AP1000核電機(jī)組發(fā)電機(jī)及變壓器差動保護(hù)校驗(yàn)方案

聞濤

(三門核電有限公司，浙江 三門 317112)

0 引言

三門核電有限公司(以下簡稱三門核電)一期工程采用美國西屋公司AP1000[1]核電技術(shù)，其反應(yīng)堆為全球首堆，設(shè)計和施工周期較成熟堆型要長。三門核電#1機(jī)組輔助變壓器在首次投運(yùn)期間曾因負(fù)荷不足而導(dǎo)致輔助變壓器差動保護(hù)帶負(fù)荷校驗(yàn)[2]困難，主變壓器、廠用變壓器保護(hù)也面臨同樣問題。此外，因差動保護(hù)高壓側(cè)電流互感器(TA)位于發(fā)電機(jī)出口斷路器外側(cè)，發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)前無法利用短路試驗(yàn)驗(yàn)證其差動保護(hù)回路的正確性。

若發(fā)電機(jī)、變壓器差動保護(hù)校驗(yàn)不及時，不但會影響保護(hù)裝置的可靠性、快速性、選擇性和靈敏性，還會降低設(shè)備的安全性，甚至迫使電廠在設(shè)備投運(yùn)初期大量使用臨時保護(hù)定值。為降低風(fēng)險，及時解決出現(xiàn)的問題，消除對后續(xù)其他試驗(yàn)的影響，應(yīng)在設(shè)備投運(yùn)前制訂合理的試驗(yàn)方案和送電計劃。

1 設(shè)備參數(shù)

三門核電一期工程發(fā)電機(jī)、變壓器主接線如圖1所示。主變壓器設(shè)計容量為1 452 MV·A，接線形式為YNd11，主變壓器高壓側(cè)額定電壓為535 kV，低壓側(cè)額定電壓為24 kV，短路阻抗為20%。主變壓器差動保護(hù)電流互感器(TA)分別安裝于主變壓器高壓側(cè)(5 000/1)、發(fā)電機(jī)出口斷路器內(nèi)(45 000/1)和廠用變壓器高壓側(cè)(10 000/1)，主變壓器高壓繞組單側(cè)分相差動保護(hù)的中性點(diǎn)TA為(2 000/1)，主變壓器差動保護(hù)型號為GE-T60。

圖1 發(fā)電機(jī)、變壓器主接線

發(fā)電機(jī)額定容量為1 407 MV·A ，發(fā)電機(jī)差動保護(hù)TA(45 000/5)分別安裝在發(fā)電機(jī)出口斷路器內(nèi)和發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)，其保護(hù)范圍與主變壓器差動保護(hù)在發(fā)電機(jī)出口斷路器處重疊。主變壓器差動保護(hù)型號為GE-G60。

廠用變壓器設(shè)計容量為88 MV·A，接線形式為Dyn1-yn1+d，高、低壓繞組間短路阻抗為18%，廠用變壓器差動保護(hù)TA分別安裝在廠用變壓器高壓側(cè)(3 000/1)和中壓進(jìn)線斷路器的中壓母線側(cè)(3 000/1或2 000/1)，廠用變壓器差動保護(hù)型號為GE-T60。

2 差動保護(hù)校驗(yàn)

2.1 校驗(yàn)的最小需求計算和分析

為保證保護(hù)裝置和測量儀器讀數(shù)穩(wěn)定，在差動保護(hù)校驗(yàn)時相關(guān)TA二次側(cè)電流值宜不小于0.01A，對應(yīng)各TA一次電流見表1。

表1 差動保護(hù)校驗(yàn)時TA最小電流需求 A

主變壓器、廠用變壓器短路阻抗分別為20%和18%。對主變壓器、廠用變壓器分別進(jìn)行短路試驗(yàn)，要達(dá)到差動保護(hù)校驗(yàn)所需電流，所需試驗(yàn)電源的容量及電壓如下：

(1)主變壓器所需最小試驗(yàn)電源的容量和電壓分別為171 kV·A和2.0 kV；

(2)廠用變壓器所需最小試驗(yàn)電源的容量和電壓分別為1.84 kV·A和35 kV；

(3)在靜態(tài)工況時，發(fā)電機(jī)定子繞組各相交流阻抗為0.13 Ω，使用大電流發(fā)生器進(jìn)行通流試驗(yàn)[3]所需最小試驗(yàn)電源的容量和電壓分別為1.05 kV·A和11.7 V。

2.2 主變壓器差動保護(hù)校驗(yàn)

2.2.1 短路試驗(yàn)方式[3]

帶主變壓器繞組通流試驗(yàn)需要電源容量不小于171 kV·A，電壓不小于2.0 kV，短路試驗(yàn)只能使用廠內(nèi)10.5 kV中壓作為試驗(yàn)電源，試驗(yàn)風(fēng)險較高。

使用10.5 kV中壓系統(tǒng)作為電源，在主變壓器低壓側(cè)做短路點(diǎn)，相關(guān)計算如下。

主變壓器高壓側(cè)電流

(1)

主變壓器低壓側(cè)電流

(2)

