AP1000核电机组发电机及变压器差动保护校验方案

闻涛

(三门核电有限公司，浙江 三门 317112)

0 引言

三门核电有限公司(以下简称三门核电)一期工程采用美国西屋公司AP1000[1]核电技术，其反应堆为全球首堆，设计和施工周期较成熟堆型要长。三门核电#1机组辅助变压器在首次投运期间曾因负荷不足而导致辅助变压器差动保护带负荷校验[2]困难，主变压器、厂用变压器保护也面临同样问题。此外，因差动保护高压侧电流互感器(TA)位于发电机出口断路器外侧，发电机在并网前无法利用短路试验验证其差动保护回路的正确性。

若发电机、变压器差动保护校验不及时，不但会影响保护装置的可靠性、快速性、选择性和灵敏性，还会降低设备的安全性，甚至迫使电厂在设备投运初期大量使用临时保护定值。为降低风险，及时解决出现的问题，消除对后续其他试验的影响，应在设备投运前制订合理的试验方案和送电计划。

1 设备参数

三门核电一期工程发电机、变压器主接线如图1所示。主变压器设计容量为1 452 MV·A，接线形式为YNd11，主变压器高压侧额定电压为535 kV，低压侧额定电压为24 kV，短路阻抗为20%。主变压器差动保护电流互感器(TA)分别安装于主变压器高压侧(5 000/1)、发电机出口断路器内(45 000/1)和厂用变压器高压侧(10 000/1)，主变压器高压绕组单侧分相差动保护的中性点TA为(2 000/1)，主变压器差动保护型号为GE-T60。

图1 发电机、变压器主接线

发电机额定容量为1 407 MV·A ，发电机差动保护TA(45 000/5)分别安装在发电机出口断路器内和发电机中性点侧，其保护范围与主变压器差动保护在发电机出口断路器处重叠。主变压器差动保护型号为GE-G60。

厂用变压器设计容量为88 MV·A，接线形式为Dyn1-yn1+d，高、低压绕组间短路阻抗为18%，厂用变压器差动保护TA分别安装在厂用变压器高压侧(3 000/1)和中压进线断路器的中压母线侧(3 000/1或2 000/1)，厂用变压器差动保护型号为GE-T60。

2 差动保护校验

2.1 校验的最小需求计算和分析

为保证保护装置和测量仪器读数稳定，在差动保护校验时相关TA二次侧电流值宜不小于0.01A，对应各TA一次电流见表1。

表1 差动保护校验时TA最小电流需求 A

主变压器、厂用变压器短路阻抗分别为20%和18%。对主变压器、厂用变压器分别进行短路试验，要达到差动保护校验所需电流，所需试验电源的容量及电压如下：

(1)主变压器所需最小试验电源的容量和电压分别为171 kV·A和2.0 kV；

(2)厂用变压器所需最小试验电源的容量和电压分别为1.84 kV·A和35 kV；

(3)在静态工况时，发电机定子绕组各相交流阻抗为0.13 Ω，使用大电流发生器进行通流试验[3]所需最小试验电源的容量和电压分别为1.05 kV·A和11.7 V。

2.2 主变压器差动保护校验

2.2.1 短路试验方式[3]

带主变压器绕组通流试验需要电源容量不小于171 kV·A，电压不小于2.0 kV，短路试验只能使用厂内10.5 kV中压作为试验电源，试验风险较高。

使用10.5 kV中压系统作为电源，在主变压器低压侧做短路点，相关计算如下。

主变压器高压侧电流

(1)

主变压器低压侧电流

(2)

试验电源容量

2 801 (kV·A) 。

(3)

(1)使用10.5 kV中压系统作为电源，在厂用变压器低压侧做短路点，以100 MV·A及10.5 kV为基准容量和基准电压进行标幺值计算。

主变压器阻抗标幺值

(4)

厂用变压器阻抗标幺值

(5)

厂用变压器低压侧电流

(6)

主变压器高压侧电流

(7)

试验电源容量

(8)

短路电流远小于测试所需的50 A。

(2)使用备用柴油机作为电源，在主变压器高压侧做短路点。因柴油机额定电流只有412 A，远小于试验所需，不满足要求。

2.2.2 通流方式

主变压器差动保护高压侧TA安装于主变压器高压侧接地刀闸外侧，使用外部电缆将主变压器高压绕组和低压绕组短接，降低通流回路阻抗值，使主变压器高压侧TA与发电机机端TA之间具备通流条件，主变压器通流试验示意图如图2所示。

图2 主变压器通流试验示意图

因为通流试验不包含主变压器高压侧分相差动保护中性点侧TA，无法保证此处TA接线极性的正确性。

2.2.3 带负荷校验方式

如果对主变压器进行短路试验，需要拆除主变压器高压侧气体绝缘金属封闭开关(GIS)连接，敷设中压电缆，技术上可行，但是成本高、风险大，笔者不建议进行主变压器短路试验。通流方式虽然简单易行，但无法完成主变压器高压绕组中性点侧TA的校验工作。只能通过利用主变压器首次送电后中压大电机的启动电流来验证全部差动保护回路的正确性。

主变压器高压侧电流至少需要50 A，折算至10.5 kV中压侧试验电流应不小于2 548 A(约需求46 330 kV·A负荷)，厂用中压大功率交流电动机技术参数见表2。

