某核电基地多机组联合开关站运行控制技术研究

汪运律,陈富杰,陈子明,李戈超,张晓伟,王东博,郭少杰,李 鑫,赵振华,洪琪旭

(中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300)

1 概况

某核电基地500 kV联合开关站接入了二厂、三厂共6台机组，4回出线，总输出容量(上网)约380万kW，开关站第一、二串为不完整串，第三～六串为完整串，第一、二串开关容量4000 A，第三～六串12个开关容量2000 A。出线5413线、5414线为4*LGJ-400/35型导线，导线截面积为400 mm2，5415线、5416线各由两段线路组成，一段为4*LGJ-630/45型导线，导线截面积为630 mm2，另一段为4*AFSZS4 A-400/45型导线，导线截面积为400 mm2。此外，5413和5414线位于同一个同塔双回路通道中，5415线和5416线则同方家山开关站至海宁的5410线位于同塔三回线路通道中。根据国家电网华东电力调控分中心文件《关于方家山送出线路工程投产后某核电基地联合开关站稳定控制要求》，这四回出线线路长期载流能力为2000 A，短时为2930 A(30 min)，四回出线线路的最大通流容量为2280 MW(P=500×2930×1.732×0.9=228万kW)。

2 问题症结分析

根据稳定限额要求，正常运行方式下，开关站四回出线潮流小于400万kW，大于联合开关站的最大输出容量380万kW，因此正常方式下该稳定限额对于联合开关站的运行没有影响。造成出力受限问题主要是由于重要一次设备检修引起的稳定限额，这包括：

2.1 母线检修工况

任一母线检修时，要求联合开关站四回出线潮流不大于310万kW，秦乔5413、5414双线和秦由5415、秦拳5416双线潮流均不大于200万kW。

2.2 开关检修工况

任一回线路相邻的边开关或中开关检修时，要求联合开关站的四回出线潮流不大于310万kW，相应线路所在双回线路潮流不大于200万kW。

2.3 线路检修工况

任一回线路检修且保持另外三个回路完整串开关闭环运行时，联合开关站稳定限额为228万kW。

2.4 任一回线检修且同杆双回线中另一串内开关停运工况

在停运开关与检修线路的同杆线路相邻时，要求联合开关站剩下三回线路潮流不大于155万kW；非相邻时，三线潮流不大于215万kW。

2.5 问题总结

上述四种工况，每个换料大修均需检修线路、主变，频度高，主变检修会引起开关停役，故主要窝电现象在线路检修和开关检修中。线路检修时接入机组总发电容量不大于228万kW，即使线路同串机组陪停，检修期间仍需降出力92万kW。开关站四回出线年度停役均超30 d，2010—2013年四年内最短31 d，最长58 d，平均每年45 d，若按稳定限额要求，降功率92万kW计算，线路检修每年平均窝电9.936亿kW·h，另，因主变检修引起的主变两侧开关停役时，四线潮流需小于等于310万kW，考虑二厂两台主变检修(三厂大修无影响，停一台70万kW)，机组还需降功率10万kW，检修窗口按至少7 d考虑，每年平均窝电0.336亿kW·h，每年总计窝电约10.272亿kW·h[1]。因此，急需针对上述问题研究对策，实现开关站外送能力提升或降低接入发电容量的改进优化方案。

3 方案研发与对比

针对线路检修、开关检修、母线检修、任一回线检修且同杆双回中另一串内开关停运引起限额的四个根本问题，研发出六种解决方案，并进行对比分析，选择最优方案。

3.1 方案1：联合开关站增加补充跳机装置

在500 kV联合开关站增加补充跳机装置，其功能在于检测四条线路功率，在线路检修期间，如发现线路故障跳闸，立即启动控制策略选择性切除运行机组，保证线路不超限。因此在安装补充跳机装置后，可较为彻底地解决联合开关站送出受限问题。导致联合开关站送出受限主要原因是线路检修，补充跳机装置切机策略由常规岛发变组保护装置实现，汽轮机跳闸出口方式是发变组保护设计已有动作方式，信号发送到汽轮机保护系统，动作于关闭汽轮机主汽门，调门，再热主汽门，再热调门，迅速将冲动汽源切除，随后发电机正向低功率保护动作跳开发电机出口断路器，实现发电机与电网分离。上述动作均为汽轮发电机组设计能够承受瞬态，其动作不会对常规岛汽轮发电机组等重大设备造成损坏[2]。而甩孤岛运行方式即满功率直接跳主变高压侧断路器，与电网解列，发电机带厂用电运行，此方式解列速度快且可不停机停堆等待并网，一旦电网允许即可并网，经济损失小，本方案可行。

