压水堆核电厂交流电源系统纵深防御特性研究

2016-08-24何小磊

电气技术与经济 2016年2期

关键词：残压交流电源核电厂

何小磊

（上海核工程研究设计院）

压水堆核电厂交流电源系统纵深防御特性研究

何小磊

（上海核工程研究设计院）

本文分析了压水堆核电厂在运行中交流电源系统可能出现的典型故障和异常工况，系统地介绍了电厂设计的供电可靠性响应措施和部分重要措施的相关原理，表明核电厂交流电源系统的设计是可靠的，并充分体现了纵深防御的原则。

核电厂交流电源；电源切换；汽轮发电机惰走；柴油发电机

0　引言

可靠的交流电源系统是保证压水堆核电厂安全运行的重要基础。在能动型电厂中，安全级交流电力系统为设计基准事件下核电厂的安全停堆、事故缓解提供足够的动力；在非能动型电厂中，通过为纵深防御类负荷提供可靠的电力，可大大提高核电厂的安全裕度，并对缓解事故具有积极意义。核电厂在运行中，交流电源系统可能出现各种故障或异常工况，但通过纵深防御的电源设置及可靠的响应措施，可以将核电厂带入其他运行工况，或保证持续生产，或将核电厂带入一个安全状态。

本文从介绍压水堆核电厂交流电源的组成部分入手，逐步介绍对电厂运行影响较大的几个典型故障或异常工况，以及在这些工况下电厂设置的应对措施，从而说明压水堆核电厂交流电源系统的设计是可靠的，具备纵深防御的特点。

1　压水堆核电厂交流电源的组成部分

典型的压水堆核电厂交流电源系统包括正常、优先、厂外备用和柴油发电机组电源，如图1所示。

正常电源，即汽轮发电机在正常运行时通过厂用变压器提供厂用电。

优先电源，一般为220kV、500kV或以上电网，通过开关站、主变连接至汽轮发电机实现电力传输，再通过厂用变压器连接至中压母线，作为电厂正常起动和停机的厂外电源之一。

图1　常见厂用电一次系统示意图

厂外备用电源，一般由电压等级较优先电源略低的电网充当，通过备用变压器向厂用负荷供电。主要作用为在正常电源和优先电源均不可用时提供交流电源。在机组检修时，也可提供检修电源。

柴油发电机组：在以上电源均不可用时向指定的负载供电，如能动型核电厂的应急柴油发电机和应对SBO的AAC柴油发电机，非能动型核电厂的厂内备用柴油发电机。

下面根据图1的基本结构，逐步介绍对电厂运行影响较大的几个典型故障或异常工况，以及在这些工况下电厂设置的应对措施，并对部分重要措施的原理和方案进行阐述。

2　中压母线故障

包括馈线故障但馈线保护拒动，由进线后备保护动作的工况。在这种情况下，该母线进入停电检修，由于核电厂在事故缓解辅助设施上均为冗余设置，其他母线继续向冗余负荷供电，可以保证核电厂继续运行。

3　汽轮发电机故障

当汽轮发电机发生故障时，必须停机、跳发电机断路器，使发电机与电网解列。此时优先电源电网自动通过主变倒送电向厂用设备供电，使反应堆安全停堆或进入热备用状态。

4　正常电源/优先电源供电路径故障

在主变、厂用变压器、离相封闭母线（IPB）或断路器CB1前的共箱母线（NS）处发生一个电气故障时，发电机断路器、主变高压侧的断路器、中压母线的进线断路器均应跳闸。

为实现在此故障情况下电源的连续性，大部分压水堆核电厂在中压母线上设置了电源切换功能，以快速切换为主要方式使中压母线进线断路器CB1跳闸，CB2合闸，将厂用负荷迅速转移到厂外备用电源，并辅以设置适当的后备切换方式。

4.1厂用电切换原理［1-2］

对于大容量的电厂，由于电动机的容量大且数量较多，当厂用电源中断后，由于电机及负载的机械惯性，电机将维持继续旋转，此时电机由电动机状态变为异步发电机运行。在同一母线上多台电机的共同作用下，母线电压会维持一定的残压并缓慢衰减，且频率会随着电机转速的降低而缓慢下降，其特性如图2所示，其中，VS为备用电源电压，VD为母线残压，∆U为VS与VD间的差压。

从图中可见，在优先电源中断后，母线残压VD幅值缓慢衰减，母线残压与备用电源VS的相角差逐渐增大，而母线残压与备用电源电压之间的差压∆U逐渐变大后又变小，如此反复变化，至于变化一次的时间完全取决于负载。在优先电源断电后投入备用电源，则差压∆U将加在电机上，其决定了接通冲击电流的大小和施加在电机绕组上的机械应力［3］。由分析可知电动机上电压Um为

图2　母线残压特性示意图

式中，Xm为母线上电动机和其他负荷折算到电源侧的等值电抗；Xs为电源的等值电抗。为保证电动机安全自起动，Xm应小于电动机的允许起动电压，设为1.1倍额定电压Un，则有

K△Un＜1.1Un

△U＜1.1/K

设K=0.67，则△U＜1.64。图2中，以A为圆心，以1.64为半径绘出弧线A'-A”，则A'-A”右侧为备用电源允许合闸的安全区域，左侧为不安全区域。若取K=0.95，则△U＜1.15，图2中B'-B”的左侧为不安全区域。

