摘要：核电站作为复杂巨系统，其安全运行对应急电力供应有着极端严苛的要求。附加柴油发电机组作为核电站应急电源体系中的后备保障层，承担着替代故障应急柴油机组和抵抗全厂失电（SBO）的双重关键功能，是确保反应堆安全停堆的最后一道电力防线。本文从核电站设置附加柴油发电机组的目的出发，系统梳理了核安全级柴油发电机组在容量裕度、动态响应、启动带载、抗震适应性及可靠性等方面的核心设计要求，并对国内外核电站常用的两种主接线方式及其技术特点进行对比分析。在此基础上，进一步阐述了附加柴油发电机组的供电模式、试验方法及电动机控制中心供电方案。分析表明，附加柴发机组的设计与选型必须严格遵循核安全法规及IEEE/IEC等国际标准，其接线方式与试验策略应在安全冗余与经济性之间取得最优平衡，以确保在极端工况下能够可靠执行安全停堆供电任务。
一、核电站设置附加柴发的目的
在核电站应急电力系统中，除每台机组配置的正常应急柴油发电机组外，通常还增设一台附加柴油发电机组（又称后备应急柴油发电机组）。该机组的设置主要基于以下两项核心功能需求：
1. 替换功能
当核电站中任何一台正常应急柴油发电机组因故障、检修或定期试验不可用时，附加柴油发电机组可快速替代该故障机组，并完整执行其全部安全供电功能。
（1）适用范围：该替换功能覆盖核电站所有1E级应急柴油发电机组，包括A列与B列的全部应急电源设备。无论故障发生在哪一列、哪一台机组，附加柴油机均可作为通用后备予以替代。
（2）替代时效要求：从确认正常应急柴油机不可用到附加柴油机完成替代并具备带载能力，全过程应在核安全监管机构规定的时限内完成。一般而言，若预计故障修复时间超过72小时（该时限由当地核安全局规定，包含机组停机冷却、故障诊断、维修及再鉴定试验的全过程），则必须启动替代程序。
（3）功能完整性：替代后，附加柴油发电机组须完全承担被替代机组的全部安全功能，包括但不限于：在丧失厂外电源（LOP）时自动启动并按预设顺序加载安全负荷；在丧失厂外电源叠加安全注入信号（LOP+SI）时提供额外的应急电力支持；在丧失厂外电源叠加高高堆芯压力（LOP+SI+HHCP）时维持关键安全系统不间断运行。
（4）运行管理要求：在替代运行期间，被替代的故障机组应退出运行并进行抢修，附加柴油机则按照正常应急柴油机的运行规程进行监控与操作，直至故障机组修复并重新通过可用性鉴定试验后，再执行反向切换。这一替换机制确保了应急母线在任何工况下均保有备用电源，有效避免了因单台应急机组失效而导致的安全功能丧失风险。
2. 抵抗全厂失电功能
所谓全厂失电（Station Blackout, SBO），是指核电站同时失去厂外主电源（包括电网供电及辅助厂外电源）和厂内全部正常应急柴油发电机组供电的极端工况。该工况属于核安全设计基准事故之外的超设计基准事故范畴，但核电站纵深防御体系要求必须具备应对能力。
（1）启动条件：当检测到所有正常应急柴油机组均未成功启动或启动后因故障跳闸，且厂外电源无法恢复时，附加柴油发电机组应作为最终后备电源自动启动。其启动指令一般由独立于正常应急机组启动逻辑的专用SBO逻辑控制器发出，以避免共因故障导致所有电源同时失效。
（2）供电对象：附加柴油机需向反应堆安全停堆所必需的关键负荷提供持续电力供应，主要包括：反应堆冷却剂泵（提供强制循环冷却）、控制棒驱动机构电源（确保控制棒能够插入堆芯实现停堆）、安全注入系统（向堆芯注入硼酸溶液）、余热排出系统（带走堆芯衰变热）及主控制室应急照明与仪表电源。
（3）运行持续时间：附加柴油发电机组在SBO工况下需具备持续运行的能力，通常要求能够连续运行至少24小时，并根据堆芯衰变热功率的下降曲线，配合非能动冷却系统逐步过渡至长期冷却状态。
（4）安全意义：该功能是核电站纵深防御原则中最后一个电力保障层级，具有不可替代的安全意义。国际核安全实践表明，全厂失电工况是导致严重核事故的重要诱因之一（如福岛核事故即为极端自然灾害引发长期全厂失电），因此附加柴油发电机组的SBO抵抗能力已成为新一代核电机组的标准配置要求。
二、核电站对柴油发电机组的技术要求
核电站对柴油发电机组的要求，核心在于将其定位为安全级（1E级）应急电源，要求其在核电站失去所有外部电源的极端工况下，能够瞬间启动并可靠供电，确保反应堆安全停堆。这些要求比常规商用发电机组严苛数个量级，主要涵盖以下几个关键维度。
1. 设计与性能核心要求