3.2 方案2：对500 kV 5413/5414出线进行扩容

因5413/5414线路输送容量低，如适当扩容，可大大提升开关站外送能力，从根本上解决问题。但更换导线也面临问题：如更换为630 mm2导线，必须更换塔基，工程量、施工周期和费用巨大，还牵涉两条线全停窗口约40 d，故不考虑此方案；如更换为400 mm2导线，不必全部更换塔基，相应工程量、施工周期和工程费用稍小，但因更换导线需重新对通道内所有杆塔进行校核计算，施工周期约30 d，工程量较大。5413/5414线施工期间，考虑开关站安排1台机组陪停，剩余单回线路将承担320万kW送出需求。5415/5416线载流量达340万kW，线路本身满足送出需求。5415/5416线中开关潮流达188万kW，在额定容量155万kW控制下，开关将过载，机组仍需降低33万kW，也存在一定窝电现象，本方案不可行。

3.3 方案3：沿海堤新建外送线路通道

500 kV洪明变位于海盐县西塘桥境内，其有预留间隔，距某核电基地核电约19 km。某核电基地开关站内第1、2串为不完整串，增加开关可满足新接入1～2条线路。正常运行时，某核电基地—洪明新增线路两侧开关断开，仅作备用线，在开关站线路检修时投运。但该方案不足：1)参考华东电网2015年网架规划方案，在1回线路检修，同时陪停1台机组时，新增线路将导致某核电基地周边电网短路电流水平大大提高，需考虑在500 kV电网采取一定控制短路电流措施;2)开辟新走廊直接投资成本高，嘉兴地区新建500 kV线路成本超1000万/km。综上所述，本方案不可行。

3.4 方案4：5422线改接至方家山开关站

在正常方式下，方家山开关站只两台百万机组，可再接入1台72万kW机组，仍有一定外送裕度；而在1回线检修时安排一台机组陪停，其外送能力为228万kW，方家山开关站不存在窝电问题。考虑1台72万kW机组迁出后，可大大减少线路检修时窝电量，但在5413/5414单线运行时(考虑机组陪停)，剩下4台机组出力约250万kW，按228万kW限额考虑，仍需降出力22万kW。将1台机改接入方家山开关站，可考虑将其接入原来的第2个不完整串，使其与王店线路形成一个完整串；也可考虑在西侧再扩建半串接入，本方案技术可行，但投入较多。

3.5 方案5：两个联合开关站间加装联络线

某核电基地联合开关站第1串新增一个开关，在另一开关站第2串新增一个开关，使两个开关站间增加一条检修方式备用联络线，正常运行时，保持现有运行方式，一旦线路检修等影响稳定限额，再考虑灵活连接。新增设备在两个开关站的安装空间、场地满足要求。在正常运行方式下，两联合开关站均独立运行，该联络线退出，本方案技术可行，但投入较多。

3.6 方案6：5422线改接至一厂220 kV升压站

类似于方案4，将三厂1台机组改接至一厂220 kV升压站，目前220 kV升压站仅可满足当前30万kW机组送出需求。如改接，需增加两回出线，这将大大提高220 kV周边电网短路电流水平，需对规划网架进行较大调整，并需落实新增线路通道、对侧站点间隔及新增变压器、断路器、出线等设备，投资费用较高，且存在一定水平窝电，故本方案不可行。

通过上述六个方案可行性、经济性、工作量等多角度对比，最终选出最优方案——某核电基地联合开关站增加补充跳机装置。除该方案外，其他方案都需花费上千万元的年费用，且无法彻底解决窝电问题，而该方案总投入费用最低，且实施后不存在窝电现象。

4 500 kV联合开关站补充跳机装置研发设计

4.1 补充跳机装置研发

补充跳机装置设在联合开关站，距某核电基地四台机均不到500 m，补充跳机装置的出口跳闸信号可直接通过电缆送至发变组保护间，装置距三厂两台机组约3 km，需翻越太妃山，无法通过电缆直接接入三厂发变组保护，故在三厂安装一套从柜，主柜和从柜间通过专用光纤连接，光纤抗干扰性能较好，可有效防止误动。补充路机装置配置示意图见图1。

