国内三代核电厂中压系统接地方式优化研究

纪秀艳,刘爱芬,张瑞萍,钟丽波,魏 巍

(1.华龙国际核电技术有限公司，北京 100036；2.国网沈阳供电公司，辽宁 沈阳 110003)

中压交流电力系统稳定运行对于国内三代核电厂具有至关重要的作用，中压交流电力系统发生单相接地故障时，采用不同的接地方式,相对应的故障电流、过电压均存在差异。如果中性点接地方式选择不当，将导致非故障相设备绝缘击穿发展成相间短路故障、造成设备损坏、中断，影响核电厂中压厂用电系统正常运行造成停机停堆等后果。所以，应结合核电厂总体安全要求和电气系统安全要求综合考虑。选择适当的接地方式，以保障核电厂安全可靠运行[1-2]。

目前，我国比较典型的核电厂三代堆型主要有EPR、AP1000、华龙一号堆型，EPR核电厂中压系统采用不接地的方式，AP1000核电厂中压系统采用低阻接地方式，华龙一号核电厂中压系统采用经消弧线圈接地方式。本文针对以上各种接地方式进行对比，提出国内三代核电厂中压系统接地方式优化建议[3-4]。

1 EPR核电厂中压系统接地方式分析

EPR核电厂中压系统计算电容电流大于10 A时，中性点采用不接地方式，系统在正常运行时，中性点只有较小的三相不平衡电压，与地电位近似相同。系统任意回路发生单相接地故障时，中压系统各支路电容电流的流向、电压与电流相量关系如图1所示。

图1 中压系统各支路电容电流的流向电压与电流相量关系

2 AP1000核电厂中压系统接地方式分析

AP1000核电厂中压系统计算电容电流大于10 A，中性点采用经低电阻接地的方式。系统在正常运行时，中性点只有较小的三相不平衡电压，与地电位近似相同。系统任意回路发生单相接地故障时，接地短路电流将通过电阻构成回路，与不接地方式相比，故障电流显著增加，使继电保护装置能灵敏迅速动作，第一时限将故障回路从中压系统中切除，如果故障线路未跳开，可以通过第二时限跳开为该段母线供电的总进线回路开关，切除故障回路及该段母线上的其他配电回路，通过调整中性点接地电阻能限制单相接地电流。AP1000核电厂中压系统采用中性点经低电阻接地方式，满足目前国内相关规范要求及AP1000核电厂对供电可靠性的要求[8-10]。

3 华龙一号核电厂中压系统接地方式分析

华龙一号核电厂中压系统接地电容电流大于10 A，采用中性点经消弧线圈(随调式)接地方式。系统在正常运行时，消弧线圈处于离线状态，中性点电压及系统电容电流等同于中性点不接地方式，当消弧线圈控制系统检测到单相接地故障时，将消弧线圈迅速投入，用来补偿接地电容电流，使故障回路在限定时间内带故障运行，以提高重要回路持续供电的可靠性。系统任意回路发生单相接地故障时，中性点电压将升高为相电压，方向与故障相相电压相反，消弧线圈在中性点故障电压作用下产生电感电流，滞后于故障电压90°，中压系统接地故障及系统接地故障相量如图2所示。

图2 系统接地故障及系统接地故障相量

中性点的消弧线圈与系统的分布电容组成谐振电路如图3所示。

图3 消弧线圈接地系统发生接地故障时等效电路

补偿后残余的故障电流Id为

(1)

华龙一号核电厂中压系统中性点采用消弧线圈过补偿的接地方式(ωL<1/3ωC)，补偿后，可以将残余的故障电流Id控制在较小范围内，不超过10 A，使接地故障相恢复电压的初速度和幅值均降低，达到熄灭故障电弧的目的。华龙一号核电厂中压系统中性点接地方式满足国内相关规范及(RCC-E—2005)压水堆核电厂核岛电气设备设计和建造规则的要求，这种接地方式需要增加消弧线圈、二次电阻及控制装置，运行方式、控制逻辑、接地保护配置比较复杂。

4 中压系统接地方式优化分析

华龙一号堆型和EPR堆型均有安全级中压用电负荷，并配置了安全级应急柴油发电机组为中压系统供电，使中压系统在任何工况下都能保证对安全级中压用电负荷可靠供电。所以，在发生单相接地故障时，希望使故障回路在限定时间内带故障运行，有利于核安全设施连续供电，华龙一号和EPR堆型中压系统采用中性点不接地方式或经消弧线圈接地方式较适合。AP1000堆型的安全功能不依赖于中压系统，所以当中压系统发生单相接地故障时，无需带故障运行，AP1000核电厂中压系统计算电容电流大于10 A时，保护装置第一时限跳开故障回路，避免单相接地产生过电压，对核安全无影响或影响较小，所以中性点采用低电阻接地的方式较适合。几种接地方式发生接地故障时的主要性能对比如表1所示。

表1 中性点各种接地方式的比较

5 结论

经过以上核电厂中压系统接地方式分析，接地方式除了按照电容电流计算结果选择外，还要考虑核电厂本身对供电可靠性的要求，对于供电可靠性要求较高的核电厂，接地故障直接跳闸会对核安全产生影响，不直接跳闸又存在故障范围扩大的风险，综合各种接地方式的优缺点，对于国内三代核电厂中压系统接地方式提出以下几点建议。

a.计算电容电流不超过10 A的中压系统母线，对于新建供电可靠性要求较高的核电厂，建议采用不接地的方式，不需要增加接地设备，既提高了经济性，又提高了供电可靠性。

b.计算电容电流已经超过10 A的中压系统母线，对于新建供电可靠性要求较高的核电厂，建议结合供电可靠性及单相接地故障危害等因素，对母线上所带负荷逐个分析，若该段母线上任一回路发生单相接地故障时对核安全无影响或影响较小，该段母线可采用低电阻接地方式，使故障回路在第一时限内被切除。若该段母线上涉及专设安全设施中压用电负荷，应进行技术经济比较，采用其他接地方式，当采用经消弧线圈过补偿接地方式时，由于在接地点接地故障电流中增加了一个感性电流分量，使接地点的故障电流由容性变为感性，使电弧容易自熄，避免了故障电弧引起的危害，但由于这种接地方式需要增加相应的设备，所以在设计阶段，应详细论证其运行可靠性，避免实际运行时因设备或控制逻辑等问题造成供电可靠性降低。

c.对于新建供电可靠性要求不高，接地故障直接跳闸对核安全无影响或影响较小的核电厂，建议电容电流不超过10 A的中压系统母线采用不接地方式，电容电流超过10 A的中压系统母线采用低电阻接地的方式。

d.对于已运行的核电厂，结合上述几点建议进行相应的改造，消除因接地故障引起的安全隐患。

e.在工程设计阶段，对各段配电母线上的配电线路进行合理分配，使中压系统母线的设计电容电流限制在30 A以内，若设计电容电流超过30 A，中压系统不应采用不接地的方式。

f.为有效限制单相接地故障范围的扩大，建议选用现有技术成熟的小电流接地选线装置进行首次单相接地故障的准确选择，以便于及时处理单相接地故障。在实际工程中，由于接地故障的复杂性、线路不平衡电流与零序电流互感器误差等因素的影响，应根据实际工程情况将小电流选线装置工作原理进行有机结合，达到准确选线的效果。