国内外核电厂断相事件经验反馈分析总结及改进建议

魏 巍， 孟 佳， 刘爱芬， 纪秀艳

(华龙国际核电技术有限公司， 北京 100037)

0 引言

近些年来随着国际上核电厂对断相事件的反馈越来越多，断相事件对于核电厂运行安全的影响也日益受到关注。目前国内外核电厂普遍对于断相工况缺乏相应的应对手段，国际原子能机构(IAEA)和美国核管会(NRC)都将断相事件定义为核电厂的薄弱项，国家核安全局也要求核电设计单位研究断相事件并且在新建核电厂中给出应对措施。为此，调研国内和国外核电厂的断相事件，为进一步提出核电厂应对断相事件的改进措施和建议提供基础。

1 核电厂断相事件定义及必要性

断相事件的定义[1-5]是电源进线的三相中有一相(或者两相)长期断开。发生断相事件的起因有很多种，比如线路一相断线，断路器、隔离开关导电触头故障引起一相到两相未接通或未断开，高压熔断器一相熔断等，断相故障会导致电力系统的电压和电流不平衡，严重时将烧毁电动机等设备。

由于目前国内和法国的核电厂设计基准，只考虑了电压丧失事件对核电厂运行的影响，而忽略了断相事件对于核安全的影响，都没有对断相工况监测的相关标准和措施。断相事件如果不能及时被发现，有可能导致厂外和厂内电源都不能为电厂内的安全级系统供电，进而导致核电厂不能安全停堆。

目前国内的核电厂针对发电机、变压器和电动机的继电保护配置，包括发电机失磁保护、突加电压保护、负序电流保护、低压闭锁过流保护、差动保护、过流保护、速断保护、过负荷保护、单相接地保护等，但现有的继电保护配置方案都不能可靠监测断相事件的发生。

2 国外核电厂断相事件经验反馈

(1)Forsmark核电厂3号机组断相事件

Forsmark核电厂在2013年5月30日大修期间，因为要将3号机组连接到一个新的70 kV开关站，原70 kV进线停电。继电器试验引起负序保护动作送出跳闸信号跳开400 kV电网的机组断路器，机组断路器两相跳闸，而第三相由于一个接头松动仍然处于闭合状态,由此发生了两相断相事件。柴油机供电的10 kV母线电压没有下降到65%以下(启动柴油发电机的动作值)，因此柴油发电机未能启动，余热排出功能丧失，17 min后燃料池的温度上升了0.7 ℃。操纵员通过断开非安全级和安全级母线之间的联络断路器，手动启动应急柴油发电机，从而启动“自动启动功能”，并按顺序带载。

因为三相中有一相没有断开，机组断路器位置指示为中间位置。主变压器为星角接线方式，厂内与厂外电网之间出现了相位差。配备相位差保护的运行设备跳闸，于是余热排出功能丧失。手动分离柴油机供电母线与外部电网供电母线，并由辅助柴油机供电，余热排出系统恢复。在启动柴油机的同时，就地复位柴油冷却水系统的相位差保护。

事件的直接原因是一相跳闸装置的电缆连接头松动，当虚假跳闸信号被送到断路器时，只有两相断开，另一相依然闭合。配备有相位差保护的安全相关设备跳闸，这导致在该运行模式下最重要的余热排出功能丧失。因为母线没有安装相位差保护，正常的电网和柴油机后备的电网之间没有解环运行。在断相事件中，本应将非安全相关的母线和柴油机后备的安全相关母线解环的低电压保护并未启动。低电压保护动作值为65%的给定值。该给定值是经过正序滤波器的相间电压平均值。在本事件的情况下，电压高于65%。

短期措施包括修复机组断路器跳闸机构松动的电缆。长期措施考虑改善对柴油机后备安全母线电压质量的监测。在电压质量降低时断开非安全母线电网，使柴油机自动启动。

(2)Byron核电厂断相事件

2012年1月30日，Byron核电厂2号机组处于满功率运行状态，由于开关站A型框架结构内的345 kV悬式陶瓷绝缘子发生机械故障，引起两台辅助变压器的C相永久开路，导致开路相的辅助变压器侧出现小电流接地故障。反应堆冷却剂泵的母线出现持续的低电压，反应堆自动紧急停堆。

该事件暴露出1E级低电压继电保护配置存在缺陷，即没有检测出开关站设备失效而引起的断相故障。

(3)Bruce A核电厂断相事件

2012年12月22日，大风导致与1号启动变压器连接的一条230 kV架空线下垂线在连接的底板处断开，导致了一个不接地的断相故障，从而引起启动变压器供电的厂内配电系统电压不平衡，引发1号机组维修冷却系统泵电气保护动作跳闸。

