离小于5km，因此设计时可考虑两台压水堆发电机组共用一台6kV中压移动电源。

6kV中压移动电源系统包括6kV中压移动电源车、6kV中压移动电源接口箱（以下简称接口箱）、中压移动电源试验装置、中压开关柜、6kV中压电力电缆、电缆穿墙及防火封堵材料等。其中，中压开关柜利用6kV应急母线备用开关柜进行改造，其他设备均为改造时新增设备。

6kV 中压移动电源车主要设备为非1E级车载厢式柴油发电机组，在丧失全部交流电源事故工况下，通过接口箱接入4段中压应急母线中任意一段向电厂应急母线提供临时动力，以缓解事故后果。

2、电气接入方式

以1号发电机组为例，6kV中压移动电源电气接入如图1所示。

应急母线1BEA/1BEB/1BEC/1BED位于应急柴油发电机厂房内，在厂房外墙上设置4套接口箱，6kV中压移动电源通过1～4接口箱可分别接4段应急母线。接口箱至应急母线的电缆采用固定敷设方式沿厂房内桥架敷设，6kV中压移动电源至接口箱的电缆平时存放在中压移动电源车上，在使用时由操作人员快速接入。

接口箱采用挂墙式安装方式，下侧进线，上侧出线，如图2所示。

进、出线电缆均采用单芯中压电力电缆。进线电缆通过线耳与接口箱内的母排实现快速连接；出线电缆为固定敷设电缆。箱体上下侧有供电电缆进出的长孔，出厂时长孔加密封环。电缆接入时取下密封环，将进线电缆从箱体下部接入。电缆拆除后，重新将密封环套住长孔，防止雨水等进入箱体。接口箱内部设置有进出线电缆固定装置。

接口箱内设置三相母排，从左到右依次为A、B、C相。母排采用支撑绝缘子固定，母排之间的距离应满足屋内配电装置安全净距要求，支撑绝缘子爬电距离满足相关规范要求，母排非连接处采用绝缘热缩套管包封。接口箱面板上设置高压带电显示装置，确保操作人员安全。

接口箱抗震类别为抗震I类，能承受5次OBE运行基准地震和1次SSE安全停堆地震的地震应力而保持结构和功能完整性。

3、电源车结构和性能要求

6.6kV中压移动电源车由牵引车、箱式半挂车、6kV柴油发电机组（包括启动系统、燃油系统、润滑油系统、冷却系统、进气系统和降噪系统等）、柴油发电机组控制保护监测系统、中压配电系统、低压配电系统、控制电源系统、电缆及收放装置以及配套辅助设施等部分组成。所有辅助系统完整自持，独立运行，满足GB/T2819-1995《移动电站通用条件》要求。

（1）箱式半挂车

半挂车的设计满足 GJB79A-1994厢式车通用规范和GB/T 23336-2009《半挂车通用技术条件》的相关要求。半挂车有相应支承装置。支腿固定在挂车大梁，使用时支腿向下伸出触地，将车身顶起，使车辆的大部分（或全部）重量由支腿支撑，保持车体的平稳，减轻车辆弹簧钢板的负载。使用完毕，支腿向上收起，离地有足够的高度，保证有充分的离地高度，确保行车安全、保护轮胎及设备的安全。支腿带有锁定保护，在不平的路面使用时按高度差进行调平。

● 车厢设计具有防锈、防雨、防尘功能及油水排放出口、排污地漏设计。车厢内配备有照明设施和临时用电电源插座等。车头部位设置有液压升降照明灯具，可提供车体外部照明。

● 车厢根据发电机组使用和维护需要设置有检修门、操作门、观察窗和工作梯等。

● 柴油发电机组在车厢内布置时留有便于设备维修和检查的必要空间，结构和布置保证了发电机组大修时的必要操作。

● 电气设备和电缆选型时保证其具有耐热、耐燃油和润滑油腐蚀的特性。

● 为了移动电源车的长期贮存和正常运行，车体配有液压及手动机械支撑固定装置。

● 箱体内部设备采用等电位连接，电源车箱体四角均设有接地螺栓，通过核电厂接地检查井与接地网连接。

● 箱体内配置有火灾探测和报警装置，并配有干粉灭火器，确保消防要求。

● 燃油和润滑油管路布置应尽量远离高温管线和电缆。柴油机曲轴箱设有超压保护装置，并设置曲轴箱通风。

（2）柴油发电机组

柴油发电机组符合GB／T 2820-1997《往复式内燃机驱动的交流发电机组》的要求。柴油机与发电机采用联轴器直接相连，安装于钢制公共底座。发电机应采用自通风、防滴水保护型式的同步发电机，符合GB755-87《旋转电机基本技术要求》要求。

