特高壓接入系統(tǒng)方案及對(duì)核電廠設(shè)計(jì)的影響

支凱軍

摘要：對(duì)于新建電廠接入方案，面臨特高壓和超高壓兩種方案選擇。但是由于核電廠具有其特殊性，在安全運(yùn)行、設(shè)備檢修等方面有高于常規(guī)電廠的要求和標(biāo)準(zhǔn)，特高壓輸電方案因?yàn)榇嬖谌舾刹淮_定因素，會(huì)對(duì)核電廠的安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定等帶來(lái)很大的困難和挑戰(zhàn)。

一、特高壓輸電對(duì)核電廠安全運(yùn)行的影響

如果采用1000KV輸電方案，遠(yuǎn)期六臺(tái)機(jī)組采用同塔雙回一條輸電路徑送入一個(gè)接入點(diǎn);如果采用500KV輸電方案，遠(yuǎn)期六臺(tái)機(jī)組將有同塔雙回兩條輸電線路送入兩個(gè)接入點(diǎn)。

雖然兩種方案的短路電流、潮流計(jì)算等均滿足電網(wǎng)要求，但是特高壓輸電對(duì)核電廠安全運(yùn)行存在一定隱患。輸電線路可能因?yàn)榕_(tái)風(fēng)、雷擊、冰凍、山火、泥石流等原因，導(dǎo)致輸電中斷。對(duì)于500KV輸電方案因?yàn)橛袃蓷l輸電線路，即使一條線路中斷，仍然可以通過(guò)剩余線路輸電，對(duì)核電廠本身基本無(wú)影響;對(duì)于1000KV輸電方案，如果唯一的輸電線路中斷，則核電廠六臺(tái)機(jī)組全部與電網(wǎng)解列，只帶廠用負(fù)荷。

理論上，如果反應(yīng)堆自動(dòng)控制系統(tǒng)能正常應(yīng)對(duì)，則機(jī)組甩廠用電運(yùn)行，核功率穩(wěn)定在30%Pn，可以避免反應(yīng)堆停堆;但根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和模擬機(jī)演練，反應(yīng)堆往往不能正常應(yīng)對(duì)如此劇烈的狀態(tài)變化，保護(hù)參數(shù)如果持續(xù)惡化而不能手動(dòng)調(diào)節(jié)到正常范圍，將會(huì)觸發(fā)反應(yīng)堆自動(dòng)停堆。

即使甩廠用電成功，也會(huì)對(duì)反應(yīng)堆產(chǎn)生巨大的擾動(dòng)。主要表現(xiàn)為：快速甩負(fù)荷，汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速瞬間最高升到107%（超加速），G棒下插至30%Pn的整定棒位，R棒下插，甩負(fù)荷約70秒后開始提升，中子通量先上升后下降，堆芯溫度先上升后下降，穩(wěn)壓器的水位和壓力先升后降，蒸發(fā)器水位先降后升，蒸汽旁路排放閥門開啟等等。

二、關(guān)于特高壓設(shè)備維護(hù)檢修

發(fā)電成本是衡量核電站經(jīng)濟(jì)業(yè)績(jī)的重要指標(biāo)。降低發(fā)電成本的主要措施是提高機(jī)組能力因子和降低運(yùn)行維修費(fèi)用。提高機(jī)組能力因子最有效和最直接的手段是縮短大修工期和減少非計(jì)劃自動(dòng)停堆次數(shù)。

主變及配套設(shè)備檢修是換料大修時(shí)的重要項(xiàng)目，檢修項(xiàng)目多，輔助工作多，關(guān)聯(lián)性和邏輯性強(qiáng)，需要做中長(zhǎng)期的規(guī)劃和具體實(shí)施的專項(xiàng)計(jì)劃，其檢修工期對(duì)整個(gè)大修工期和大修項(xiàng)目安排有重要影響。

目前特高壓變壓器在特高壓輸電變電站已有所應(yīng)用，但是發(fā)電廠用特高壓變壓器僅有平圩電廠三期正在使用的三臺(tái)單相變壓器（型號(hào)DFP-400000/1000，2015年投運(yùn)），由特變電工股份有限公司制造，是全世界唯一在運(yùn)的由發(fā)電機(jī)出口電壓27kV直接升至1000kV的特高壓發(fā)電廠用變壓器。