試驗(yàn)電源容量

2 801 (kV·A) 。

(3)

(1)使用10.5 kV中壓系統(tǒng)作為電源，在廠用變壓器低壓側(cè)做短路點(diǎn)，以100 MV·A及10.5 kV為基準(zhǔn)容量和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行標(biāo)幺值計算。

主變壓器阻抗標(biāo)幺值

(4)

廠用變壓器阻抗標(biāo)幺值

(5)

廠用變壓器低壓側(cè)電流

(6)

主變壓器高壓側(cè)電流

(7)

試驗(yàn)電源容量

(8)

短路電流遠(yuǎn)小于測試所需的50 A。

(2)使用備用柴油機(jī)作為電源，在主變壓器高壓側(cè)做短路點(diǎn)。因柴油機(jī)額定電流只有412 A，遠(yuǎn)小于試驗(yàn)所需，不滿足要求。

2.2.2 通流方式

主變壓器差動保護(hù)高壓側(cè)TA安裝于主變壓器高壓側(cè)接地刀閘外側(cè)，使用外部電纜將主變壓器高壓繞組和低壓繞組短接，降低通流回路阻抗值，使主變壓器高壓側(cè)TA與發(fā)電機(jī)機(jī)端TA之間具備通流條件，主變壓器通流試驗(yàn)示意圖如圖2所示。

圖2 主變壓器通流試驗(yàn)示意圖

因?yàn)橥髟囼?yàn)不包含主變壓器高壓側(cè)分相差動保護(hù)中性點(diǎn)側(cè)TA，無法保證此處TA接線極性的正確性。

2.2.3 帶負(fù)荷校驗(yàn)方式

如果對主變壓器進(jìn)行短路試驗(yàn)，需要拆除主變壓器高壓側(cè)氣體絕緣金屬封閉開關(guān)(GIS)連接，敷設(shè)中壓電纜，技術(shù)上可行，但是成本高、風(fēng)險大，筆者不建議進(jìn)行主變壓器短路試驗(yàn)。通流方式雖然簡單易行，但無法完成主變壓器高壓繞組中性點(diǎn)側(cè)TA的校驗(yàn)工作。只能通過利用主變壓器首次送電后中壓大電機(jī)的啟動電流來驗(yàn)證全部差動保護(hù)回路的正確性。

主變壓器高壓側(cè)電流至少需要50 A，折算至10.5 kV中壓側(cè)試驗(yàn)電流應(yīng)不小于2 548 A(約需求46 330 kV·A負(fù)荷)，廠用中壓大功率交流電動機(jī)技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 中壓大功率交流電動機(jī)技術(shù)參數(shù)

在主變壓器差動保護(hù)校驗(yàn)時，啟動循環(huán)水泵，其啟動電流應(yīng)按6～8倍計算，每臺循環(huán)水泵的啟動電流為3 696～4 928 A，可實(shí)現(xiàn)除發(fā)電機(jī)機(jī)端外其余位置TA的校驗(yàn)工作。主變壓器差動保護(hù)發(fā)電機(jī)側(cè)TA的校驗(yàn)在廠用變壓器短路試驗(yàn)中進(jìn)行。

因主變壓器帶負(fù)荷校驗(yàn)工作受到中壓電動機(jī)能否投運(yùn)的影響，因此，在編制主變壓器送電計劃時，應(yīng)考慮以中壓電動機(jī)具備帶電運(yùn)行為前提條件。

2.3 廠用變壓器差動保護(hù)校驗(yàn)

廠用變壓器短路試驗(yàn)所需試驗(yàn)電源容量小，但因短路阻抗大，所需試驗(yàn)電源電壓幅值較高，可在發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓互感器處或勵磁變壓器高壓側(cè)施加380 V試驗(yàn)電壓，采用在廠用變壓器中壓側(cè)做短路點(diǎn)的方法完成試驗(yàn)，如圖3所示。

圖3 廠用變壓器短路試驗(yàn)示意圖

所需試驗(yàn)電源的容量及試驗(yàn)電壓計算如下：

(9)

122 (kV·A ) 。

(10)

短路電流為186 A，滿足廠用變壓器差動保護(hù)TA、主變壓器差動保護(hù)廠用變壓器側(cè)TA的校驗(yàn)需求。

主變壓器差動發(fā)電機(jī)側(cè)TA變比為45 000/1，需要的校驗(yàn)電流為450 A，在短路試驗(yàn)中，186 A短路電流在TA二次側(cè)只有4.1 mA，試驗(yàn)裝置顯示不穩(wěn)定(如圖3所示)，需使用鉗形相位表確認(rèn)主變壓器差動機(jī)端側(cè)TA與廠用變壓器側(cè)TA之間的極性關(guān)系。

2.4 發(fā)電機(jī)差動保護(hù)校驗(yàn)

(1)發(fā)電機(jī)短路試驗(yàn)所需試驗(yàn)電源容量較小，使用大電流發(fā)生器進(jìn)行通流試驗(yàn)[4]即可完成差動保護(hù)校驗(yàn)。主變壓器低壓側(cè)接地，在主變壓器高壓側(cè)金屬裸露處向發(fā)電機(jī)任意相和發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)之間注入大電流，利用大地構(gòu)成電流回路，分別對A相、B相和C相的TA進(jìn)行幅值和差流校驗(yàn)，回路路徑如圖4所示。

