《Sustainability》：Probabilistic Safety Assessment of the Off-Site Power System of the Kori Nuclear Power Plant Against Typhoon-Induced High Winds Considering Korean Transmission Tower Fragility
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随着气候变化导致台风强度与频率增加，台风诱发强风通过破坏厂外电源系统对核电厂（NPP）安全构成日益严重的威胁。以往的概率安全评估（PSA）采用基于核电厂结构、系统和部件（SSC）高风易损性方程推导的输电塔易损性模型来评价该风险。然而，这些模型未能充分反映韩国输
随着气候变化导致台风强度与频率增加，台风诱发强风通过破坏厂外电源系统对核电厂（NPP）安全构成日益严重的威胁。以往的概率安全评估（PSA）采用基于核电厂结构、系统和部件（SSC）高风易损性方程推导的输电塔易损性模型来评价该风险。然而，这些模型未能充分反映韩国输电塔的结构特征。在本研究中，研究人员采用专为韩国输电塔开发的基于通用电压等级的易损性模型，对古里核电厂厂址在台风强风作用下的厂外电源系统进行了PSA。为隔离易损性模型对风险估计的影响，台风危险性、网络和损伤相关性条件均设置与以往研究相同。韩国通用易损性模型产生了更高的中位风速，但较低的高置信度低失效概率（HCLPF）能力，导致年风险估计增加。由于较低的HCLPF将损伤概率扩展到发生频率更高的较低风速区间，尽管中位容量增大，年风险仍有所上升。风险贡献分析表明，总体风险由易损性曲线0–50%区间与危险性低于其100年重现期部分的叠加所主导，而非由中位失效风速决定。分析进一步证明，对数标准差的选择会改变主导风速区间。因此，现实评估需要使用专门针对韩国输电塔开发的易损性模型。这些发现为估算核电厂厂外电源丧失事件的频率提供了定量基础，从而有助于实现具有韧性和可持续的基础设施管理。
论文解读文章
一、研究背景与现存问题
近年来，随着气候变化加剧，台风强度与频率持续上升。韩国2020年气候变化评估报告指出，台风强度与频率不断增加，对电力系统的韧性构成严峻挑战。台风伴随的强风会破坏输电塔等电力系统关键部件，导致供电中断。在核电厂中，厂外电源系统中断会威胁核安全，例如1992年美国Turkey Point核电厂因飓风Andrew丧失厂外电源5天，2005年Waterford核电厂因飓风Katrina发生4天厂外电源丧失（LOOP），韩国古里核电厂也曾在1986年台风Vera和2020年台风Maysak中因输电线路故障导致反应堆停堆或应急柴油发电机自动启动。2011年福岛第一核电厂事故更是表明，厂外电源系统可能是在极端自然灾害中最先失效的部分之一。
在此背景下，对厂外电源系统在强风条件下的安全性进行综合评估至关重要。概率安全评估（PSA）是定量评价系统风险的方法，已在地震、洪水等自然灾害下的电力系统评估中得到广泛应用，但针对韩国核电厂址在台风强风下的厂外电源系统PSA研究相对较少。已有研究（Kim等）通过将台风危险性与输电塔易损性卷积进行PSA，并引入基于距离的损伤相关性。然而，这些研究采用的输电塔易损性模型是将DS-1111规范中的地区设计风速代入Ravindra为NPP结构、系统和部件（SSC）提出的高风易损性方程得到的，未能反映韩国输电塔自身的结构特征。国际上的输电塔高风易损性研究多集中于单塔分析，难以集体应用于韩国数以万计的输电塔。因此，需要开发能够普遍应用于韩国输电塔的易损性模型。
二、研究目的与总体结论
为解决上述问题，本研究采用Woo等提出的基于电压等级的韩国输电塔通用易损性模型，对古里核电厂厂址在台风强风下的厂外电源系统进行PSA。通过保持与以往研究完全相同的台风危险性、网络结构和损伤相关性条件，本研究单独量化了输电塔易损性模型对系统易损性、HCLPF和年风险的影响。研究结果表明，与以往基于Ravindra方程的模型相比，韩国通用易损性模型产生更高的中位风速但更低的HCLPF，导致年风险增加75.3%。风险贡献分析揭示，总风险由易损性曲线下部与危险性低频风速区的重叠程度主导，而非中位失效风速。该发现凸显了采用反映韩国输电塔结构特征的易损性模型的必要性，并为估算核电厂LOOP事件频率提供了定量基础，有助于韧性基础设施管理和气候适应决策。
三、主要技术方法
研究人员首先构建了古里核电厂址厂外电源系统网络，包含1520个组件：1498座输电塔（154 kV 854座、345 kV 580座、765 kV 64座）、18个变电站（SS）、2个火电厂（TP）和2个核电厂（NP）。采用逻辑树和蒙特卡洛模拟方法获取古里核电厂址的台风危险性曲线。输电塔易损性采用Woo等提出的韩国输电塔通用易损性参数（按电压等级分类），该模型基于代表性塔型并综合考虑了材料性能的随机性、跨度与风向的认知不确定性、代表模型不确定性和建模不确定性。损伤相关性采用以往研究提出的距离相关损伤系数，并取0–50 km范围内的平均值0.6。系统易损性通过连通性评估获得：将电力系统建模为节点和线路网络，通过蒙特卡洛模拟抽样各塔损伤状态，判断外部电源与核电厂之间的连通性是否丧失。最后将系统易损性与危险性曲线卷积得到年失效概率。以往研究采用Ravindra方程结合DS-1111地区设计风速估计易损性，本研究作为对比参照。