（1）容量与过载能力：机组额定容量需留有一定裕度，通常推荐不低于设计目标负荷的110%。同时，机组应具备在12小时运行周期内，至少连续1小时带110%额定负荷过载运行的能力，以适应事故工况下负荷波动及顺序加载时的瞬时冲击。
（2）动态响应特性：在进行顺序加载时，每个加载步骤须确保发电机端电压不低于额定值的80%，频率不低于额定值的95%，以确保各保护装置及接触器不因电压过低而脱扣。电压暂态调整率（负载突变瞬时）通常要求控制在-20%以内，恢复时间不超过3秒。
（3）启动与带载速度：启动响应极其迅速，要求在接到启动指令后10秒内完成启动，并在45秒内达到满负荷运行状态。这一指标远超常规备用电源要求，旨在最大限度缩短反应堆安全系统在断电状态下的等待时间。
（4）抗震与环境适应性：机组需具备抗震能力，设计基准地震动水平通常要求达到0.3g（水平峰值加速度），关键部件还需通过抗震试验验证。环境适应温度范围应覆盖-29 °C至+46 °C，以适应核电站不同厂址的气候条件。
（5）可靠性与寿命指标：核级柴油发电机组具备极高的可靠性要求，平均无故障时间（MTBF）一般需大于2000小时，平均修复时间（MTTR）不超过10小时。关键零部件（如活塞、缸套、曲轴、喷油泵）还需通过加速老化试验，验证其在60年设计寿期内的性能退化裕度。
2. 设计遵循的法规与标准
核电站附加柴油发电机组的设计与验证，必须严格遵循一系列核安全法规与行业标准，主要包括：
（1）国家核安全法规：《核动力厂设计安全规定》（HAF 102），明确了核动力厂应急电源系统的设计原则与安全目标；
（2）国家标准：《核电厂安全级电力系统准则》（GB/T 12788），规定了1E级电力系统的分类、性能及试验要求；
（3）能源行业标准：《核电厂应急柴油发电机组设计和试验要求》（NB/T 20123），专门针对柴油发电机组的核级应用提出详细技术规范；
（4）国际通用标准：IEEE/IEC 63332-387-2024《核设施备用电源柴油发电机组的应用和试验要求》，为最新发布的核设施备用电源柴油发电机组国际标准，详细规定了选型、安装、调试及定期试验的全流程技术准则。
三、附加柴发的接线与供电方案
1、附加柴油发电机组的接线方式
从核安全冗余原则出发，核电站每台发电机组均设置有电气上完全独立的A、B两个1E级系列，每个系列的中压母线配置一台专用应急柴油发电机组。附加柴油发电机组可作为2台、4台或6台发电机组的后备紧急备用电源，具体配置取决于核电站的总体电气设计方案及国家核安全监管要求。以下以2台发电机组（对应4条1E级中压母线：1LHA、1LHB、2LHA、2LHB）为例，简述两种典型主接线方式。
（1）方式一
如图1所示，该接线方式中，附加柴油发电机组出口经一台断路器与中压配电盘（CBSWG）相连。该中压盘设置5路馈线：其中一路经6.6 kV/380 V降压变压器后，通过电气联锁或机械联锁与厂内AC 380 V电源切换，为柴油机附属设备（如冷却水泵、润滑油泵、预热器）供电；其余4路分别经钥匙联锁后接入4条1E级中压母线，联锁机制确保同一时刻仅有一路处于接通状态，防止附加柴油机向多条母线同时供电引发的安全风险。
该接线方式结构简洁、操作直观、设备数量少，有利于降低单点故障概率。因此，在国际上得到较广泛应用，如南非Koeberg核电站、韩国部分核电机组均采用此方案。
（2）方式二
如图2所示，该接线方式在900 MW级压水堆核电站（如法国标准设计）中被广泛采用，我国大亚湾核电站亦采用此方案。其核心特征为：附加柴油发电机组出口经一台中压转换盘，通过内部连接片分别与4条1E级中压母线相连。
该方案的主要设计特点包括：
● 为避免因电气联锁逻辑失效而产生的共模故障，对1E级系统提出更高的实体隔离要求——中压转换盘内的连接片必须确保A系列与B系列设备在物理空间上完全分离；
● 断路器在不同仓位（如002JA与003JA）之间设置钥匙联锁（二取一逻辑），确保正常应急柴油机与附加柴油机不能同时对同一母线供电，满足核安全级电源互斥要求。
该接线方式虽结构较复杂，但运行灵活性强，便于在机组大修或单台应急机组不可用时实现快速切换。
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图1 核电站附加柴油发电机组主接线图一 |
图2 核电站附加柴油发电机组主接线图二 |
2、附加柴油发电机组的供电模式
在核电机组正常运行工况下，附加柴油发电机组处于热备用状态，即保持预润滑、预热及蓄电池浮充，但与1E级中压母线在电气上完全隔离。
