低温供热堆电气系统可靠性分析
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作者:杨磊 于宏 王静
摘 要：以低温供热堆电气系统为研究对象，运用故障树分析方法，分析了该系统的可靠性，建造了正常交流系统ENA母线、备用交流配电系统EEA母线以及应急交流不间断系统EUA母线的失电故障树，使用RiskSpectrum程序，定性以及定量的评价了電气系统的可靠性，给出了支配性最小割集以及顶事件概率，并做了重要度以及敏感性分析。
关键词：电气系统 可靠性 故障树
中图分类号：TM07 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）06（b）-0086-03
低温供热堆是专用供热小堆，将反应堆的热量通过两级换热，传递给供热回路与热网直接连接，将热量输送到千家万户。低温供热堆的电气系统承担了向安全级重要负荷及非安全级负荷的供电功能，其安全性与可靠性十分重要。
使用故障树分析方法评价系统的可靠性，可识别出系统薄弱环节，支持其设计优化、方案评价及选择。王朝贵等人对大亚湾核电站全厂断电事故及第5台应急柴油机改进项目进行了PSA分析，表明全厂断电引起的CDF较大，增加第五台柴油机明显降低CDF，而柴油机的接入时间长短对降低CDF有较大影响[1]。周春林等人应用Risk Spectrum软件以高通量实验堆供电系统为研究对象，采用PSA方法定量评估了反应堆供电系统失效概率及失效模式，为供电系统变更、升级和改造提供了重要参考[2]。本文采用故障树分析方法，评价低温供热堆电气系统的可靠性，为低温供热堆内部事件一级PSA提供支持。
1 系统描述
低温供热堆电气系统由厂外电源系统和厂内电源系统组成，如图1所示。厂外电源由独立的两个线路组成，一路由10kV线路提供，另一路有220kV开关站的一台变压器提供。正常运行工况下，两路电源同时工作，当其中一路电源丧失后，另一路可以带全部负荷。厂内电源系统由厂内交流电源系统和直流电源系统组成，厂内交流电源系统分为正常交流系统和备用交流电源系统。直流电源系统包含两个独立部分：1E直流系统和非1E级直流系统。
正常交流系统分为10kV正常配电系统和220/380V正常配电系统。厂内交流电源系统由两路10kV厂外电源供电。10kV中压供电系统分为EMA、EMB两个母线段，采用单母线接线，中间设置联络开关;正常运行时，联络开关处于断开状态，两个母线段各带一半用电负荷，当其中一路发生故障时，联络开关闭合，另一路可以带全部负荷。厂内设置4台10/0.4kV的干式变压器，为相应的低压负荷提供正常低压交流电源。主厂房共设置220/380V正常配电系统I段、II段、III段和IV段，分别为ENA、ENB、ENC、END。
供热堆设置两套相互独立的非1E级柴油发电机组，柴油发电机组作为备用电源。与两套柴油发电机组相对应，设置220/380V备用交流配电系统A段（EEA）和B段（EEB），均采用单母线接线方式，进行实体隔离，分别设置在不同的备用交流配电室内。
非1E级直流电源系统（EDG、EDH）向10kV中压开关柜提供控制、保护及操作电源，电压等级为110V，它无须实现任何安全相关的功能。1E级直流电源和UPS系统有5个独立的1E级220V直流蓄电池序列，分别为220/380V应急交流不间断配电系统（UPS）提供直流电源。与5个独立的1E级直流电源相对应的5个相互独立的应急不间断电源通道（EUA、EUB、EUC、EUD、EUE）中，EUA、EUB、EUC用于为保护系统、核测量系统、安全照明和1E级DCS系统等供电;EUD、EUE用于一、二回路和反应堆大厅等的电动阀门供电。
2 系统模型建立
2.1 顶事件及成功准则
选取重要的三根母线ENA、EEA以及EUA母线建立故障树分析，顶事件为ENA、EEA以及EUA母线供电失效，成功准则为三根母线有电。
2.2 基本假设及共因分析
故障树建模时遵循如下假设。
（1）任务事件取24h。
（2）变压器、柴油发电机组等设备的支持系统（包括冷却和控制）的故障体现在由统计得到的故障数据中，不再单独建模处理。
（3）不考虑设备的维修。
（4）不考虑操纵员的干预。
共因失效模型选用多希腊字母（MGL）模型，具体考虑的共因失效如下：
（1）考虑连接应急柴油发电机组的断路器共因拒合。