表2 中压大功率交流电动机技术参数

在主变压器差动保护校验时，启动循环水泵，其启动电流应按6～8倍计算，每台循环水泵的启动电流为3 696～4 928 A，可实现除发电机机端外其余位置TA的校验工作。主变压器差动保护发电机侧TA的校验在厂用变压器短路试验中进行。

因主变压器带负荷校验工作受到中压电动机能否投运的影响，因此，在编制主变压器送电计划时，应考虑以中压电动机具备带电运行为前提条件。

2.3 厂用变压器差动保护校验

厂用变压器短路试验所需试验电源容量小，但因短路阻抗大，所需试验电源电压幅值较高，可在发电机机端电压互感器处或励磁变压器高压侧施加380 V试验电压，采用在厂用变压器中压侧做短路点的方法完成试验，如图3所示。

图3 厂用变压器短路试验示意图

所需试验电源的容量及试验电压计算如下：

(9)

122 (kV·A ) 。

(10)

短路电流为186 A，满足厂用变压器差动保护TA、主变压器差动保护厂用变压器侧TA的校验需求。

主变压器差动发电机侧TA变比为45 000/1，需要的校验电流为450 A，在短路试验中，186 A短路电流在TA二次侧只有4.1 mA，试验装置显示不稳定(如图3所示)，需使用钳形相位表确认主变压器差动机端侧TA与厂用变压器侧TA之间的极性关系。

2.4 发电机差动保护校验

(1)发电机短路试验所需试验电源容量较小，使用大电流发生器进行通流试验[4]即可完成差动保护校验。主变压器低压侧接地，在主变压器高压侧金属裸露处向发电机任意相和发电机中性点之间注入大电流，利用大地构成电流回路，分别对A相、B相和C相的TA进行幅值和差流校验，回路路径如图4所示。

图4 发电机通流试验示意图

试验中也可以考虑将任意两相绕组在机端短接，若将AB相或BC相短接，两相同时通入大电流，可达到减小电流回路总交流阻抗之目的。

(2)根据三门核电#1 机组建设经验，主变压器、厂用变压器二次回路与发电机保护可同时设计，保护屏柜安装和二次电缆敷设也同步进行，因此发电机通流试验有条件与厂用变压器短路试验同时进行。

3 方案和建议

3.1 主变压器差动保护

(1)主变压器差动保护在主变压器首次送电前尚不具备全部验证条件，全部校验工作需要在主变压器首次送电后通过带负荷校验才能完成，负荷电流为中压电动机启动电流。

(2)主变压器带负荷校验的前提条件为：10.5 kV中压系统至少有1台电动给水泵或循环水泵可以带电运行。

(3)主变压器各侧差动保护TA需要采用带负荷校验试验、通流试验及厂用变压器短路试验相结合的方式才能完成校验工作。

(4)差动保护装置和移动式录波仪在试验过程中记录主变压器各侧电流，将波形文件打印并作为试验记录。

3.2 厂用变压器差动保护

(1)厂用变压器差动保护校验所需的容量较小，以厂用变压器高压侧电流为30 A计算，每台厂用变压器需要1 250 kV·A负荷完成差动保护校验。

(2)考虑到厂用变压器差动保护在首次送电前较方便开展短路试验工作，且辅助变压器低压侧共有6个分支，回路较多，因此，笔者建议提前进行短路试验以减少厂用变压器首次送电过程中存在的问题和隐患。

3.3 发电机差动保护

(1)通过大电流发生器通流的方式，完成发电机差动保护回路校验工作。

(2)若发电机定子、发电机出口断路器、发电机差动回路的安装调试进度与厂用变压器一致，可考虑将图2～图4所示试验在同一阶段完成。

(3)若采取两相绕组短接后同时注入大电流的方式，应注意判断TA的接线组别。三相短接注入大电流的方式不利于判断TA接线组别。

(4)发电机差动保护TA安装在发电机出口断路器隔离刀闸的主变压器侧，试验以主变压器停运为前提。

3.4 校验中应注意的事项

(1)试验前应保证所有TA二次回路接线正确且无开路故障。

(2)注意一次设备隔离状态正确、试验电源敷设安全可靠。例如，在进行厂用变压器短路试验时，可利用机端电压互感器或励磁变压器高压侧金属裸露点接入试验电源，但必须考虑到此时励磁变压器、主变压器高压侧无接地点且已经安全隔离，隔离点有专人看护，相关一次设备上应停止其他工作。

(3)试验电缆应满足电压和载流量要求。

(4)主变压器、厂用变压器的差动保护试验方案应得到电网认可。

4 结论

通过计算和分析，提出了AP1000核机组主变压器、厂用变压器以及主发电机的差动保护在调试期间校验方法。主变压器差动保护校验工作需要通过带负荷校验、通流试验以及短路试验相结合的方式才能完成。厂用变压器差动保护可通过短路试验的方法完成校验。发电机差动保护可利用大电流发生器完成校验。

参考文献：

[1]顾军,缪亚民.AP1000核电厂系统与设备[M].北京:原子能出版社,2010.

[2]何丽平,李春亮,林楚斌.带负荷测试方法探讨[J].广东电力，2012,23(11):102-104.

[3]李强,孙昭昌,曹晓华,等.一台110 kV变压器出口短路试验分析[J].变压器，2012,49(8):55-58.

[4]关少锋,方祖雄,陈雅云.变电一次设备三相通流模拟带负荷状态测相量研究[J].电气技术，2012(4):38-39.