图1 补充跳机装置配置示意图Fig.1 Schematic of the supplementary tripping device configuration

4.2 补充跳机装置策略研发

按《电网安全稳定导则》要求，研发设计出某核电基地联合开关站限额运行应对策略运行方式与定值对照表，实现在线路、开关或母线停运期间，发生线路故障跳闸时，立即启动相应跳机策略，保证剩余线路不超限，满足安全稳定导则的要求[3]。策略表(见表1)包括：1)全跳功能压板对应策略表；2)选跳功能压板对应策略表；3)某核电基地-乔司、某核电基地-由拳任一线路检修方式下，某核电基地联合开关站内开关停役控制定值表；4)正常方式下，某核电基地联合开关站内开关停役控制定值表；5)500 kV联合开关站任一母线停役控制定值表。

4.3 切机方式设计

核电机组与电网解列可据不同故障类型采用跳汽机、跳发电机出口断路器并灭磁，见图2、图3。跳汽轮机和正常停机逻辑一致，先关闭主汽门，待正向低功率保护动作后再跳开发电机出口断路器灭磁，这种方式相比直接跳发电机出口断路器并灭磁对发电机出口断路器损伤小，如此不会造成主变停役，可保证核电基地外部主电源完整；甩孤岛运行即满功率直接跳主变高压侧断路器与电网解列，发电机带厂用电运行，这种方式解列速度快且可以不停机不停堆等待并网，一旦电网允许即可并网，经济损失小。补充跳机装置检测四条线路的电流、电压，采用全跳(跳主变高压侧开关)和选跳(跳汽机)两种方式。切机跳闸信号接口保留在发变组保护屏，接口简单。切机跳闸信号与发变组保护的跳机输出接点相并接后，启动紧急停机逻辑。

图2 汽轮机跳闸方式示意图Fig.2 Schematic of the turbine trip mode

图3 主变高压侧断路器跳闸方式示意图Fig.3 Schematic of the circuit breaker trip modeon the high voltage side of the main transformer

4.4 切机原则设计

核电基地一般双机配置，每个生产单元配置两台机组，一旦一个单元的两台机同时切掉，将给操纵员带来较大压力，也不利于核安全。因此某核电基地核电补充跳机装置第一个切机原则即一个机组单元一台机参与切机。某核电基地联合开关站接入的六台机组分成三个生产单元，补充跳机装置投跳时每个生产单元尽可能仅一台机组被允切。与压水堆自身特点有关，压水堆核电站在寿期末停堆可能造成反应堆中毒，不易再次临界，故允切机组选择时需考虑。允切机组考虑线路跳闸带掉运行机组的情况，如Ⅱ母停役时乔司方向双线跳闸则某核电基地1号机组被自动甩孤岛运行，此时1号机组不再允许切机，因为如再切会造成机组失去一路主电源不利于核安全。补充跳机装置充分考虑了安全因素，同时可有效减少核电机组运行瞬态，提高核电机组的经济性和安全稳定性。

4.5 运行管理模式设计

正常运行时四回线路运行，联合开关站出力不受限，无需投入装置，所有的跳闸压板退出，装置投信号。当“机组+线路检修”时，投入两台机组的压板，满足在《电网安全稳定导则》对核电机组安全送出的需要。当一回线路故障检修，其他机组正常并网情况下，投入3台机组的压板，可保持六台机组的功率安全稳定送出，又能满足《电网安全稳定导则》的要求。当母线、开关停役时，根据不同的工况和机组功率水平投入相应数量的机组。

4.6 防拒动与防误动设计

500 kV开关站补充跳机装置控制主站双机配置，并列运行，两套装置软硬件上独立A/B列双冗余配置，功能完全相同，两套装置间完全独立，互不通讯[4]。各执行站也单独配置，独立判断、执行和出口，两套装置只要有一套正常即可实现切机。每列装置配备两个大功率继电器，按照“二取二”的逻辑配置，即一套装置的两组出口接点串联后送至发变组保护，避免单一元件故障及电缆信号干扰触发保护误动[5]，提高装置的可靠性，类似的设计在核电基地也多有应用。