（2）考虑应急柴油发电机组共因运行失效<1h。
（3）考虑应急柴油发电机组共因运行失效>1h。
（4）考虑应急柴油发电机组共因启动失效。
（5）考虑ENC母线与EEA母线间的断路器共因拒开（近ENC母线侧）。
2.3 数据来源
设备失效的数据选自美国核管会的NUREG/CR-6928[3]，共因失效数据选自NUREG/CR-5497[4]。
表1列出了部分设备的失效模式及数据。
2.4 故障树
使用RiskSpectrum软件，根据电气系统简化图，建立电气系统故障树模型。低温供热堆电气系统共构建了3棵主故障树，7棵子故障树。以EUA失效为例，其故障树图如图 2所示。 3 结果与分析
3.1 MCS分析
母线不可用度及支配性最小割集如下，只列出占比较大的前几项。
由最小割集分析的结果可知，对ENA母线，最重要的失效模式是配电盘失效，占总不可用度的69%，其次是各种原因导致的外电网丧失，占总不可用度的29%;对EEA母线，最重要的失效模式是配电盘失效，占比高达91%;对EUA母线，最重要的模式是配电盘失效，约占顶事件发生概率的68%，其次是断路器误动作，占比约为27%。
3.2 重要度分析
重要度分析的目的是确定对系统不可用度贡献的重要性，常用的重要度有FV重要度、风险减少因子RDF与风险增加因子RIF。
FV重要度是指包含该特定硬件失效对失效概率的贡献份额，FV重要度的计算公式如下：
式中，FVi为包含基本事件i的所有最小割集的不可用度之和，F为顶事件的不可用度。
RDF表示该特定硬件肯定不失效，系统失效概率的降低率，RDF的计算公式如下：
式中，F（qi=0）为基本事件i故障概率为0时的顶事件的不可用度，F为顶事件的不可用度。
RIF表示该特定硬件失效已经发生时系统失效概率的增加率，RIF的计算公式如下：
式中，F（qi=1）为基本事件i已经失效时的顶事件的不可用度，F为顶事件的不可用度。
重要度分析的结果表明配电盘运行失效是系统的薄弱环节，需加强对配电盘的定期检修。
3.3 敏感性分析
敏感性分析可表征单一基本事件对顶事件发生频率的敏感度。灵敏度的计算公式是：
式中，表示基本事件的参数乘以敏感性因子后的顶事件的不可用度，表示基本事件的参数除以敏感性因子后的顶事件的不可用度。
由敏感性分析的计算结果表明，对ENA母线，灵敏度最大是配电盘运行失效，其次是恶劣天气导致外电网丧失;对EEA母线，灵敏度最大是配电盘运行失效，其次是变压器运转失效;对EUA母线，灵敏度最大是配电盘运行失效，其次是断路器误动作。
4 结语
对低温供热堆电气系统进行故障树分析，经过计算，分析系统失效的最小割集、重要度以及敏感度，可得出如下结论：
（1） 该系统的可靠性很高，满足设计要求和目标。
（2） 配电盘运行失效是最重要的故障模式，需重点关注，加强对配电盘的定期检修，提高配电盘的可靠性，可显著提升供电系统的可靠性。
（3） 重要度分析与灵敏度分析表明，外电网丧失、变压器以及断路器的失效也需重点关注。
参考文献
[1] 王朝贵，郭建兵.大亞湾核电站全厂断电事故及第5台应急柴油机的概率安全评价[J].核动力工程，2004， 25（4）：324-327.
[2] 周春林，张江云，郑大吉，等.HFETR供电系统概率安全评价[J].核科学与工程，36（1）：27-34.
[3] Eide S A， Wierman T， Gentillon D， et al. NUREG/CR-6928： Industry-Average Performance for Components and Initiating Events at US Commercial Nuclear Power Plants[J]. US Nuclear Regulatory Commission， Washington， DC， 2007.
[4] Marshall F M， Rasmuson D M， Mosleh A.Common-cause parameter estimations， NUREG/CR-5497[J]. US Nuclear Regulatory Commission， Washington， DC ，2012.
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