● 为了保证柴油发电机组的低温启动和顺利加载，柴油机配置独立的预热系统，预热系统采用燃油式不依靠外部电源。预热系统通过手动打开。热交换器的冷却余量设计保证不少于10％余量。保证柴油发电机组在环境温度为-5℃时，在约5min内顺利启动；在电厂极端低温环境下20min内顺利启动。柴油发电机组启动成功后，3min内，应具备带额定持续功率负载工作的能力。冷却介质防冻液确保低温天气下不影响柴油机启动和运行。

● 监测冷却水液位、温度和压力，超过允许值时发出报警和停机保护，在应急运行工况下仅发出报警。

● 柴油发电机组具有手动启动、手动投入、手动撤出、手动停机等功能。柴油发电机组在试验工况和应急工况时具有不同的保护功能。

● 移动式应急电源自带润滑油底壳，润滑油底壳容量满足250h的满功率连续运行。

● 润滑油系统的设计允许发电机组运行时在线补油。监测润滑油温度和压力，如超出允许值应发出报警和停机保护，在应急运行工况下仅发出报警。

● 移动式应急电源车配有具有消声结构的通风进气和排气装置。

● 进气管道装有过滤器，过滤器上装有压差测量装置。

● 排气系统包括管道、膨胀节和消音器。机箱内的排气管道安装有保温层，保温层表面温度不超过50℃，机箱外的排烟管道出口处安装有防雨罩。

● 柴油发电机组支脚与底架安装处均安装有减振器，在额定转速下确保柴油发电机组振动符合标准要求。

● 发电机采用无刷励磁方式，F级绝缘，轴承上装有温度传感器用于测量巴氏合金的热点温度，发电机中性点不接地。

柴油发电机组具有发电机差动保护、定子接地故障、过负载、失磁、逆功率、低电压、过电压、频率高、频率低、超速、励磁系统故障、发电机绕组温度高、发电机轴承温度高、冷却水温度高、燃油箱液位低、燃油箱液位高、冷却水压力低、润滑油压力低、润滑油温度低、冷却水液位低和排气温度高等多种保护，并可在应急运行时只投入超速和失电压两种保护，关闭其他保护（仅发出报警信号不执行停机等动作），完全满足核电厂常规供电要求和应急供电要求。

（3）低压配电系统

电源车箱体内设置小容量6.3kV/0.4kV配电变压器，当柴油发电机组启动后，为柴油发电机组及箱体冷却系统、照明系统、控制系统等负载供电。

（4）控制电源系统

控制电源系统标称电压为DC 110V，采用阀控式密封铅酸蓄电池，为中压柜、柴油发电机组控制柜、仪表柜等提供DC 110V控制电源，其容量满足用电设备1h供电需求。柴油发电机组启动成功后，控制蓄电池由车载6.3kV/0.4kV变压器供电。

（5）启动系统

柴油发电机组采用电启动方式启动，启动蓄电池额定电压DC24V，采用阀控式密封铅酸蓄电池，在蓄电池充满电后断开充电电源其容量能保证发电机组连接启动6次。柴油发电机组备用时，蓄电池由移动电源存储厂房低压电源进行浮充电；柴油发电机组启动成功后由6.3kV/0.4kV变压器供电。蓄电池组自配充电装置，蓄电池使用寿命不低于5年。

（6）燃油系统

车辆箱体内设置油箱，油箱容量满足柴油发电机组满功率运行4h以上并符合相关消防要求。油箱预留日常加油管接口，允许运行时在线补充燃油，通过燃料补充功能实现不少于连续72h运行的需要。移动电源车内设置电动补油装置及补油接管，当需要补油时可通过该接管向车内油箱在线补油。为避免过补油，车内设置油箱液位指示及高、低液位报警。

