核电厂高压电气断相故障仿真分析

齐宏伟，孙逸民，王 帆，田 野

(中广核仿真技术有限公司，广东 深圳 518031)

1 引言

近年来，国际核电站发生多起断相事故，如2012年1月30日，西屋公司(Westinghouse)设计的Byron核电站四环路压水反应堆(PWR)2号机组满功率运行时发生断相事故，导致反应堆冷却剂泵(RCP)母线发生欠电压，导致紧急自动停堆；2012年12月22日，由四部CANDU重水反应堆组成的Bruce A核电站停堆维修期间，发生断相事故致使维修冷却系统(MCS)泵在电气保护作用下跳闸，备用MCS泵多次启动却多次跳闸，致使丧失了维修冷却功能；2014年4月27日，拥有两部先进气体反应堆的Dungeness B核电站，外电网的一台400kV母线耦合器发生断相形成了开路，按计划实施电网切换操作后，使得仅剩两相为275kV本地系统供电，发生了电压失衡使得22号机组主发电机因负序保护跳闸，反应堆紧急停堆。WANO成员认为这些事件表明断相工况对核电站安全的挑战很重大，因为现有的典型电站母线和开关站保护系统可能不会监测到故障或者将元件从故障状态中切除[1]。国际上断相文章一般都是使用ETAP计算出电网断相后电压和电流变化情况，但是却对断相后核电站工艺系统及反应堆运行情况无法解释清楚。本文基于ETAP[2]软件和3KeyMaster[3]核电仿真软件两大软件对核电站发生断相特别是中高压系统断相后全厂运行情况进行建模计算分析，在国际上属首次，为WANO成员对断相事故分析，核电事故严重性分类以及对核电厂断相事故运行规程编写提供了重要依据。

2 电气断相事故分析原理(流程图表)

“断相事件”的定义是“长时间丧失某场外电气的三相之一(或之二)”。为消除某种故障而实施的电网切换属于暂时状况或瞬时状况，业内不视之为断相事件。现有的保护方案、主控室警报或目视检查都往往发现不了此类降级状况。断相状况有时会通过电厂内部件的征兆表现出来，比如母线电压三相不平衡[4，5]、丧失运行中的部件和无法启动备用设备——某些设备或许刚启动不久就出现停机或跳闸；而其它时候则好几天甚至好几周都未能发现某种断相状况。

电气断电监测故障开发流程如图1所示。

图1 电气断相开发流程

在接口开发上，发现3KeyMaster软件系统电机是单相的，经过分析和多种论证，得出需要开发出三相电机模型，将ETAP计算软件计算出的三相电压和相角输入給电机模块。三相电机模块算法流程图如图2。

图2 三相异步电机算法流程图[6]

经过开发和反复调试后建立模型如图3所示。

图3 三相电压平衡下Electrinet_3的计算结果

3 电气断相结果分析

电气断相模型建立后，只有准确的分析出断相后核电厂整体运行情况是否发生跳堆跳机等严重事故，才能够对核电厂实际运行及事故后运行有指导意义，才能对WANO对此故障分析有参考价值。而本文模型使用的是国内南方某地区核电厂一期经过了FUAT(出厂升级验收)测试的FSS(全范围模拟机)模型，其满负荷运行工况数据和启停机及故障测试都经过了测试操作员和业主反复测试和完善，并且经过了核电站业主验收，可以应用于操作员执照考取的稳定版本，在此平台进行的测试结果才能准确和具有参考性。

该核电厂一期工程由两台百万机组(24kV)经发变组单元(24/525kV)接线送至500kV母线，升压站经“一台半断路器”接线送出两回线路至外电网，500kV经由主变低压侧倒送电至两台厂用降压变压器(24/6.9kV)(GEV101TS和GEV201TS)，为机组启动及停运时的厂用电系统供电。由于设计院只有两个系统电机(RCP和APA)本体参数，因此对系统模型进行了适当简化，只针对这两个系统进行三相电机模型改造和调试，而系统母线下其它电机仍为单相电机模型，对断相试验测试厂用电重要系统影响分析有一定影响，但此分析仍具参考性。

某核电一期FSS满负荷运行工况下RCP和APA系统电机运行部分参数如表1所示。

表1 满负荷下APA和RCP电机的计算结果

某核电一期FSS满负荷运行工况RCP系统和APA系统画面参数图如图4图5所示。

图4 满负荷RCP系统DCS画面

电气断相后厂用电系统母线电压是根据断相故障点的位置不同，使用ETAP软件进行计算，将ETAP软件计算中母线电压输出为数据接口，作为某核电一期FSS仿真平台电气数据输入，将两种大型计算软件结合起来，进行建模仿真。ETAP软件计算结果可见图3。

1)建立模拟巷道精度验证绝对坐标系。首先使用手持式激光测距仪反复测量验证系统坐标系原点O，巷道中线在底面的投影作为验证系统绝对坐标系的X轴，其正方向为掘进机试验样机的掘进方向，Y轴方向由精密测角仪测量X轴顺时针偏转90°方向，Z轴为O点竖直向上方向。

根据断相位置，断相故障发生后的故障现象和重要保护装置是否投入的不同，有如下分析结果。

3.1 高压侧电气断相分析

分别选取500kV川宁I线A相，主变高低压侧A相断相，高厂变A高压侧A相断相，高厂变B高压侧A相断相这些故障发生开始的瞬间冻结FSS仿真模型，此时RCP和APA系统电机参数如下。

