摘要：本文简要描述核电智能化低压成套开关设备的研究开发过程，总结研发的技术关键点，提出研究开发的内容和技术路线，整体把握核电智能化低压成套开关设备研究开发趋势，为我国在核电站使用最新的智能化技术和总线技术提供探索概念和方向。 关键词：核电；低压成套开关设备；智能化；抗震；总线技术；趋势 引 言： “十三五”期间，根据我国核电发展方针和策略，在规划核电装机规模的同时，要把“提高核电产业自主创新能力，突破三代技术的瓶颈，实现国产化、自主化”作为重点任务，为我国核电“走出去”奠定坚实的基础。 低压成套开关设备是由多个低压开关器件及与之相关的控制、测量、信号、保护、调节等设备通过电气或者机械连接搭建构成的电气柜，是核电站低压厂用电的枢纽，在核电站主要给低压泵、阀、通风、照明、加热等用电负荷分配电源。每两台机组有超过1000台低压开关柜，覆盖核电站中的核岛、常规岛及BOP厂房。 目前中广核CPR1000堆型核电站使用的低压成套开关设备智能化程度低，不能实时反映设备运行使用状况，不能根据设备状况调整运行模式、实现智能控制，也不能提前预测和 判断设备可能的故障，在低压成套开关设备全面智能化的大背景下，这种传统的非智能的低压成套开关设备将逐渐被淘汰，其发展趋势为：据时代的发展技术，逐步过渡到智能化，可视化，便操作，维护少的先进新一代设备，国家核电技术公司最新一代核电堆型AP1000核电已明确提出低压成套开关设备智能化测控要求。 2016~2017年期间，中广核工程公司联合广州白云电器设备股份有限公司共同研发核电智能化低压成套开关设备，笔者主责电气系统的设计工作，现分享电气系统研发过程，总结研发技术路线和关键技术问题，按核电运营部门提供运营经验和不同的痛点，提出核电智能化低压成套开关设备研究开发趋势，为在核电站使用最新的智能化技术和总线技术提供探索概念和方向，供同行参考和探讨。 一、核电站中低压成套开关设备控制的主要负载性质 根据阳江核电3~6号机组LO67包的常规岛和BOP厂房综合配电房控制室设备设计文档可以看出，核电站中低压负载主要分为两大类。 1类为配电负载，从低压成套开关设备中主要为分配电功能，其回路的主要功能为线路保护，保护下端至负载的电缆，断路器一般选用三段保护式电子脱扣型塑壳断路器，小于100A以下的负载可采用二段保护，即过载保护和短路瞬动保护，此类负载电流一般为提 供给下游的配电箱作现场设备负载来整定，部分需要计量参考的负载还会有智能仪表提供功率，电流，电压，电度等全电量测量。由于核电的严谨性，每支分支回路的故障脱扣跳闸信号都上传至故障小母线上，出现故障时，会把相关信号反馈到全厂DCS系统中，再由检修和维保处理。这是电气系统安全性的反馈要求。
2类为电动机负载，这种回路的不仅仅是分配电功能，还需要对电动机负载进行保护，在BOP辅助厂房中一般有水处理系统，会有正反转控制电机阀门的要求，而在常规岛厂房一般都是异步电机控制和保护的需求，在功率大于100kW的电机，会采用马达保护器来进行线路和电机的保护。同样，所有电机的保护故障的状态都要上传至故障小母线上，以提供运维的一些信息。
本次研发项目遴选这两类的低压负载，并按典型图不同的控制原理，力求每种不同控制功能的回路都在设计中有体现，来包络目前能碰到的电气控制回路。
二、核电站中对低压成套开关设备可靠性和安全性的要求
核电站用的低压成套开关设备对安全性和可靠性的要求极为严格，尤其在核岛用的电气设备要求更加苛刻，除了在适应核岛专有标准规范外，还需要进行相应的型式试验，如抗震试验，老化试验，失效试验等可靠安全性，遵循GB/T12727《核电厂安全级系统电气
设备质量鉴定》标准要求，要对设备进行整体质量鉴定。对于Q2类，Q3类电气设备也有对应的技术规格书来适应要求。除此之外，对于设备还需要必配的安全联锁，及部分需要操作顺序的要求，具有防呆设计和冗余设计，确保设备可靠和安全。
设备电气设计一般采用双向供电，负载有冗余供电方式，重要的负载，如汽机油泵，关键的汽阀门，冷却泵等，除了双向供电方式外，还设计了备用回路，可以确保出现故障时，能把电源供上去，保证供电的连续性，这些都是安全设计和可靠性保证的范畴。
对于元器件的选择也非常重要，除了满足技术参数外，还需要保证开关的机械寿命和电气寿命达到设计要求，对重要回路还有计时功能，对影响整体回路的进线框架断路器的分合闸进行计数，确保将来在设备的全生命周期得到监控。在核电站大修时，能给运营维护提供依据。
三、研究技术路线及关键技术问题
针对以上的核电电气设备要求和特点及中广核电运营部门反馈的存在技术痛点，技术路线和研发思路分为两步走，分别从结构安全型、智能化电气系统两方面进行集成研究开发。
1、结构安全可靠性主要下面四点研究技术路线，实现其对应的研发任务。
a.研究抽屉回路一次接插件改进方案，提高一次接插件可靠性；
b.研究低压开关柜抗震措施，提高柜体抗震能力；
c.研究低压开关柜整柜闭锁方案，开发出更可靠、更全面的闭锁方案；
明基p50 2、智能化电气系统主要为智能系统集成和新型电气回路功能的实现，其采用的研究技术路线如下：
a.对断路器的故障预测与健康管理
框架断路器在成套设备中是关键设备，在智能化低压开关柜应采用新型的智能化管理断路器，其具备保护、测量、预报警、数据记录等功能，给系统提供运行工况，协助系统实现电能管理、电气参数测量及分析、保护功能的测试、维护和诊断，本项目集成使用ABB公司最新的Ekip H-智能型框架断路器。
