國內(nèi)三代核電廠中壓系統(tǒng)接地方式優(yōu)化研究

紀(jì)秀艷,劉愛芬,張瑞萍,鐘麗波,魏 巍

(1.華龍國際核電技術(shù)有限公司，北京 100036；2.國網(wǎng)沈陽供電公司，遼寧 沈陽 110003)

中壓交流電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行對于國內(nèi)三代核電廠具有至關(guān)重要的作用，中壓交流電力系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，采用不同的接地方式,相對應(yīng)的故障電流、過電壓均存在差異。如果中性點(diǎn)接地方式選擇不當(dāng)，將導(dǎo)致非故障相設(shè)備絕緣擊穿發(fā)展成相間短路故障、造成設(shè)備損壞、中斷，影響核電廠中壓廠用電系統(tǒng)正常運(yùn)行造成停機(jī)停堆等后果。所以，應(yīng)結(jié)合核電廠總體安全要求和電氣系統(tǒng)安全要求綜合考慮。選擇適當(dāng)?shù)慕拥胤绞?，以保障核電廠安全可靠運(yùn)行[1-2]。

目前，我國比較典型的核電廠三代堆型主要有EPR、AP1000、華龍一號堆型，EPR核電廠中壓系統(tǒng)采用不接地的方式，AP1000核電廠中壓系統(tǒng)采用低阻接地方式，華龍一號核電廠中壓系統(tǒng)采用經(jīng)消弧線圈接地方式。本文針對以上各種接地方式進(jìn)行對比，提出國內(nèi)三代核電廠中壓系統(tǒng)接地方式優(yōu)化建議[3-4]。

1 EPR核電廠中壓系統(tǒng)接地方式分析

EPR核電廠中壓系統(tǒng)計(jì)算電容電流大于10 A時(shí)，中性點(diǎn)采用不接地方式，系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，中性點(diǎn)只有較小的三相不平衡電壓，與地電位近似相同。系統(tǒng)任意回路發(fā)生單相接地故障時(shí)，中壓系統(tǒng)各支路電容電流的流向、電壓與電流相量關(guān)系如圖1所示。

圖1 中壓系統(tǒng)各支路電容電流的流向電壓與電流相量關(guān)系

2 AP1000核電廠中壓系統(tǒng)接地方式分析

AP1000核電廠中壓系統(tǒng)計(jì)算電容電流大于10 A，中性點(diǎn)采用經(jīng)低電阻接地的方式。系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，中性點(diǎn)只有較小的三相不平衡電壓，與地電位近似相同。系統(tǒng)任意回路發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地短路電流將通過電阻構(gòu)成回路，與不接地方式相比，故障電流顯著增加，使繼電保護(hù)裝置能靈敏迅速動(dòng)作，第一時(shí)限將故障回路從中壓系統(tǒng)中切除，如果故障線路未跳開，可以通過第二時(shí)限跳開為該段母線供電的總進(jìn)線回路開關(guān)，切除故障回路及該段母線上的其他配電回路，通過調(diào)整中性點(diǎn)接地電阻能限制單相接地電流。AP1000核電廠中壓系統(tǒng)采用中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地方式，滿足目前國內(nèi)相關(guān)規(guī)范要求及AP1000核電廠對供電可靠性的要求[8-10]。

3 華龍一號核電廠中壓系統(tǒng)接地方式分析

華龍一號核電廠中壓系統(tǒng)接地電容電流大于10 A，采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈(隨調(diào)式)接地方式。系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，消弧線圈處于離線狀態(tài)，中性點(diǎn)電壓及系統(tǒng)電容電流等同于中性點(diǎn)不接地方式，當(dāng)消弧線圈控制系統(tǒng)檢測到單相接地故障時(shí)，將消弧線圈迅速投入，用來補(bǔ)償接地電容電流，使故障回路在限定時(shí)間內(nèi)帶故障運(yùn)行，以提高重要回路持續(xù)供電的可靠性。系統(tǒng)任意回路發(fā)生單相接地故障時(shí)，中性點(diǎn)電壓將升高為相電壓，方向與故障相相電壓相反，消弧線圈在中性點(diǎn)故障電壓作用下產(chǎn)生電感電流，滯后于故障電壓90°，中壓系統(tǒng)接地故障及系統(tǒng)接地故障相量如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)接地故障及系統(tǒng)接地故障相量

中性點(diǎn)的消弧線圈與系統(tǒng)的分布電容組成諧振電路如圖3所示。

圖3 消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)等效電路

補(bǔ)償后殘余的故障電流Id為

(1)

華龍一號核電廠中壓系統(tǒng)中性點(diǎn)采用消弧線圈過補(bǔ)償?shù)慕拥胤绞?ωL<1/3ωC)，補(bǔ)償后，可以將殘余的故障電流Id控制在較小范圍內(nèi)，不超過10 A，使接地故障相恢復(fù)電壓的初速度和幅值均降低，達(dá)到熄滅故障電弧的目的。華龍一號核電廠中壓系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式滿足國內(nèi)相關(guān)規(guī)范及(RCC-E—2005)壓水堆核電廠核島電氣設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則的要求，這種接地方式需要增加消弧線圈、二次電阻及控制裝置，運(yùn)行方式、控制邏輯、接地保護(hù)配置比較復(fù)雜。