图5 满负荷APA系统DCS画面

图6 ETAP主变低压侧断相计算结果

500kV某宁I线A相断相后RCP和APA系统电机运行参数如表2所示。

表2 500kV某宁I线A相断相

主变高压侧A相断相后RCP和APA系统电机运行参数如表3所示。

表3 主变高压侧A相断相

主变低压侧断A相断相后RCP和APA系统电机运行参数如表4所示。

表4 主变低压侧A相断相

高厂变A高压侧断A相断相后RCP和APA系统电机运行参数如表5所示。

表5 高厂变A高压侧断A相断相

高厂变B高压侧A相断相后RCP和APA系统电机运行参数如表6所示。

表6 高厂变B高压侧断A相断相

500kV，主变高低压侧断相和高厂变高压侧断相故障发生后模拟机运行平稳以后RCP和APA系统画面截图如图7和图8所示。

图7 高压侧断相RCP系统画面

图8 高压侧断相APA系统画面

由上述满负荷工况、高压侧断相故障发生初始电机参数以及断相故障发生后模拟机平稳运行的DCS画面系统参数对比后有如下分析结果：

6.6kV中压厂用电配电盘下游负载RCP和APA系统电机过负荷和负序过流保护未投时：500kV某宁I线A相，主变高压侧和A相，高厂变A高压侧A相断相后，模拟机运行6分钟，机组仍能稳定运行，没有报警发出。在高厂变B高压侧断A相断相中，RCP002和003PO主泵转速下降至1482转，但RCP系统运行正常，没有报警发出。

6.6kV中压系统RCP和APA系统电机过负荷和负序保护投入后，500kV某宁I线A相，主变高压侧A相，高厂变A高压侧A相断相测试，模拟机运行6分钟，机组能够稳定运行，没有报警发出。高厂变B高压侧断A相断相中，RCP002和003PO主泵转速下降至1482转，但RCP系统运行正常，没有报警发出。主变低压侧断相测试中，RCP001/002/003，APA102PO/202PO负序过流保护动作跳闸，302PO在102PO和202PO保护动作跳开后启动，启动后负荷持续增加导致过负荷保护动作后跳闸。P8(核功率大于30%Pn)+主泵跳闸(1/3)导致反应堆跳堆，汽轮机跳闸，由于超高压断路器没有断开，500kV母线经主变、厂用降压变压器向6.6kV中压厂用电系统母线供电，因此柴油机也不会自动启动。DCS首出故障画面截图如图9所示。

3.2 中压侧电气断相分析

6.6kV中压厂用电配电盘下游负载RCP和APA电机过负荷和负序保护未投入时发生断相，主泵转速和功率开始下降，当主泵转速低于1393转，触发甩厂用电信号动作，断开超高压断路器，DCS发出1GPA247KA，GPA010KA，GPA001KA5报警。主泵转速继续下降当低于1365转时，P7+1365rpm(2/3)信号触发停堆停机。中压厂用电供电自动切换至辅助变LGR供电，LHP和LHQ柴油发电机均自动启动，但未带载。

LGA进线处A相断开瞬间冻结模拟机，此时记录电机参数及工况。

表7 LGA进线处A相断相

图9 DCS首出画面

断相后DCS报警画面最先出的报警截图如图10所示。

图10 报警画面GPA系统报警

断相故障发生至模拟机运行平稳后RCP， APA和RGL系统以及电气系统模型截图如图11至图14所示。

图11 LGA进线A相断相RCP系统

图13 LGA进线A相断相RGL系统

图14 LGA进线A相断相模型图

6.6kV中压厂用电配电盘下游负载RCP和APA电机过负荷和负序保护投入后，LGA分支A相断相后，RCP002PO和RCP003PO负序保护动作，P7(功率大于10%FP)+RCP002PO和RCP003PO主泵跳闸导致反应堆跳堆，汽轮机跳闸，因为超高压断路器没有断开，500kV母线经主变、厂用降压变压器向6.6kV中压厂用电系统母线供电，柴油机未启动。DCS首出故障画面截图如图15所示。

图15 DCS首出画面

总结：试验中包括LGD，LGE和LGF等系统进线A相断相都进行了测试，限于篇幅并未列写。根据文中列举的500kV线路、主变高压侧、主变低压侧、高厂变高压侧和LGA系统6.6kV进线A相断相等不同断相故障点，核电机组响应各不相同，中压6.6kV系统电机过负荷保护和负序保护投与不投等情况下，机组运行情况各不相同。虽然测试中有简化，但测试结果仍对发生断相故障后的机组运行及断相故障后续操作有指导意义，此项测试如有时间和电机参数，测试结果将会更加准确。

4 结论

本文应用某核电厂通过FUAT验收测试的稳定FSS数据平台进行了电气断相和频率异常分析，对WANO提出的电气断相问题进行了详细的分析，模型中由于数据原因只针对RCP和APA这两大主要系统进行了分析，分析结果与实际机组运行会有所偏差，但问题分析方法和仿真思路非常清晰，结合了ETAP[5]和3KeyMaster[6]两种大型计算软件，建立通讯接口，实现了核电站高中压电气断相的瞬态分析。对频率异常中低频和过频能力的分析，解决了电网调度对于核电站调频调峰能力的调研，对于将来在南方电网中使用核电站来调节电网稳定做了良好铺垫和分析，对实际电网调度有重要指导作用。通过本文列举的两种应用，证实了仿真技术在核电厂高中压电气瞬态分析中也同样有重要作用，对仿真技术方向拓展和应用，提出了新思路和深度，能够推进仿真技术应用的进一步发展，更好的指导实际核电站机组运行和电网调度。