Electrical disturbances in nuclear power plants and their simulation requirements

Abstract

Electrical systems perform various functions in a nuclear power plant (NPP), and they are required for the operation of many safety systems. In normal operation, all electrical systems are connected together at the high voltage level, which creates the potential for common cause failures due to faults in the plant internal or external power system. In fact, several such incidents have been reported. This thesis reviews literature related to NPP electrical system reliability and electrical disturbances. Three particularly relevant conditions (power frequency overvoltages, open phase conditions and subsynchronous oscillations) are selected for in-depth analysis. Based on the literature review and analyses, this thesis makes recommendations about simulating these conditions in COSI. COSI is a research project which aims to develop a co-simulation platform for simulating the electrical system and NPP process systems together. This thesis notes that existing electrical simulation studies have not considered process system feedback effects and other transient dynamics in much detail, and that COSI could provide insight into their effects on nuclear safety.

Sähköjärjestelmät ovat tärkeitä lukuisille ydinvoimalaitoksen toiminnoille. Muun muassa monien turvallisuusjärjestelmien toiminta riippuu sähköjärjestelmistä. Normaalissa käyttötilanteessa kaikki sähköjärjestelmät kytkeytyvät yhteen suurjännitetasolla, mistä aiheutuu mahdollinen yhteisvikariski, jos laitoksen sisäisessä tai ulkoisessa sähköverkossa tapahtuu vika. Useita tämänkaltaisia tapahtumia onkin raportoitu. Tässä diplomityössä tehdään katsaus kirjallisuuteen, joka liittyy ydinvoimalaitosten sähköjärjestelmien luotettavuuteen ja sähköjärjestelmän häiriöihin. Kolme erityisen oleellista häiriötyyppiä (verkkotaajuiset ylijännitteet, vaihekatkokset ja alisynkroniset värähtelyt) valitaan lähempään tarkasteluun. Kirjallisuuskatsauksen ja tarkastelujen perusteella annetaan suosituksia näiden häiriöiden simuloimiseen COSI-projektissa. COSI on tutkimusprojekti, jossa kehitetään kosimulaatioalusta sähköjärjestelmän ja ydinvoimalaitoksen prosessijärjestelmien yhteissimulointiin. Työn mukaan aiemmissa sähköjärjestelmien simulointitutkimuksissa ei ole tarkasti selvitetty prosessijärjestelmistä aiheutuvia takaisinkytkentöjä tai muita transienttivaikutuksia. COSI voisi parantaa ymmärrystä näiden vaikutuksista ydinturvallisuuteen.