假定正常运行时优先电源与备用电源同相，其电压向量端点为A，则母线失电后残压向量端点将沿残压曲线由A向B方向移动，如能在A-B段内合上备用电源，则既能保证电动机安全，又不使电动机转速下降太多，这就是所谓的“快速切换”。

由于快速切换时频差和相差均较小，成功的概率很高。在某30万kW机组整个投运前试验过程中，所有快切试验，以及因主变过激磁保护动作导致的实际故障快切均取得了成功，电源切换时间约为0.1s。

图2中，过B点后BC段为不安全区域，不允许切换。在C点后CD段亦满足安全切换的要求。这需要实时跟踪残压的频差和相角差变化，尽量做到在反馈电压与备用电源电压第一次相位重合时合闸，这就是所谓的“同期捕捉切换”。

以图2为例，同期捕捉切换的时间为0.6s，对于残压衰减较快的情况，该时间要短得多。若能实现同期捕捉切换，特别是同相点合闸，对电动机的自起动也很有利，此时中压母线电压衰减不多，电动机转速不至于下降很大，且备用电源合上时冲击电流最小。

当残压衰减到20%～40%额定电压后实现的切换通常称为“残压切换”。残压切换虽然能保证电动机安全，但由于停电时间过长，电动机转速已经有很大幅度的下降，自起动电流很大，成批电动机的自起动将造成中压母线电压严重下降，电动机自起动困难。因此，在执行残压切换前往往需要执行“扫负荷”。此外，这时的母线低电压信号还会启动应急/厂内备用柴油发电机，作为厂外备用电源的后备。

4.2电源切换整定的其他考虑因素

1.1 研究对象选取2004—2017年于辽宁中医药大学附属第二医院口腔科行下颌阻生第三磨牙拔除术的260例患者为研究对象，按照手术方法不同，将患者分入A、B两组。A组中，男性150例，女性64例；中位年龄32.7岁；前倾阻生100例，水平阻生62例，垂直阻生51例，复杂型1例。B组中，男性32例，女性14例；中位年龄33.1岁；前倾阻生20例，水平阻生18例，垂直阻生8例。两组患者一般资料比较，差异无统计学意义(P>0.05)，具有可比性。患者及其家属均签署知情同意书，本研究经医院伦理委员会批准。

1）备用电源与优先电源的相位并不一定完全吻合。这是因为，为保证电源的相对独立，它们来自电网的不同节点。电网的某些运行方式可能导致备用电源与优先电源具有较大的相位差，这可能导致“快速切换”不成功。

2）由于“快速切换”发生的原因是“在主变、厂用变压器、IPB或NS处发生了电气故障”，如单相接地，而CB1处于合闸状态，中压母线的电压大小和相位已瞬间发生改变，改变的大小视故障类型和CB1断开的时间而定。即使故障前备用电源和优先电源同相位，仍可能导致CB1断开后VD直接进入“不安全区域”，快速切换失败。

3）对于“快速切换”，还需要考虑CB1分闸到CB2合闸之间存在的时间差。以VD4真空断路器为例，其分闸时间约为45ms，合闸时间约为70ms，假设CB1和CB2同时收到快切信号，则时间差为25ms，允许电源切换的条件整定时必须考虑到这25ms内残压特性的变化。若残压与备用电源的频率差为1Hz，则25ms内相角差的变化为9°。

4）同期捕捉切换最佳时刻是同相点，即图2中0.6s处，在设置同期捕捉切换的整定值时，应考虑一定的提前量。

5）在“残压切换”中，由于 “扫负荷”信号已将电动机类负荷切除，等待操纵员确认并将所需的厂用负荷手动投入需要较长的时间，有可能造成电厂运行工况的恶化。可以根据电厂实际情况设置“程序带载”，在恢复供电后带载重要的辅助负荷。

4.3电源切换的意义

通过设置可靠的电源切换，使电厂在经历汽轮机100%甩负荷后，将反应堆带入安全停堆状态；也可通过合理的电厂控制，使反应堆处于热备用状态，待电气故障排除后，迅速恢复生产。

5　中压母线持续低电压

在厂外电网持续低电压或电源与中压母线连接设备存在缺陷时，厂用电源系统电压便可能低于运行要求，使得用电设备尤其是电动机无法正常工作或受到损坏。

该工况与前文不同之处在于，主发电机至优先电源外电网的路径并无故障，只要切换过程能保证重要负荷（如主泵等）的不间断运行，例如采用并联倒闸操作或电源快速切换成功，便可以保证反应堆和主发电机的持续功率运行，避免了因甩负荷对电厂的热冲击。由于核电厂通常均为大容量机组，其持续运行对电网的恢复也起到了重要作用。

6　丧失厂外电同时汽轮发电机不可用

优先电源和厂外备用电源不可用时，厂内设置的备用柴油发电机将启动并接入厂用配电系统，通过执行“扫负荷”和“程序带载”后，将指定负载投入运行。

对于能动型核电厂，应急柴油发电机是设计基准事故下实现安全停堆、防止放射性物质大量泄漏的最重要动力来源，为安全级系统；若应急柴油发电机不可用，AAC柴油发电机电源投入运行。而对于非能动型核电厂，由于非能动安全系统的设计，无需安全级交流动力电源，厂内备用柴油发电机及其带载负荷起纵深防御作用，在设计基准事件发生导致其不可用前，为其提供完整的事故缓解能力。