（7）电缆及收放装置

箱体内部设置电动电缆绞盘（带手动操作功能），柴油发电机组出线电缆采用阻燃软电缆，具有耐磨、耐油污特性，长度为100m，电缆两端均配置线耳，便于快速连接。

4、移动电源容量计算

（1）负载分析

6kV中压移动电源供电负载采用手动方式分步带载。按照应对事件的不同，该电厂6kV中压移动电源的运行工况分为三种，见表2。

表2 6kV中压移动电源运行工况

（2）容量计算

三种工况下6kV中压移动电源计算负载见表9-2。由表可知，柴油发电机组容量应不低于2060kW。

① 按照稳定负载计算发电机容量

式中 S_G1——按稳定负载计算的发电机视在功率（kVA）；

P_Σ——发电机总负载计算功率（kW为2060kW）；

η_Σ——所带负载的综合效率（一般取0.82～0.88，本文取0.82）；

cosφ——发电机额定功率因数（取0.8）。

将上述数据代入上式可得S_G1＝3140.2kVA。

② 按柴油机加载能力计算柴油发电机组容量

在三种工况下，柴油发电机组平均有效压力为2.0MPa。根据GB／T 2820《往复式内燃机驱动的交流发电机组》，得到发电机组前三步突加负载指导值P％分别是40％、68％和90％。通过加载前三步可分析出柴油机输出功率需求分别为1136kW、1168kW和1892kW，见表3，可见第3步对柴油发电机组输出功率的要求最高，按柴油机加载能力选择柴油发电机组容量至少为1892kW。

表3 三种工况单步加载最大负载

③ 按加载时允许电压降计算柴油发电机组容量

6kV中压移动电源最大单个负载为一台800kW电动机，其额定电压为6kV，额定电流88.9A，启动电流倍数为5.5，启动电压降要求小于25％。按发电机母线允许电压降计算发电机容量：

式中 S_G3——按母线允许电压降计算的发电机视在功率（kVA）；

ΔU——发电机母线允许电压降，取ΔU＝0.25；

X_d——发电机直轴暂态电抗，一般取Xa＝0.2；

SstΔ——导致发电机最大电压降的电动机的最大启动容量（kVA）。为√3×6×5.5×88.9＝5081.2kVA

将上述数据代入上式可得S_G3＝3048.7kVA。为发电机直轴暂态电抗（标幺值）为0.2时，其容量应大于3048.7kVA，以满足加载时电压降要求。

综合上述计算结果，考虑移动电源自身负载并预留适当裕量，实际采用的柴油发电机组备用功率为2400kW，发电机额定容量为4000kVA，额定功率因数为0.8（滞后）。

5、接口箱安装及电缆穿墙设计

接口箱安装于应急柴油发电机厂房外墙上。接口箱安装高度满足电厂防水淹的高度要求，同时考虑操作便利性。

接口箱出线电缆需穿墙才能进入厂房内部。电缆敷设完成后，墙体上开洞采用防火密封材料进行封堵。该型防火密封材料最大防火时效可达4h，具有良好的烟密性、气密性、水密性和隔音功能，并具有良好的绝缘性，施工方便，可进行后续新电缆补充。

6、定期试验方法

6kV中压移动电源在核电厂应对严重事故时具有很重要的作用，为了确保其在应急工况下的可用性，需定期进行试验以验证可用性。

定期试验可采用以下两种方法：一是与厂用电并网试验；二是采用试验负载进行试验。

其中后者与应急母线相互独立，试验时不影响发电机组的正常运行，也不需要设置专门的同期装置，因此风险小，被广泛采用。

试验负载为非1E级干式交流阻性负载，采用强制风冷冷却方式，侧面进风，上方出风。

试验负载采用集装箱式结构，主要由干式负载模块（电阻）、与发电机组连接的铜排、设备运行供电电缆连接所需的端子、接地端子、散热模块（风机）、故障保护模块、控制模块、参数测量模块等部分组成。

试验负载额定容量为2400kW，可以实现下列两种加载方式：

25％-50％ -75％ -100％波段加载；

0％-50％-100％-50％-0％突加突卸。

试验负载箱体固定于平板式半挂车上，平时停放于移动电源储存厂房；试验时由牵引车拖出，在室外进行中压移动电源定期试验，便于散热。

两台核电发电机组共设一套低压0.4kV移动式柴油发电机组。移动式柴油发电机组作为LLS柴油发电机组丧失情况下的备用电源，为水压实验泵进行供电，并为厂内部分测量、监视及控制等重要负载进行供电。

移动式应急柴油发电机组无抗SSE地震要求，但应满足GB50260-2013《电力设施抗震设计规范》相关要求（抗8级烈度）。为非1E级（非安全级）设备。

三、设计依据

移动式应急柴油发电机组遵循的主要法规、规范、标准包括：