由此分析，用于连接下垂线的连接板没有应用最佳设计方案。变压器所在位置的强风对下垂线施加了足够的应力，致使其从焊接板上脱落，造成此次事件发生。

(4)Dungeness B核电厂21号和22号机组断相事件

2014年4月27日，Dungeness B核电厂22号机组处于正常功率运行状态，21号机组处于停堆状态，电网扰动引发电压不平衡工况。该事件导致22号机组反应堆紧急停堆以及两台机组反应堆强迫冷却系统功能丧失。

Dungeness B核电厂主控室接到负相序报警，随后证实导致厂内电源系列降级的原因是一条400 kV联络母线的一相开路。只要有一个并联供电回路存在，这个潜在故障就不会被发现。按计划进行电网倒闸操作后，当并联供电回路解环运行时，厂内275 kV系统只剩两相(C相上无电流)供电。

22号机组主发电机负相序保护跳闸，导致反应堆自动紧急停堆。几分钟后，22号机组气体循环装置和主冷却剂泵保护动作跳闸。

(5)Vandellos 核电厂2号机组断相事件

2006年8月，当主变压器R相断路器的支撑绝缘子顶部的连接电缆松动时，发生了断相工况，但主控室操纵员没有收到由于断路器故障导致断相工况的指示信号。这引起了主发电机相间不平衡保护动作、汽机跳机以及反应堆自动紧急停堆。事件发生后，运行人员巡检开关站，在很短的时间内目视发现了断相工况。运行人员发现主变压器只有两相供电。

故障发生在主变压器开关站侧，是由绝缘子环状转动接触金具被烧坏造成的。两列并联切换断路器安装在母线和变压器连接的上游(开关站侧)。发电机跳闸后，低电压继电器无法监测出断相情况，断相相的电压可以由未断相的另外两相合成，或变压器高/低压侧的主发电机产生。电站没有配备能在发电机跳闸后监测出断相工况的电气保护。

(6)Koeberg核电厂断相事件

2005年11月，Koeberg核电厂在1号机组换料大修期间倒闸操作时，为了给新的厂用变压器供电，所有400 kV母线间隔切换到备用母线上运行，2号机组并网并给厂用设备供电。此外，一台400/132 kV耦合联络变压器运行于1 A母线。由于A母线分段断路器断开，2号机组的输出经过母线1 A的1号分段母线。由于母线1 A的1号分段隔离开关A相存在隐藏的开路，2号机组A相输出转移，通过400/132 kV 1号耦合联络变压器转移到132 kV母线，然后从400/132 kV 2号耦合联络变压器回流到400 kV母线，导致发生了不平衡工况。这种不平衡工况触发了1号耦合联络变压器后备接地故障保护动作跳闸。之后Acacia 400 kV线路跳闸。随后，2号耦合联络变压器后备接地故障保护动作跳闸，另外两条400 kV线路也跳闸。所有这些断路器都在五秒钟内跳闸，五秒钟后2号机组跳闸。

该事故发生的原因在于在倒闸操作前，不知道母线1 A的1号分段隔离开关A相存在隐藏的开路。母线1 A的1号分段隔离开关A相触头没有完全闭合，留下一个10 cm的间隙，2号机组输出通过了这个故障的分段隔离开关。

3 国内核电厂断相事件经验反馈

方家山核电厂发生过一次断相工况，500 kV GIS设备三相联动的隔离开关、分合闸开关指示器在运行期间出现过ABC三相不能同步分闸的缺相故障，后续改造方案将原来只设计在A相的开关状态反馈增加为ABC三相分别设置开关状态反馈。

4 总结

本文综述了国内和国外核电厂的断相事件经验反馈，总结出以下易发生断相事件的位置，如表1所示。

表1 核电厂运行反馈断相事件及发生断相事件的位置

5 改进建议

上述总结的发生断相事件的位置，对正在运行的核电厂以及规划建造的核电厂都具有借鉴作用。为避免类似事件再次发生，本文提出以下两方面改进建议：

(1)在核电厂日常巡检中，可将上述易发生断相的位置加到巡检流程中，作为日常巡检的一部分。巡检员在巡检过程中，应重点关注上述易发生的断相位置，避免类似断相事件的发生。

(2)可在易发生断相事件的位置投入能够监测断相事故的电气设备，并将监测信号送到主控室，以便操纵员及时发现断相事故，避免断相故障范围的扩大。

(3)将只在A相设置开关状态反馈增加为在ABC三相分别设置开关状态反馈。