四、研究结果
（1）系统易损性曲线对比
研究通过连通性评估计算了厂外电源系统的易损性曲线，并将韩国通用易损性模型的系统易损性与以往Ravindra方程模型进行比较。结果表明，通用易损性模型下的系统失效中位风速（V
m）为33.8 m/s，较以往研究的30.8 m/s增加约9.8%；而HCLPF为17.3 m/s，较以往研究的23.7 m/s降低约27.2%。系统易损性计算采用收敛判据为均方根误差（RMSE）≤0.001，所需样本数约为8192。在釜山观测站记录的最大10分钟平均风速中，台风Vera（1986年）为21.9 m/s，台风Maysak（2020年）为20.5 m/s，此两种风速下通用易损性模型给出的系统失效概率分别为约5.78%和4.44%。
（2）年风险估算与比较
将系统易损性与台风危险性曲线卷积，得到厂外电源系统向核电厂供电失败的年概率。采用通用易损性模型时的年风险为6.29 × 10
-2/yr，较以往研究的估计值增加约75.3%。为验证固定平均损伤相关系数对采用通用模型（其对数标准差为0.35–0.38，远大于以往模型的0.18）的适用性，研究直接应用以往提出的距离相关损伤系数进行了额外PSA。结果表明，两种相关系数模型下的系统易损性曲线几乎重合，年风险为6.28 × 10
-2/yr，与固定平均值0.6所得结果仅相差约0.2%。这说明风险估计对采用距离相关系数或其平均值不敏感，支持了本研究采用0.6代表值的合理性。
（3）风险贡献的风速分解
为解释年风险增加的原因，研究进行了风速分解分析。以往Ravindra方程模型的对数标准差较小（0.18），风险贡献集中在约31 m/s附近；韩国通用易损性模型对数标准差较大，风险贡献分布更宽并向低风速延伸，中心约在28 m/s。由于台风风速的出现频率随风速增大而急剧降低，风险贡献由约31 m/s移至28 m/s，增大了易损性曲线下部与高频率低风速区间的重叠。虽然通用模型的中位风速提高9.8%，但该增加主要影响出现频率较低的高风速区间，对风险贡献有限。因此，较大对数标准差引起的下尾效应占主导，尽管中位风速更高，年风险仍增加75.3%。这些结果表明，总风险强烈受易损性曲线0–50%区间与危险性低于100年重现期范围的卷积影响。
（4）对数标准差对风险主导区间的影响
研究进一步指出，输电塔易损性中β的选择会移动主导风险的风速区间，从而决定总风险的大小。通用易损性模型的风险贡献中心约在28 m/s并向低风速延伸，该范围低于台风危险性的100年重现期。这说明古里厂址LOOP频率不是由极端台风主导，而是由发生相对频繁的中等强度台风控制。因此，应使用专门针对韩国输电塔开发的易损性模型，以确保风险评估能够真实反映其结构特征。
五、讨论与结论总结
讨论部分强调，韩国通用易损性模型与以往模型的关键差异在于：一是中位风速更高，反映了韩国输电塔的实际结构性能；二是对数标准差约为以往的两倍（从0.18增至0.35–0.38），这源于为使用单一代表模型适用于全国塔型而纳入的多源不确定性。这两方面差异显著影响系统易损性特征：中位风速上升提高了名义抗风能力，但较大的β使易损性曲线趋于平缓，导致HCLPF下降，并将失效概率扩展至更常见的低风速区间。由于低风速发生频率高，总体风险增大。研究还验证了固定平均损伤相关系数的适用性，增强了评估结果的可靠性。
研究结论如下：本研究采用专为韩国输电塔开发的基于电压等级的通用易损性模型，对古里核电厂厂址在台风强风下的厂外电源系统进行了PSA。为隔离输电塔易损性对风险的影响，台风危险性、网络配置和损伤相关性条件均与以往研究保持一致。结果表明，与以往研究相比，采用韩国通用易损性模型得到的厂外电源系统易损性具有更高的中位风速但更低的HCLPF，导致年风险总体增加。风险贡献分析揭示，总风险由易损性曲线下部与台风危险性低风速区的重叠程度主导，而非中位失效风速。由于通用易损性模型具有较大的对数标准差，损伤概率延伸到较低风速，其下部与高发生频率的低风速范围重叠，由此产生的风险增加超过了更高中位风速的降低效应。这些发现证明，输电塔易损性的对数标准差会移动主导风险的风速区间，并决定总风险的大小。因此，输电塔易损性的选择直接影响厂外电源系统风险评估结果，应采用为韩国输电塔开发的易损性模型，以实现韩国电力系统的现实风险评估。风险贡献分析能定量识别主导风险的风速区间，为基于风险的灾害减轻提供了优先管理风速范围的依据。研究结果可作为PSA框架中估算核电厂LOOP事件发生频率的基础数据，也可通过替换为地区特定的危险性曲线、易损性参数和网络配置，推广至韩国其他核电厂址或区域电力系统，以及其他国家。该研究从两方面促进可持续发展：其一，风险贡献分析定量识别主导风险的风速区间，使有限资源集中在实际主导风险的范围内，支持风险知情的基础设施投资；其二，针对气候变化加剧的台风增强电力基础设施韧性是气候适应的核心要素，本研究所建立的PSA框架为其评价提供了定量工具。