5 500 kV联合开关站补充跳机装置分析论证

5.1 补充跳机装置可行性

补充跳机装置设计的切机方式对于机组影响，就安全分析而言等同于汽轮机故障停运瞬态事件，在最终安全分析报告中已经对该瞬态进行了计算分析，分析结果没有超出设计允许的限值。常规岛设计中补充跳机装置切机策略由常规岛发变组保护装置实现，汽轮机跳闸方式出口是发变组保护设计已有动作方式，信号发送到汽轮机保护系统，动作于关闭汽轮机主汽门，调门，再热主汽门，再热调门，迅速将冲动汽源切除，随后发电机正向低功率保护动作跳开发电机出口断路器，实现发电机与电网的分离。上述动作均为汽轮发电机组设计能够承受的瞬态，其动作不会对常规岛汽轮发电机组等重大设备造成损坏。从汽轮机本身分析认为汽轮机跳闸是设计过程中已经预先设计考虑过的故障，相关系统的设计能够保证这种瞬态下的安全。汽轮机故障或事故停运作为中等频率设计瞬态，在机组调试期间已经通过瞬态试验(停机不停堆试验)得到验证，试验结果表明：在该设计瞬态下，依靠机组现有配置能够将机组带到安全稳定运行工况，正常停机过程也多次验证了这种设计的安全性。同样，跳主变高压侧开关出口方式，甩机组至孤岛运行，也为核电基地设计允许方式，相关系统的设计也能够保证这种瞬态下的安全。

5.2 补充跳机装置的必要性

设备预防性检修每年造成的电力损失巨大，还有开关站GIS设备十二年检，将占用较长的停电窗口；电力系统安全与核电基地的安全是一致的，两者安全均需保证；某核电基地为18个月换料方式，即每1.5年要进行停堆换料，如线路检修时机组陪停将会造成弃料。

5.3 补充跳机装置的可靠性

针对同杆双回线路故障的概率上限为5.45×10-8；且装置采用双重化冗余配置、大功率重动继电器、每台装置设计“二取二”逻辑、设置多重压板、异常自检功能等，详见图4。

图4 补充跳机装置配置逻辑图Fig.4 The configuration logic of the supplementary tripping device

5.4 补充跳机装置暂态稳定性

根据电力系统安全稳定导则中标准，对开关站一条出线检修方式下，同杆并架线路异名两相永久性跨线故障，即最后一条线路带6台机组，重合闸不成功后双回线三相同时跳开情况进行暂态稳定角度校核，结果满足要求(见图5、图6)。

图5 5415或5416单出线带六台机组Fig.5 5415 or 5416 single outlet with six units

图6 5413或5414单出线带六台机组Fig.6 5413 or 5414 single outlet with six units

6 500 kV联合开关站补充跳机装置功能试验验证

项目测试组对该项成果进行了硬件功能试验(开入回路检查、开出回路检查、中央信号检查)和软件功能试验(元件投停测试、装置异常测试、元件跳闸测试、出线全跳功能测试、全跳功能策略表测试、乔司方向选跳功能策略表测试、由拳方向选跳功能策略表测试)等内容，通过实验，测试组认为该项成果可根据限额运行应对策略准确采取相应切机措施，可有效解决联合开关站输送容量受限问题，确保电网安全，避免电厂有功功率震荡。成果研制过程中遇到的各项问题，经多次研究讨论不断改进，最终研发出与现场匹配的切机策略表，再通过软件固化到装置中，实现装置经策略判断后执行相应切机动作。成果应用后，各项指标均符合原设计要求，在确保核安全和电网安全基础上，能更好地发挥核电经济效益。

6.1 硬件功能试验

包含主机箱开入回路、I/O机箱开入回路、主机箱开出回路、I/O机箱开出回路、中央信号检查等内容，以上试验结果均合格。

6.2 软件功能试验

包含元件投停、装置异常、元件跳闸、出线全跳功能、全跳功能策略、乔司方向选跳功能策略、由拳方向选跳功能策略测试等内容，以上试验结果均合格。

7 结束语

在现有的电网结构和保护配置情况下，装设补充跳机装置是提高电网安全稳定水平、充分发挥电网经济效益的重要手段。补充跳机装置在某核电基地投用后，开关站原定降功率92万kW计划不再执行，不仅能满足六台机组380万kW输出容量要求，还解决了电网电力消纳和联合开关站输送容量受限问题，确保了电网安全稳定，避免电厂有功功率震荡，有效降低电网和核电基地安全运行风险。由于本项目在国内核电基地属首次自主设计、管理补充跳机装置，具有良好社会示范效应，随着出线走廊越发紧张，以后会有更多的补充跳机装置应用于核电基地，后续可将研发出的核电基地补充跳机装置切机模式和策略的设计思路、运行模式、成功经验推广应用于出力受限的其他机组，在确保核安全和电网安全的前提下，挖掘现有设备的潜力，更好的发挥核电的经济效益。