4 中壓系統(tǒng)接地方式優(yōu)化分析

華龍一號堆型和EPR堆型均有安全級中壓用電負(fù)荷，并配置了安全級應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組為中壓系統(tǒng)供電，使中壓系統(tǒng)在任何工況下都能保證對安全級中壓用電負(fù)荷可靠供電。所以，在發(fā)生單相接地故障時(shí)，希望使故障回路在限定時(shí)間內(nèi)帶故障運(yùn)行，有利于核安全設(shè)施連續(xù)供電，華龍一號和EPR堆型中壓系統(tǒng)采用中性點(diǎn)不接地方式或經(jīng)消弧線圈接地方式較適合。AP1000堆型的安全功能不依賴于中壓系統(tǒng)，所以當(dāng)中壓系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，無需帶故障運(yùn)行，AP1000核電廠中壓系統(tǒng)計(jì)算電容電流大于10 A時(shí)，保護(hù)裝置第一時(shí)限跳開故障回路，避免單相接地產(chǎn)生過電壓，對核安全無影響或影響較小，所以中性點(diǎn)采用低電阻接地的方式較適合。幾種接地方式發(fā)生接地故障時(shí)的主要性能對比如表1所示。

表1 中性點(diǎn)各種接地方式的比較

5 結(jié)論

經(jīng)過以上核電廠中壓系統(tǒng)接地方式分析，接地方式除了按照電容電流計(jì)算結(jié)果選擇外，還要考慮核電廠本身對供電可靠性的要求，對于供電可靠性要求較高的核電廠，接地故障直接跳閘會(huì)對核安全產(chǎn)生影響，不直接跳閘又存在故障范圍擴(kuò)大的風(fēng)險(xiǎn)，綜合各種接地方式的優(yōu)缺點(diǎn)，對于國內(nèi)三代核電廠中壓系統(tǒng)接地方式提出以下幾點(diǎn)建議。

a.計(jì)算電容電流不超過10 A的中壓系統(tǒng)母線，對于新建供電可靠性要求較高的核電廠，建議采用不接地的方式，不需要增加接地設(shè)備，既提高了經(jīng)濟(jì)性，又提高了供電可靠性。

b.計(jì)算電容電流已經(jīng)超過10 A的中壓系統(tǒng)母線，對于新建供電可靠性要求較高的核電廠，建議結(jié)合供電可靠性及單相接地故障危害等因素，對母線上所帶負(fù)荷逐個(gè)分析，若該段母線上任一回路發(fā)生單相接地故障時(shí)對核安全無影響或影響較小，該段母線可采用低電阻接地方式，使故障回路在第一時(shí)限內(nèi)被切除。若該段母線上涉及專設(shè)安全設(shè)施中壓用電負(fù)荷，應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，采用其他接地方式，當(dāng)采用經(jīng)消弧線圈過補(bǔ)償接地方式時(shí)，由于在接地點(diǎn)接地故障電流中增加了一個(gè)感性電流分量，使接地點(diǎn)的故障電流由容性變?yōu)楦行裕闺娀∪菀鬃韵?，避免了故障電弧引起的危害，但由于這種接地方式需要增加相應(yīng)的設(shè)備，所以在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)詳細(xì)論證其運(yùn)行可靠性，避免實(shí)際運(yùn)行時(shí)因設(shè)備或控制邏輯等問題造成供電可靠性降低。

c.對于新建供電可靠性要求不高，接地故障直接跳閘對核安全無影響或影響較小的核電廠，建議電容電流不超過10 A的中壓系統(tǒng)母線采用不接地方式，電容電流超過10 A的中壓系統(tǒng)母線采用低電阻接地的方式。

d.對于已運(yùn)行的核電廠，結(jié)合上述幾點(diǎn)建議進(jìn)行相應(yīng)的改造，消除因接地故障引起的安全隱患。

e.在工程設(shè)計(jì)階段，對各段配電母線上的配電線路進(jìn)行合理分配，使中壓系統(tǒng)母線的設(shè)計(jì)電容電流限制在30 A以內(nèi)，若設(shè)計(jì)電容電流超過30 A，中壓系統(tǒng)不應(yīng)采用不接地的方式。

f.為有效限制單相接地故障范圍的擴(kuò)大，建議選用現(xiàn)有技術(shù)成熟的小電流接地選線裝置進(jìn)行首次單相接地故障的準(zhǔn)確選擇，以便于及時(shí)處理單相接地故障。在實(shí)際工程中，由于接地故障的復(fù)雜性、線路不平衡電流與零序電流互感器誤差等因素的影響，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程情況將小電流選線裝置工作原理進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，達(dá)到準(zhǔn)確選線的效果。