發(fā)電廠用特高壓升壓變?cè)砗徒Y(jié)構(gòu)與超高壓升壓變及站用特高壓變壓器在技術(shù)上有較大差異：一是由低壓27千伏直接升壓至1000千伏，傳遞過(guò)電壓?jiǎn)栴}特別突出，漏磁和局部過(guò)熱的控制難度更大;二是低壓繞組的工作及短路電流大，抗短路問(wèn)題突出;三是需研究全新的線圈結(jié)構(gòu)、主縱絕緣結(jié)構(gòu)和出線結(jié)構(gòu);四是需研究滿足特殊調(diào)壓方式和要求、電壓等級(jí)高的無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓開關(guān)。這四個(gè)方面實(shí)際上就是要解決電、磁、熱、力這四大基本問(wèn)題。這些問(wèn)題在特高壓變壓器設(shè)計(jì)和制造階段是否都完滿解決？日常運(yùn)行有無(wú)安全隱患？

對(duì)上述這些問(wèn)題，或者缺乏實(shí)際調(diào)研分析，或者尚待較長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行檢驗(yàn)，目前答案都是空白。

主變壓器及配套設(shè)備檢修是核電廠重要檢修項(xiàng)目，該設(shè)備的運(yùn)維對(duì)核電廠的發(fā)電成本有重大影響。目前中廣核集團(tuán)范圍內(nèi)核電廠已經(jīng)有針對(duì)500KV輸電設(shè)備的成熟的檢修工藝和流程，對(duì)特高壓設(shè)備的運(yùn)維缺乏經(jīng)驗(yàn)和必要的基礎(chǔ)準(zhǔn)備，如果采用特高壓輸電，勢(shì)必會(huì)給未來(lái)的三澳核電廠在設(shè)備檢修方面帶來(lái)巨大的困難和挑戰(zhàn)。

三、 廠內(nèi)設(shè)備及布置

特高壓在電網(wǎng)中已應(yīng)用了多年，具有一定的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，但在核電廠中尚未使用。核電廠中使用的相關(guān)特高壓設(shè)備主要包括：主變壓器、GIS設(shè)備和GIL管道母線，借鑒電網(wǎng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，主變壓器與GIS設(shè)備較為成熟，GIL管道母線僅在個(gè)別電站中應(yīng)用，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)較少，設(shè)備的可靠性、成熟性有待進(jìn)一步調(diào)研。

特高壓主變、GIS設(shè)備外形尺寸大，設(shè)備布置占地面積相對(duì)超高壓設(shè)備增加較多，需要對(duì)廠內(nèi)相關(guān)子項(xiàng)作進(jìn)一步規(guī)劃布置。GIL缺少運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，廠內(nèi)輸電可能需要考慮架空線方案，從廠址條件與總圖規(guī)劃布局看，廠內(nèi)線路走廊用地緊張，敷設(shè)困難，另外廠址位于海濱，臺(tái)風(fēng)影響顯著，廠內(nèi)輸電方案需要進(jìn)一步研究。

因此，從技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性上來(lái)講，核電廠內(nèi)采用特高壓方案都是劣于500kV超高壓方案的。如果在輸電規(guī)劃評(píng)審后，接入系統(tǒng)電壓等級(jí)確定為特高壓，那么建議在后續(xù)接入系統(tǒng)方案論證時(shí)考慮采用兩級(jí)電壓方案參與比選，即廠內(nèi)采用500kV輸電方案，在核電站500kV開關(guān)站線路側(cè)通過(guò)升壓變升壓至1000kV再接入電網(wǎng)。

