ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ МЕХАНИЗМОВ СОБСТВЕННЫХ НУЖД АЭС В НОРМАЛЬНЫХ И АВАРИЙНЫХ РЕЖИМАХ
1. Расчет надежности электроснабжения потребителей I и II групп в режиме аварийного обесточивания
В § 2-1 приведены требования к надежности электроснабжения механизмов собственных нужд, а в § 2-2 — схемы и источники надежного питания, которые должны обеспечить эту надежность, в том числе и в наиболее тяжелом расчетом режиме аварийного обесточивания. Воспользовавшись методами теории надежности [27, 28], определим вероятность бесперебойного электроснабжения потребителей I и II групп в режиме аварийного расхолаживания, т. е. при полной потере основных источников собственных нужд. При этом основные схемы сетей падежного питания (рис. 2-6, а, б) представим в виде, удобном для производства расчетов по определению количественных показателей надежности (рис. 3-1).
В схемах электроснабжения с. н. чаще всего используется ненагруженный (явный) резерв. Ненагруженный резерв обычно требует наличия контрольных приборов, обнаруживающих отказ рабочих элементов и переключающих устройств, включающих резервный элемент в работу. При экспоненциальном законе распределения времени безотказной работы входящих в систему элементов интенсивность отказов всей системы в целом при наличии резервирования уже не является постоянной, а зависит от времени. Вероятность безотказной работы системы за время t при ненагруженном резерве при наличии одного работающего элемента с некоторой интенсивностью отказов λ и резервного с той же интенсивностью отказов с учетом надежности работы переключающего устройства и автоматики составит:
(3-1)
где λпер — интенсивность отказов операции переключения, 1/цикл;
n — число включений и отключений при резервировании (η = 1 при одном выключателе).
Рис. 3-1. Расчетные схемы надежности электроснабжения потребителей в режиме аварийного обесточивания: а — потребителей I группы; б, в — II группы
Предположение о том, что интенсивность отказов резервной цепи λ2 равна интенсивности отказов рабочей цепи λ1 не всегда
выполняется и тогда
(3-2)
При двух неодинаковых элементах, отказы которых подчиняются экспоненциальному закону, причем рабочий элемент имеет интенсивность отказов λ1, а ненагруженный резервный отказывает с интенсивностью λ2 после включения его в работу и с интенсивностью , когда он не включен в работу, получим вероятность безотказной работы системы:
(3-3) (3-4)
Воспользовавшись приведенными формулами, определим вероятность бесперебойного электроснабжения потребителей 0,4 кВ I группы в режиме аварийного расхолаживания. Как видно из рис. 3-1, а, до наступления режима аварийного обесточивания секции 0,4 кВ I группы получают питание через автоматы 1 и 5 от соответствующих секций 0,4 кВ сети надежного питания II группы (см. также рис. 2-6). Оба рабочих обратимых двигатель-генератора осуществляют подзаряд рабочей и резервной аккумуляторных батарей, и автоматы 2, 3, 4; 6; 7, 8 включены. Резервный двигатель-генератор не работает ни в нормальном, ни в аварийном режиме, но схема его коммутации позволяет заменить любой из рабочих двигатель-генераторов. В режиме аварийного обесточивания должны быть автоматически отключены автоматы 1 и 5, и обратимые двигатель-генераторы, меняя режим работы, осуществляют электроснабжение секций 0,4 кВ I группы за счет энергии аккумуляторных батарей.
