核电厂辅变空载运行期间辅助电源单相断相故障特征分析及应对措施

魏 巍，彭 钰

核电厂辅变空载运行期间辅助电源单相断相故障特征分析及应对措施

魏 巍1，彭 钰2

（1. 华龙国际核电技术有限公司，北京 100037；2. 中国矿业大学（北京），北京 100070）

目前，国内和国外的核电厂设计基准只考虑了电压完全丧失对于核电厂运行的影响，而忽略了断相故障对于核安全的挑战。辅助变压器在空载运行状态下发生断相故障时电气量十分微弱，因此如何检测并判别断相是核电厂中最为关心的问题。本文重点研究辅助变压器空载时的断相故障，结合对称分量法和变压器原理分析了辅助变压器空载运行状态下高压侧发生单相断相时的电气参数特征，运用ETAP软件建立了“华龙一号”核电厂厂用电系统仿真模型并进行了仿真分析。基于理论分析和仿真分析的结果，提出了辅助变压器空载时高压侧发生单相断相故障的应对措施，提高了厂外辅助电源的供电可靠性，有利于核电厂安全有序的运行。本文中辅助变压器空载状态下高压侧发生断相故障的电气参数特征研究分析结果对于辅助变压器断相保护方案的配置和断相保护设备的研发都具有指导意义。

核电厂；辅助变压器；断相故障；电气参数特征；应对措施

近些年来，国际上关于核电厂断相故障的反馈越来越多，断相对于核安全的影响也日益受到关注[1,2]。在核电厂正常运行时，厂用电负荷由发电机经高压厂用工作变压器供电，辅助变压器此时是热备用，处于空载状态。当发电机和500 kV厂外主电源同时丧失，或由于主变、高压厂用工作变或其他故障，引起发电机出口24 kV母线失去电压时，常备厂用母线切换到厂外辅助电源供电，进行相应的停堆操作，此时辅助变压器处于带载状态。若核电厂在正常运行方式下，辅助变压器回路的断相故障未能被及时检测，一旦发电机母线失去电压需切换至厂外辅助电源供电，随着带载率的逐渐增加，电压和电流的不平衡程度也逐渐增加[3]，会导致运行中的安全级设备跳闸，同时备用安全级设备也无法启动实现安全功能，以至于核电厂不能安全停堆，甚至可能引发严重的后果[4]。因此，在辅助变压器空载时就检测出断相故障，才能保证辅助电源的有效性。

国际原子能机构（IAEA）和美国核管理委员会（NRC）都将断相故障定义为核电厂薄弱项进行研究，目前处于初步研究阶段[5]，并无完备的解决措施。现有的核电厂设计中也没有充分考虑到辅助变压器空载状态下断相故障的检测方法和保护方案。针对以上情况，本文重点对辅助变压器在空载状态下高压侧发生断相故障时的电气参数特征开展定量分析，研究如何利用特有的电气参数特征提出断相故障检测方法及应对措施。本文的研究分析结果对于辅助变压器断相保护方案的配置和断相保护设备的研发都具有指导意义。

1 辅变空载运行断相故障理论分析

利用对称分量法[6]对辅助变压器空载运行状态下高压侧A相发生断相故障进行定量分析。核电厂辅助变压器常用联结组别为YNd和YNy+d，在分析时原理相同，故本文以YNd联结组别来举例分析。

假设在接线为YNd的辅助变压器高压侧、处发生A相断相，则特殊相是A相，如图1所示。断相故障处的边界条件见公式（1）。

图1 辅助变压器高压侧A相断相

A 相断相边界条件用序分量表示有如下关系：

将A相的各序网络接成复合序网，如图2所示。

图2 复合序网

1.1 断相故障下的电流特征分析

1.1.1 序电流特征分析

由复合序网可得出断相处各序电流为：

式（8）中的正序电流包含负荷电流，因此由A相发生断相故障产生的正序电流为：

对于A相正序电流，令

可得到与的函数关系如图3所示。

对于A相负序电流，令

图4 y2函数

对于A相零序电流，令

图5 y0函数

综上所述，断相故障发生后，特殊相A相的正序、负序、零序电流幅值均小于断相故障发生前流过此相的负荷电流值，且正序、负序、零序电流幅值大小与系统正序阻抗与零序阻抗的比值有关。