四、 廠用電系統(tǒng)運(yùn)行

核電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，交流廠用電系統(tǒng)由主發(fā)電機(jī)經(jīng)高壓廠用變壓器供電;在核電機(jī)組啟動(dòng)、停運(yùn)及維護(hù)時(shí)，從優(yōu)先電源經(jīng)主變壓器及高壓廠用變壓器給單元機(jī)組廠用設(shè)備供電;當(dāng)由于電氣故障失去廠外優(yōu)先電源和主發(fā)電機(jī)電源時(shí)，廠用母線通過(guò)自動(dòng)切換將電源切換至廠外備用電源（220kV），由220kV廠外備用電源經(jīng)備用電源變壓器向交流廠用電系統(tǒng)供電。

在廠外備用電源專題中，220kV電源容量按（6×95+25）MW要求規(guī)劃，可保證在主廠外電源失去后，為全廠機(jī)組提供后備電源。

五、變壓器故障說(shuō)明

以下內(nèi)容摘自WANO報(bào)告：SOER2011-1大型變壓器的可靠性

每年世界各地的核電廠都會(huì)發(fā)生與變壓器有關(guān)的事件，很多事件都是與大型的主變、輔變或啟動(dòng)電力變壓器有關(guān)。為數(shù)眾多的反應(yīng)堆緊急停堆、電廠停堆和降功率均和該類事件有關(guān)。變壓器事件往往造成發(fā)電量的減少和高額的維修費(fèi)用。

美國(guó)INPO分析了70例變壓器事件，事件造成的后果如下圖所示：

造成變壓器故障的原因有很多，其中主要的原因包括但不限于以下幾點(diǎn)：

1、缺乏對(duì)變壓器進(jìn)行持續(xù)有效且全面的監(jiān)測(cè)。

2、缺少全面且必要的預(yù)防性維修。

3、變壓器供貨商無(wú)法提供有效的技術(shù)支持和服務(wù)。

4、各核電廠的變壓器設(shè)計(jì)不同，很難在行業(yè)內(nèi)實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)共享。

縱覽核電行業(yè)的普遍做法，可以看出，變壓器及其輔助設(shè)備方面的專業(yè)知識(shí)和技能的欠缺是核電廠人員的薄弱環(huán)節(jié)，缺少經(jīng)驗(yàn)豐富的專家監(jiān)視變壓器的狀態(tài)、監(jiān)督維修活動(dòng)和可能對(duì)主變?cè)斐娠L(fēng)險(xiǎn)的工作。電廠經(jīng)常要求承包商或其他廠外人員對(duì)主變進(jìn)行維修和試驗(yàn)，雖然這些人對(duì)他們所從事的工作具備一定的知識(shí)，但他們可能對(duì)核行業(yè)中變壓器方面的經(jīng)驗(yàn)、歷史紀(jì)錄及核電廠特定的狀態(tài)、政策和工作程序沒(méi)有充分了解，這些可能直接導(dǎo)致事件的發(fā)生或狀態(tài)的降級(jí)。

鑒于核電廠主變壓器故障多發(fā)且后果嚴(yán)重，核電廠主變壓器的選型務(wù)必謹(jǐn)慎，主要應(yīng)考慮投運(yùn)后的監(jiān)測(cè)和維護(hù)，以及行業(yè)內(nèi)的技術(shù)支持和經(jīng)驗(yàn)共享。

六、結(jié)論及建議

核電廠首要遵循“安全第一”的基本原則，核安全是核電企業(yè)的生命線，核電廠的根本是保障核安全，任何導(dǎo)致非安全事件概率上升的行為都應(yīng)該被禁止。在初始設(shè)計(jì)階段應(yīng)該為核安全奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，而非人為引入不安全因素。如果僅僅為了滿足商運(yùn)后電能消納這一方面的要求，而在項(xiàng)目前期由諸多方面引入風(fēng)險(xiǎn)和隱患，則違背了核電廠的核安全理念和文化。況且電力市場(chǎng)存在不確定性，即使采用特高壓輸電方案也不能得到電能消納的絕對(duì)保障。

1000KV輸電方案相比于500KV輸電方案，在安全方面引入了更多隱患和不確定因素，不宜在現(xiàn)階段作為核電廠輸電方案。另外，在經(jīng)濟(jì)性、對(duì)廠內(nèi)設(shè)計(jì)影響、設(shè)備運(yùn)維等方面，500KV輸電方案具有明顯的優(yōu)勢(shì)。