Как было показано на рис. 2-11, у потребителей 0,4 кВ I группы имеются две линии питания (рабочая и резервная) от обеих секций 0,4 кВ. В режиме аварийного расхолаживания, как и в нормальном режиме, питание каждого потребителя осуществляется по одной рабочей линии от рабочей секции 0,4 кВ I группы. Учитывая, что при исчезновении напряжения на рабочей секции 0,4 кВ I группы в режиме аварийного расхолаживания по любой причине (отказ батареи аккумуляторов, двигатель-генератора, короткое замыкание на секциях постоянного тока или на секциях 0,4 кВ I группы) никаких переключений в резервной аккумуляторной батареи и двигатель-генераторе производить не требуется, а следует отключить рабочую и включить резервную линию к каждому потребителю; такой вид резервирования с точки зрения источников питания I группы можно считать ненагруженным, и расчетным выражением для вероятности безотказной работы будет формула (3-2). При этом под λ1 следует понимать интенсивность отказов рабочего источника питания секции 0,4 кВ I группы, включая батарею и двигатель-генератор, а под λ2 — то же для резервного источника. Поскольку до отказа рабочего источника нагрузка резервного была близка к нагрузке холостого хода обратимого двигатель-генератора, то λ2<λ1. Операции отключения автомата 1 (или 5) и последующей работы батареи, двигатель-генератора и их секций в режиме аварийного расхолаживания следуют последовательно одна за другой, и без завершения предыдущей операции невозможно проведение последующей, поэтому все они оказываются соединенными последовательно в смысле надежности. Поскольку вероятность безотказной работы во время каждой операции мы считаем распределенной по экспоненциальному закону, то вероятность безотказной работы во всей операции по получению энергии от источника 0,4 кВ I группы составит:
(3-5)
В соответствии с формулой (3-5) находим вероятность бесперебойного электроснабжения потребителей 0,4 кВ I группы во время аварийного расхолаживания при наличии только одного рабочего источника: Р (10) =ехр[—5 · 10~4 + (2 · 10~5 + 2 · 5 · 10-8+10-7) 10] = ехр (—0,0007) = 0,9993.
Полученный результат можно трактовать так: из 10 000 режимов аварийного расхолаживания в семи будет потеряно питание потребителей I группы, что нельзя считать приемлемым. Из полученного результата также видно, что большое влияние на надежность питания оказывает успешность операции отделения секции 0,4 кВ I группы от соответствующей секции II группы с помощью автомата 1 или 5 (значение λотк желательно иметь меньшим). Что же касается учета повреждаемости шин и двигатель-генераторов во время аварийного обесточивания, то это величины второго порядка малости по сравнению с повреждаемостью батареи и в особенности по сравнению с вероятностью неотключения секции 0,4 кВ I группы от соответствующей секции II группы.
Посмотрим, как повлияет наличие резервного источника, 0,4 кВ I группы на надежность электроснабжения. В формуле (3-2) положим λ2 = 0,0006, считая, что интенсивность отказов слабозагруженной резервной батареи снижается примерно в два раза по сравнению со случаем ее номинальной нагрузки. В результате получим: Рнн(10) =ехр(—0,0007) +ехр(—0,00005 ·2) XХ7[ехр(—0,0006) —ехр (0,0007)] = 0,99999997.
Это уже очень высокая надежность электроснабжения, учитывая в особенности, что расчетная длительность разряда батареи составляет всего 0,5 ч, а не 10 ч, что было принято, чтобы избежать дробей, бесконечно близких к единице.
Из приведенных количественных показателей надежности электроснабжения потребителей I группы в режиме аварийного обесточивания видно, что принятые кратности резервирования источников питания и схемы сетей надежного питания I группы вполне обеспечивают выполнение тех высоких требований, которые диктуются спецификой работы АЭС.
Рассмотрим также надежность электроснабжения потребителей II группы, получающих при аварийном обесточивании питание от дизель-генераторов по двум схемам — без гальванической связи между секциями надежного питания II группы (рис. 3-1,6) и при наличии гальванической связи (рис. 3-1, в). Как указывалось в гл. 2, на каждый реакторный блок имеется по одному рабочему дизелю и один резервный на каждые два блока, причем резервный дизель-генератор можно подключать к любой из четырех секций сети надежного питания. Будем исходить из предположения, что при наступлении режима аварийного обесточивания одновременно на двух реакторных блоках из двух рабочих дизель-генераторов может не запуститься один, с возможностью отказа при пуске сразу двух рабочих дизелей на обоих реакторных блоках считаться не будем. Учитывая это, схему сети надежного питания II группы в пределах двух реакторных блоков можно упростить так, как показано на рис. 3-1,6, в, рассматривая только рабочий дизель-генератор (ДГ), резервный (РДГ) и две секции надежного питания II группы, что эквивалентно полной схеме сети надежного питания II группы в смысле надежности.
Операцией, предшествующей пуску дизель-генераторов, должно быть отключение нормально замкнутых секционных выключателей 5 и 7 (рис. 3-1,6,в), через которые секции надежного питания 6 кВ связаны с рабочими трансформаторами собственных нужд, и отключение нормально разомкнутых выключателей 6 и 8, с помощью которых до пуска делается попытка получить питание от резервного трансформатора собственных нужд, связанного с сетью системы.