圖4 發(fā)電機(jī)通流試驗(yàn)示意圖

試驗(yàn)中也可以考慮將任意兩相繞組在機(jī)端短接，若將AB相或BC相短接，兩相同時通入大電流，可達(dá)到減小電流回路總交流阻抗之目的。

(2)根據(jù)三門核電#1 機(jī)組建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，主變壓器、廠用變壓器二次回路與發(fā)電機(jī)保護(hù)可同時設(shè)計，保護(hù)屏柜安裝和二次電纜敷設(shè)也同步進(jìn)行，因此發(fā)電機(jī)通流試驗(yàn)有條件與廠用變壓器短路試驗(yàn)同時進(jìn)行。

3 方案和建議

3.1 主變壓器差動保護(hù)

(1)主變壓器差動保護(hù)在主變壓器首次送電前尚不具備全部驗(yàn)證條件，全部校驗(yàn)工作需要在主變壓器首次送電后通過帶負(fù)荷校驗(yàn)才能完成，負(fù)荷電流為中壓電動機(jī)啟動電流。

(2)主變壓器帶負(fù)荷校驗(yàn)的前提條件為：10.5 kV中壓系統(tǒng)至少有1臺電動給水泵或循環(huán)水泵可以帶電運(yùn)行。

(3)主變壓器各側(cè)差動保護(hù)TA需要采用帶負(fù)荷校驗(yàn)試驗(yàn)、通流試驗(yàn)及廠用變壓器短路試驗(yàn)相結(jié)合的方式才能完成校驗(yàn)工作。

(4)差動保護(hù)裝置和移動式錄波儀在試驗(yàn)過程中記錄主變壓器各側(cè)電流，將波形文件打印并作為試驗(yàn)記錄。

3.2 廠用變壓器差動保護(hù)

(1)廠用變壓器差動保護(hù)校驗(yàn)所需的容量較小，以廠用變壓器高壓側(cè)電流為30 A計算，每臺廠用變壓器需要1 250 kV·A負(fù)荷完成差動保護(hù)校驗(yàn)。

(2)考慮到廠用變壓器差動保護(hù)在首次送電前較方便開展短路試驗(yàn)工作，且輔助變壓器低壓側(cè)共有6個分支，回路較多，因此，筆者建議提前進(jìn)行短路試驗(yàn)以減少廠用變壓器首次送電過程中存在的問題和隱患。

3.3 發(fā)電機(jī)差動保護(hù)

(1)通過大電流發(fā)生器通流的方式，完成發(fā)電機(jī)差動保護(hù)回路校驗(yàn)工作。

(2)若發(fā)電機(jī)定子、發(fā)電機(jī)出口斷路器、發(fā)電機(jī)差動回路的安裝調(diào)試進(jìn)度與廠用變壓器一致，可考慮將圖2～圖4所示試驗(yàn)在同一階段完成。

(3)若采取兩相繞組短接后同時注入大電流的方式，應(yīng)注意判斷TA的接線組別。三相短接注入大電流的方式不利于判斷TA接線組別。

(4)發(fā)電機(jī)差動保護(hù)TA安裝在發(fā)電機(jī)出口斷路器隔離刀閘的主變壓器側(cè)，試驗(yàn)以主變壓器停運(yùn)為前提。

3.4 校驗(yàn)中應(yīng)注意的事項

(1)試驗(yàn)前應(yīng)保證所有TA二次回路接線正確且無開路故障。

(2)注意一次設(shè)備隔離狀態(tài)正確、試驗(yàn)電源敷設(shè)安全可靠。例如，在進(jìn)行廠用變壓器短路試驗(yàn)時，可利用機(jī)端電壓互感器或勵磁變壓器高壓側(cè)金屬裸露點(diǎn)接入試驗(yàn)電源，但必須考慮到此時勵磁變壓器、主變壓器高壓側(cè)無接地點(diǎn)且已經(jīng)安全隔離，隔離點(diǎn)有專人看護(hù)，相關(guān)一次設(shè)備上應(yīng)停止其他工作。

(3)試驗(yàn)電纜應(yīng)滿足電壓和載流量要求。

(4)主變壓器、廠用變壓器的差動保護(hù)試驗(yàn)方案應(yīng)得到電網(wǎng)認(rèn)可。

4 結(jié)論

通過計算和分析，提出了AP1000核機(jī)組主變壓器、廠用變壓器以及主發(fā)電機(jī)的差動保護(hù)在調(diào)試期間校驗(yàn)方法。主變壓器差動保護(hù)校驗(yàn)工作需要通過帶負(fù)荷校驗(yàn)、通流試驗(yàn)以及短路試驗(yàn)相結(jié)合的方式才能完成。廠用變壓器差動保護(hù)可通過短路試驗(yàn)的方法完成校驗(yàn)。發(fā)電機(jī)差動保護(hù)可利用大電流發(fā)生器完成校驗(yàn)。

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