当发生以下触发条件时，附加柴发机组自动启动并投入供电：
（1）若任何一台正常应急柴油发电机组发生故障，且预计在72小时内（该时限由当地核安全监管机构规定，包含机组冷却停机及维修时间）无法修复，则与该故障机组相连的1E级中压母线自动切换至附加柴油发电机供电。切换后，附加柴油机完全承担原故障机组的全部安全功能，包括在LOP（丧失外电源）、LOP+SI（丧失外电源叠加安全注入）、LOP+SI+HHCP（丧失外电源叠加安全注入及高高堆芯压力）等事故工况下的自启动及顺序带载能力。
（2）若发生全厂失电（SBO），附加柴油发电机组作为唯一可用的电力来源，承担最终的后备供电任务，确保反应堆安全停堆及堆芯余热排出。
3、附加柴油发电机组的试验方法
鉴于附加柴油发电机组在核电站安全体系中的极端重要性，必须通过定期试验验证其可用性和性能完好性。各国或地区因主接线方式不同，试验方法有所差异，但基本均包括启动试验、低功率试验和满功率试验三个层级。以下以韩国典型核电站方案和法国方案为例进行说明。
（1）并网试验法（韩国方案）
韩国核电站附加柴油发电机组的试验回路与供电回路共用同一通路。每个月进行一次100%额定功率（Pr）与厂内电源并网试验，大修期间则进行启动及50% Pr与厂外电源并网试验。试验期间，正常应急柴油发电机组处于备用状态，确保不影响安全冗余。
该试验方法的主要优点为：从运行角度便于操作，能够真实模拟柴油机接入实际系统后的带载运行工况，验证其调速特性、励磁调节能力及保护定值的正确性。从安全角度来看，通过电气联锁逻辑确保正常应急柴油机仅在探测到1E级中压母线失电时才会自启动，避免试验期间误动作。
（2）电阻负载箱试验法（法国方案）
另一种常用试验方法采用纯电阻负载箱作为附加柴油发电机组的试验负载。该方案中，试验回路与供电回路相互独立，试验时不影响发电机组正常运行，无需设置复杂的并网装置，因此风险较小，在法国核电站中广泛采用。
然而，该方案存在一定局限性：仅能验证柴油发电机组的稳态带载能力，无法真实模拟柴油机接入实际系统后的动态响应过程（如电机启动时的电压降落、无功功率补偿响应），也不能充分验证励磁调节系统在突变性感性负载下的调节性能。为弥补这一不足，需在试验负载装置中增加电抗器（电感负载）或采用阻感混合负载，以更逼真地模拟实际电动机负荷特性，从而使试验方法更加完善。
3、附加柴油机电动机控制中心的供电方案
附加柴油机电动机控制中心（MCC）的供电对象主要包括柴油机附属设备（预润滑泵、冷却风扇、缸套水预热器）、消防系统、起吊设备、48 V/125 V直流充电装置及通风空调系统等。
在正常备用状态下，电动机控制中心的上端电源通常有两种取电方式：
（1）取自厂内公用中压配电盘（图1所示南非核电站方案），该方案接线单一，适用于公用中压母线可靠的电站结构；
（2）取自两台发电机组A列应急低压配电盘（图3所示），通过双路冗余供电，进一步提升附属设备供电的可靠性。
上述两种方案均应确保：当附加柴油发电机组启动后，电动机控制中心自动切换为由柴油发电机供电。这一切换机制既可保证在备用工况下柴油机附属设备（如预热、预润滑系统）的连续用电需求，又可满足直流电源系统、通风系统和消防系统对供电电源连接性的严格要求，避免因电源转换中断导致设备重启或状态丢失。
图3 附加柴油发电机组主接线图三
总结
核电站附加柴油发电机组作为应急电源体系中的最终后备保障层，承担着替代故障应急机组和抵抗全厂失电的双重安全使命。其设计与选型必须严格遵循HAF 102、GB/T 12788、NB/T 20123及IEEE/IEC 63332-387-2024等核安全法规与国际标准，在容量裕度、动态响应、启动速度、抗震适应性及可靠性指标等方面均远高于常规发电机组。接线方式方面，直接接入中压配电盘方案与经中压转换盘方案各有适用场景，需结合核电站总体电气架构及安全分析结果进行优选。试验策略方面，并网试验法可真实模拟实际运行工况，但操作风险略高；电阻负载箱试验法安全性好，但需增加电抗组件以提升模拟真实性。电动机控制中心的冗余供电设计则进一步强化了机组附属设备的运行连续性。综上所述，附加柴油发电机组的全系统设计必须兼顾核安全冗余、操作便利性与可试验性三大核心要求，并通过科学的定期试验制度持续验证其可用性，从而确保在极端事故工况下能够万无一失地执行反应堆安全停堆供电任务。
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