AP1000核電廠廠用電快切原理及其對(duì)設(shè)備的影響

趙立東，唐海燕

（中核集團(tuán)三門核電有限公司，浙江 三門 317112）

在大容量核電機(jī)組［1］中，廠用電系統(tǒng)的安全可靠［2］對(duì)整個(gè)機(jī)組的安全至關(guān)重要，而廠用電切換則是整個(gè)廠用電系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)［3-4］。在國(guó)內(nèi)已投運(yùn)的核電機(jī)組中，廠用電切換大多采用殘壓切換或經(jīng)固定延時(shí)切換，廠用電在切換過(guò)程中均有1～2s甚至更長(zhǎng)時(shí)間處于失電狀態(tài)。由于斷電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，母線電壓和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速都下降很大，將嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行工況。一方面有些系統(tǒng)將退出運(yùn)行，另一方面，合上備用電源后，由于電動(dòng)機(jī)組自啟動(dòng)電流很大，母線電壓將可能難以恢復(fù)，從而導(dǎo)致自啟動(dòng)困難甚至被迫停機(jī)，且固定延時(shí)切換不能確保開(kāi)關(guān)躲過(guò)反相點(diǎn)合閘，對(duì)電動(dòng)機(jī)造成很大的合閘沖擊。而快速切換功能則可以大大提高廠用電的可靠性，目前國(guó)內(nèi)多數(shù)大型火電廠及一些對(duì)電源可靠性要求較高的工礦企業(yè)都為廠用電配備了快速切換裝置［5-7］，部分核電機(jī)組也增設(shè)了快速切換裝置，如秦山一期采用MFC2000-2型快切裝置。

就AP1000機(jī)組［8］而言，其反應(yīng)堆冷卻劑循環(huán)水泵（主泵）由變頻器提供60Hz的交流電源，在失電狀態(tài)下，變頻器僅能維持供電5個(gè)周波（100ms），為保證電源切換不中斷對(duì)主泵的供電，電源切換必須在100ms內(nèi)完成。如果采用快切裝置，以MFC2000-2為例，在固有延時(shí)的基礎(chǔ)上，電源切換時(shí)間將增加12ms；采用其他類型的快切裝置也同樣會(huì)增加延時(shí)。因此基于上述考慮，AP1000機(jī)組沒(méi)有采用專門的快速切換裝置［9］，而采用系統(tǒng)和設(shè)備保護(hù)裝置直接向中壓斷路器發(fā)出分合閘的信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)電源的快速切換，簡(jiǎn)化了快切的系統(tǒng)接線，減少了設(shè)備的投入，也減少了由于快切設(shè)備本身故障導(dǎo)致快切不成功的概率。

本文將對(duì)AP1000機(jī)組的快切原理進(jìn)行分析，并給出其切換邏輯，進(jìn)一步分析快切對(duì)廠內(nèi)負(fù)荷的影響。

1 快切原理分析

三門核電廠首臺(tái)AP1000機(jī)組共設(shè)置六段中壓母線，電壓等級(jí)為10.5kV，為電廠內(nèi)的大電機(jī)及變壓器負(fù)荷提供電源。其中，兩段母線（ES-1和ES-2）布置在附屬?gòu)S房?jī)?nèi)，各配置一臺(tái)備用10.5kV柴油發(fā)電機(jī)，為核島中壓母線；四段母線（ES-3、ES-4、ES-5和 ES-6）布置在汽輪機(jī)廠房?jī)?nèi)，為常規(guī)島中壓母線。考慮到供電負(fù)荷的工作特性，核島和常規(guī)島中壓母線可進(jìn)行快速切換。其系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

1.1 快切的啟動(dòng)條件

（1）發(fā)電機(jī)出口斷路器（GCB）失靈時(shí)，將聯(lián)跳500kV氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備 （GIS）的斷路器并啟動(dòng)快切。

（2）500kV GIS的斷路器失靈，并且主變高壓側(cè)和GIS之間的隔離刀閘在合位時(shí)，將聯(lián)跳GCB并啟動(dòng)快切。

（3）當(dāng)發(fā)生氣體絕緣封閉母線、主變、離相封閉母線、廠變、共箱母線等故障將導(dǎo)致正常電源和優(yōu)先電源均不可用時(shí)，跳開(kāi)GCB和500kV GIS，并啟動(dòng)快切。

1.2 切換邏輯

快切的邏輯圖如圖2所示，采用美國(guó)SCHWEITZER公司的綜保裝置SEL-351實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)同期及狀態(tài)條件A等滿足要求時(shí)，快切時(shí)的切換時(shí)序圖如圖3所示，快切信號(hào)最大可以維持700ms。由于快切需要在100ms內(nèi)完成，此時(shí)狀態(tài)條件A改變，實(shí)際中快切信號(hào)維持時(shí)間大于500ms且小于700ms。