В схеме на рис. 3-1,6 процесс восстановления питания секций надежного питания 6 кВ после аварийного обесточивания происходит следующим образом:
- отключаются выключатели 5; 6; 7, 8;
- пускаются рабочий и резервный дизель-генератор;
- в случае успешного пуска обоих дизелей включается выключатель 1 и рабочий дизель-генератор нагружается до своей номинальной нагрузки, а резервный останавливается;
- при отказе во время аварийного расхолаживания рабочего дизель-генератора, трансформатора 6/0,4 кВ надежного питания, при коротком замыкании на рабочих шинах 6 кВ надежного питания или при повреждении любого выключателя 6 кВ на присоединении производится пуск резервного дизель-генератора, включение выключателя 4, переключение с рабочей секции 6 кВ на резервную всех недублированных механизмов 6 кВ.
В схеме на рис. 3-1, в аналогичный процесс восстановления питания после обесточивания проходит так:
- отключаются выключатели 5, 7, 6, 8;
- пускаются рабочий и резервный дизель-генераторы;
- в случае успешного пуска обоих дизелей включаются выключатели 1, 3 и рабочий дизель-генератор нагружается до своей номинальной нагрузки, а резервный останавливается;
- при отказе во время аварийного расхолаживания рабочего дизель-генератора производится пуск резервного дизель-генератора, отключение выключателей 7, 3; включение выключателей 2, 4.
По сравнению со схемой на рис. 3-1,б повреждение трансформатора 6/0,4 кВ резервного питания и непроходящие короткие замыкания на секции 6 кВ надежного питания или в цепи их присоединений требуют не отключения рабочего и включения резервного дизель-генератора, а лишь введения резервного трансформатора или отключения одного из выключателей дизель-генератора.
Такая надежность электроснабжения для потребителей II группы явно недостаточна, так как из ста случаев аварийного расхолаживания не менее чем в двух мы имели бы полное обесточивание всей сети надежного питания II группы, что нельзя признать допустимым.
Посмотрим, какой эффект дает применение резервного дизель-генератора. В соответствии с (3-3) при n = 0 получим
Это уже очень высокая надежность электроснабжения, вполне достаточная для потребителей II группы АЭС, в особенности с учетом возможности восстановления электроснабжения от системы и сокращения расчетной длительности аварийного обесточивания.
Таким образом, с точки зрения надежности электроснабжения в режиме аварийного расхолаживания оба варианта схем (рис. 3-1, б, в) практически равноценны.
Из приведенных численных примеров видно, что за время аварийного расхолаживания решающее влияние на надежность электроснабжения оказывает повреждаемость дизель-генератора, надежность его пуска и надежность коммутационных операций и автоматики. Повреждаемость же шин надежного питания и их присоединений настолько мала [Q (t) = 1 — ехр (—λшинt) = = 1—ехр(—5 · 10~8 · 10) =5·10-7], что ею можно пренебречь по сравнению с вероятностью потери питания из-за отказа дизеля:
Следует подчеркнуть,
что это справедливо только для кратковременного режима (t — мало), а при нормальной эксплуатации АЭС с вероятностью потери питания секций надежного питания 6 и 0,4 кВ II группы следует считаться (t — велико), и в этом отношении выделение двух самостоятельных секций 0,4 кВ с питанием от разных трансформаторов (рис. 2-6, а и 3-1,б) или двух полусекций (рис. 2-6,б и 3-1, в) вполне оправдано и необходимо.
Учитывая сказанное, и в режиме аварийного расхолаживания можно не опасаться потери обоих источников надежного питания II группы из-за гальванической связи между секциями (рис. 3-1, в) и к выбору схемы сети надежного питания подходить с позиций, описанных в § 2-2.
Из сравнения численных показателей надежности видно, что вероятность полной потери питания в сети I группы на несколько
порядков величин ниже, чем в сети 11 группы, что хорошо согласуется с требованиями § 2-1.
Если, однако, принятая надежность электроснабжения потребителей II группы представится недостаточной для конкретной схемы АЭС, то ее можно существенно повысить, применив схему (рис. 2-9 или 2-10) с тремя дизель-генераторами на блок; двумя рабочими и одним резервным. Если, кроме того, логическое устройство обеспечит при аварийном расхолаживании включение минимального необходимого для сохранности оборудования числа механизмов с. н. даже при запуске всего одного дизель-генератора из трех, то вероятность бесперебойного электроснабжения потребителей II группы будет близка к I группе.