b.温度在线监测与分析
主母线搭接处、断路器的桩头搭接处、大电流回路的馈出线出线桩处如出现紧密度不够，易产生连接点发热问题。随着负荷的增大，导致连接点发热并形成恶性循环：升温、膨胀、收缩、氧化、电阻增大、再度升温直至酿成事故。因此监测关键连接点温升是杜绝此类事故发生的关键，实现对主母线搭接处、断路器的桩头搭接处、大电流回路的馈出线
出线桩处的温度在线监测是保证低压开关设备安全运行的重要手段。本次集成采用无线测温系统，实现与后台监控系统无缝连接，达到上述系统功能。
c.后台监控系统的实现上海杉达学院图书馆
本次研发采用了通讯总线系统为：Modbus总线。后台监控系统由设备层、网络通讯层和监控层组成。设备层包含智能化断路器，有线测温装置、无线测温装置与智能接口模块装置等。网络通讯层包含采集控制器，通讯总线等，负责采集设备层的信息与下发遥控遥调命令，起到承上启下的数据枢纽功能，监控层由安装在柜面的工控级触摸屏或操作台式的工作站、后台监控软件平台、PLC等组成。
在实现全面、准确的电力设备数据采集、事件记录、报表统计等功能的基础上，通过软件强大的分析、统计功能，实现低压开关柜异常预警，最大程度预防故障发生；对于已经发生的故障，软件平台提供基于历史数据、事件和波形的分析诊断功能，快速对故障进行分析诊断，识别故障类型，判断故障原因并定位故障区间，协助运营人员对故障进行快速处理并恢复供电。后台监控系统平台主要实现对低压开关柜电气设备运行信息的监控，建立实用的全面信息化监测管理方案，实现核电站低压开关柜在线故障诊断和状态监测的功能，更全面更及时准确的分析与管理供电设备的故障预测与健康状态。
绛红雪白的花瓣
d.针对核电低压配电系统专门研制智能化接口装置
本装置是专门针对低压配电系统监控和电机保护控制最新科技发展而研制的智能模块，根据上述负载性质，形成两大系列的智能模块。一类为配电系统线路保护性监控系列，另一类为电动机保护性智能监控系列，本装置是一种模块化可扩展的智能电力监控保护装置，其可以通过软件程序或定制物理接口任意扩展和封闭端口，通过软件程序扩展其功能，给不同负载提供不同监控功能，统一技术接口，具有接口调试功能，电力监控保护功能，同时还可以通讯；通讯协议满足最新国家标准要求，两大类智能模块可依据PSC-成套设备单柜设定的不同负载进行配备，互相独立而且互不干扰。此智能模块，可以用于低压成套开关设备作为物联网侧的基础性感知层和执行层，具有线路保护监测或电机智能保护监控功能，同时还可通讯和进行远程控制等功能。栓剂
f.对于新型核电回路采用固态接触器控制电磁阀正反转的监测集成
由于可控硅固态接触器的反应速度快，控制电压低，体积小等特点，在一些核电关键负载中得到应用，在国家最新一代堆型“华龙1号”中明确要求部分关键负载使用此电气控制回路，但其有个缺点，在频繁切断回路中会产生热量，影响器件的使用，故对其发热量要进行红外线测温监测。本次研发采用巧妙的结构，实现了这个功能，可以对新回路固态接
触器的温度（热成像）监测与分析，对固态接触器进行全生命周期的状态管理，利用热成像原理进行监测与分析，提供设备维护的信息。
针对研发的任务和目标，项目重点解决的技术关键问题如下：
A低压开关柜抗震强度的设计与计算；firefox 8
B抽屉主电路插接件可靠性研究；
C智能安全性抽屉单元集成；
D智能配电监控模块的集成制造和软件编程；
E智能电机保护模块的集成制造和软件编程；
F在线温度检测系统集成；
G固态可控硅接触器控制原理；
H组态软件编程；
I全面信息化监测方案软件编写；
J各种信息采集方案集成；
K人机界面显示集成。
四、总结
目前，核电站的电气设备基于安全和可靠性都越来越受到各方的重视，国内外新建的核电机组智能化要求也提高，国核技引进的第三代AP1000核电堆型明确要求低压柜智能化测控，新研制的“华龙1号”堆型也在进行智能化测控要求设计，这代表着核电站用的低压成套开关设备智能化方向是未来技术发展的必然趋势，本项目研究的成果和产品在核电站建造中进行推广应用，可以给核电站核岛、常规岛及BOP厂房的低压配电系统带来智能化技术的集成。
参考文献：
男生女生金版封面 [1]中华人民共和国国家标准，GB/T 12727-2017，核电厂安全级电气设备鉴定，中国国家标准化管理委员会2017-5-12发布。
[2]RCC-E《压水堆核电站核岛电气设备设计和建造规则》（1993/2002）
[3]中广核工程有限公司《红沿河5~6号机组低压成套开关设备技术规范书》
[4]ABB电气公司出版 《SmiS 物联网+解决方案新一代 智能低压开关柜》
[5] Schneider电气公司出版 《Smart Panels智能配电系统的“互联网+”应用》
[6] 广州白云电器设备股份有限公司研发项目技术编制资料《安全型及智能化低压开关柜在核电厂的应用研究总结报告》
作者简介：
张宇怀，男，1972年生，1996年毕业于中原工学院机械设计及制造专业，中级工程师，现工作于广州白云电器设备股份有限公司技术中心电气研究所，从事低压成套开关设备的工程设计和研究开发。
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