圖2 切換邏輯圖

圖3 快切時(shí)的切換時(shí)序

1.3 電壓幅值、角度和頻率

通過(guò)SEL-351的同期檢測(cè)元件比較進(jìn)線電壓Up和母線電壓Us的電壓幅值、相角和頻率，經(jīng)計(jì)算并與整定值比較判定是否滿足同期條件。

1.3.1 同頻同期

當(dāng)Up和Us的頻差不大于0.005Hz，此時(shí)判定Up和Us同頻，若電壓幅值及相角差都在定值范圍內(nèi)，即判斷同頻同期條件滿足，執(zhí)行同頻同期快切。

1.3.2 差頻同期

當(dāng)Up和Us的頻差大于0.005Hz，此時(shí)判定Up和Us存在頻差。此時(shí)需要考慮斷路器合閘時(shí)間（t1）的角度補(bǔ)償。則角度補(bǔ)償

此時(shí)存在兩種情況：①角度差是遞減的；②角度差是遞增的。補(bǔ)償后的角差示意圖如圖4所示，U＊s為補(bǔ)償后的進(jìn)線電壓。

若角差遞減，則Up和U＊s角差為零時(shí)，判斷同期條件滿足，此時(shí)合閘對(duì)系統(tǒng)沖擊最?。蝗艚遣钸f增，此角差小于角度整定值時(shí)，則判斷同期條件滿足，執(zhí)行快切。當(dāng)三門核電站一期工程投入運(yùn)行時(shí)，正常運(yùn)行模式下500kV和220kV系統(tǒng)折算到10kV側(cè)Us和Up之間相角差為16.5°，Us滯后于Up。差頻同期時(shí)，斷路器合閘時(shí)間補(bǔ)償t1=60ms，以SEL-351最大整定頻差0.5Hz計(jì)算，由式（1）可知，補(bǔ)償角度為10.8°，小于初始相角差，屬于角差遞減情況，角差為零時(shí)合閘。

圖4 補(bǔ)償后的角差

2 快切對(duì)廠用設(shè)備的影響

三相短路故障是導(dǎo)致母線切換的最嚴(yán)重電氣故障，主要是因?yàn)椋孩偌涌祀姍C(jī)減速，將增大電機(jī)的重啟動(dòng)時(shí)間；②在進(jìn)線斷路器合閘前，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率增大，在進(jìn)線斷路器合閘時(shí)，將導(dǎo)致更大的沖擊電流，同樣將增大電機(jī)的重啟時(shí)間；③進(jìn)線電壓和母線電壓的角差增大，在進(jìn)線斷路器合閘瞬間，電機(jī)承受更大的合成電壓。下面將以主變低壓側(cè)到廠變高壓側(cè)的離相母線發(fā)生三相短路故障為例，分析母線電壓和電流的變化趨勢(shì)以及快切對(duì)負(fù)荷的影響。

2.1 快切對(duì)電機(jī)類負(fù)荷的影響

在進(jìn)線斷路器跳閘后，異步電機(jī)突然失去外加電源，定子電流突然降為零，定子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)也降為零，但由于匝鏈定子繞組的磁通不能突變，在轉(zhuǎn)子回路中產(chǎn)生瞬時(shí)感應(yīng)電流抵消定子電流突然消失引起的磁通變化，以維持磁通不發(fā)生突變，轉(zhuǎn)子電流按照轉(zhuǎn)子繞組時(shí)間常數(shù)衰減，是衰減的直流電流。轉(zhuǎn)子繞組電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子相對(duì)靜止，對(duì)定子繞組則以轉(zhuǎn)子角速度旋轉(zhuǎn)，異步電機(jī)類似于同步發(fā)電機(jī)，隨著轉(zhuǎn)子繞組直流電流的衰減和電機(jī)轉(zhuǎn)速的下降，中壓母線電壓的幅值和頻率也不斷下降。

ES-1～ES-6中壓母線的進(jìn)線斷路器可承受的沖擊電流分別為1273、1282、5761、5273、4344、4 269A。在快切過(guò)程中，以常規(guī)島中壓母線為例，給出其母線電壓變化過(guò)程（300ms內(nèi)）如圖5所示。

圖5 母線電壓變化趨勢(shì)

由圖5可以看出，在發(fā)生故障到故障切除前，母線電壓幅值衰減較大，頻率也在衰減，相角逐漸拉大，直到進(jìn)線斷路器分閘備用進(jìn)線斷路器合閘后，母線電壓恢復(fù)到90%的額定電壓，頻率恢復(fù)額定值，相角逐漸減小。對(duì)于備用進(jìn)線斷路器合閘后的沖擊電流，以ES-1母線為例，初始的沖擊電流為1 437A，在22ms后沖擊電流降低到1 272A，22ms之前的沖擊電流大于進(jìn)線斷路器的沖擊電流；而備用進(jìn)線采用反時(shí)限電流保護(hù)，對(duì)應(yīng)2 000A的電流時(shí)，需要23s才能跳開(kāi)斷路器，對(duì)應(yīng)1 437A的電流時(shí)，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間將更長(zhǎng)，所以保護(hù)不會(huì)動(dòng)作，可以確?？烨袉?dòng)。

由于電機(jī)的額定電壓是10kV，所以電機(jī)的合成電壓計(jì)算公式為，將

式中Us——系統(tǒng)等值電壓；UM——電動(dòng)機(jī)殘壓；δ——Us和UM之間的相角；UR——電動(dòng)機(jī)的合成矢量電壓。

考慮電機(jī)數(shù)量較多，在分析時(shí)以容量最大的主給水泵電機(jī)（7 800kW，總計(jì)三臺(tái)）為例，該電機(jī)的堵轉(zhuǎn)電流為2 591A。電動(dòng)機(jī)的電壓、電流及轉(zhuǎn)差的變化趨勢(shì)如圖6所示。

由圖6可以看出，在發(fā)生故障到故障切除前，電機(jī)的轉(zhuǎn)差增大，轉(zhuǎn)速減小，在斷路器合閘后，電機(jī)的轉(zhuǎn)差減小，轉(zhuǎn)速增大，并將逐步恢復(fù)到額定轉(zhuǎn)速。并且，在故障清除后，電機(jī)的自啟動(dòng)電流小于電機(jī)的堵轉(zhuǎn)電流，電機(jī)可以成功啟動(dòng)。

2.2 快切對(duì)干式變壓器的影響［10］

快切成功時(shí)，干式變壓器將經(jīng)歷一個(gè)重合閘的過(guò)程，由于磁場(chǎng)的不可突變性，將會(huì)在變壓器內(nèi)部產(chǎn)生沖擊電流，因?yàn)榇藭r(shí)變壓器的端電壓小于變壓器的額定電壓，故該沖擊電流小于變壓器啟動(dòng)時(shí)的勵(lì)磁涌流。由于變壓器本身具備承受短時(shí)短路電流的能力且速斷保護(hù)按照躲過(guò)勵(lì)磁涌流整定，因此快切時(shí)的沖擊電流不會(huì)對(duì)變壓器造成損傷，變壓器保護(hù)也不會(huì)無(wú)誤動(dòng)。

2.3 快切對(duì)主泵的影響

圖6 電機(jī)參數(shù)變化趨勢(shì)

反應(yīng)堆在高于閾值功率（10%額定功率）運(yùn)行時(shí)，若1臺(tái)主泵低于91%額定轉(zhuǎn)速就要保護(hù)停堆。主泵變頻器可以在70%額定電壓下持續(xù)運(yùn)行，55%額定電壓下跳閘，且可以在瞬時(shí)失電的情況下在100ms自啟動(dòng)，捕捉主泵轉(zhuǎn)速，并根據(jù)V／F比平滑輸出。由于主泵惰轉(zhuǎn)飛輪的存在，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，主泵從額定轉(zhuǎn)速惰轉(zhuǎn)到91%額定轉(zhuǎn)速約為1s，只要在此期間完成快切，可以維持不停堆。

3 結(jié)論

核電廠對(duì)電源的可靠性要求較高，快速切換時(shí)要保證主泵的連續(xù)運(yùn)行，還要保證電廠內(nèi)的大電機(jī)等可以成功的自啟動(dòng)，從而減少反應(yīng)堆因電氣故障導(dǎo)致的非計(jì)劃停堆次數(shù)，由此可見(jiàn)廠用快切對(duì)AP1000核電廠的重要性。三門核電一期工程的廠用快切具有如下特征。

（1）利用微機(jī)保護(hù)裝置結(jié)合可靠邏輯，在快切啟動(dòng)后通過(guò)同頻同期或角度遞減模式的差頻同期實(shí)現(xiàn)快切。

（2）在發(fā)生故障到故障切除前，母線電壓幅值及頻率衰減，相角拉大，直到進(jìn)線斷路器分閘備用進(jìn)線斷路器合閘后，母線電壓逐漸恢復(fù)。

（3）在快切完成時(shí)，備用進(jìn)線斷路器中將產(chǎn)生的電流將大于其可承受的沖擊電流，但是由于持續(xù)時(shí)間較短，在備用進(jìn)線繼電器電流保護(hù)的動(dòng)作范圍外，可以確保保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)。

（4）快切不會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)、變壓器及主泵等負(fù)荷造成重大影響，可以確保電機(jī)及變壓器負(fù)荷的正常啟動(dòng)，主泵的不停轉(zhuǎn)，保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)。

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