根据GB/T 6451—2015《油浸式电力变压器技术参数和要求》中规定的变压器性能参数，220 kV三相双绕组电力变压器空载电流与变压器容量关系如表1所示。

核电厂辅助变压器处于热备用空载运行工况时，变压器高压侧负荷电流为变压器空载电流。以额定容量为50 MVA的辅助变压器为例，220 kV侧额定电流约为131.22 A，空载电流约为0.682 A，此时若220 kV侧发生A相断相故障，按照上述分析的结论，断相相A相的正序电流幅值范围为0.341～0.682 A，负序电流幅值范围为0.341～0 A，零序电流幅值范围为0～0.682 A；正序电流的变化范围为0.341～0 A，负序电流的变化范围为0.341～0 A，零序电流变化范围为0～0.682 A。

表1 空载电流与变压器容量关系

若各序阻抗角相同，则非断相相电流绝对值可化简为：

对于B、C相相电流绝对值，令

可得到与的函数关系如图6所示。

1.2 断相故障下的电压特征分析

1.2.1 序电压特征分析

由图2复合序网可得到断相故障后各序电压为：

断相的断口处、间电压为：

断相故障发生前辅助变压器高压绕组上的电压为：

断相故障后辅助变压器高压绕组上的正序电压为：

断相故障后辅助变压器高压绕组上的负序电压为：

对于变压器A相高压绕组上的正序电压，令

对于变压器A相高压绕组上的负序电压，令

所以，断相故障后变压器高压侧绕组上的零序电压为：

1.2.2 相电压特征分析

综上所述，联结组别为YNd11的辅助变压器在高压侧发生单相断相时，断相相的电压会被重建，即与断相前的电压相同。

2 辅变空载运行断相故障仿真分析

本文根据某核电厂的现有数据，利用ETAP软件建立了某核电厂厂用电系统的仿真模型，在不影响仿真结果的情况下，对系统进行了简化和等效，在此模型基础上对辅助变压器空载状态高压侧发生断相故障进行仿真分析。

2.1 仿真建模

现对该仿真模型的参数进行简要说明。仿真模型的电源参数如表2所示。

表2 电源参数表

仿真模型的变压器参数如表3所示。

表3 变压器参数表

每段中压母线的负荷采用等效负荷模型，功率因数为0.85，等效负荷模型的参数如表4所示。

表4 等效负荷模型参数表

利用ETAP软件对某核电厂厂用电系统建立仿真模型，如图7所示。

图7 核电厂仿真模型

2.2 仿真分析

在核电厂正常运行时，辅助变压器处于空载状态，对此工况下的仿真模型进行仿真分析。以1#辅助变压器为例，空载运行时高压侧的电气参数如表5和表6所示。

表5 辅助变压器空载运行时高压侧的相电压

表6 辅助变压器空载运行时高压侧的相电流

现对1#辅助变压器高压侧A相在不同位置发生断相故障进行仿真分析，位置1在变压器高压套管及相近位置，位置2在架空线进线处。断相仿真后高压侧相电流和序电流如表7和表8所示。

表7 辅助变压器空载运行高压侧发生A相断相的高压侧相电流

表8 辅助变压器空载运行高压侧发生A相断相的高压侧序电流

1#辅助变压器高压侧发生A相断相故障后的相电压和序电压如表9和表10所示。

表9 辅助变压器空载运行高压侧发生A相断相的高压侧相电压

表10 辅助变压器空载运行高压侧发生A相断相的高压侧序电压

通过以上仿真结果可以看出，电气参量的幅值和变化范围均在上述理论分析范围内。在辅助变压器高压侧不同位置进行断相故障仿真，电气参量数值不同，说明断相后的电气参量与断相所发生的位置及系统的正序阻抗与零序阻抗比值有关。

分别改变系统的正序阻抗、负序阻抗、零序阻抗、辅助变压器容量、断相位置，进行多次仿真，均与本文的理论分析一致。

3 应对措施

（1）采用高精度的电流检测装置。空载运行状态下的辅助变压器，发生断相故障前后电流的变化量以及故障后的电流均为毫安级，普通电流互感器无法检测，可以采用小电流光学电流互感器，其最小检测电流达到50 mA级别，检测精度也可以满足要求，可以检测出故障前后的电流变化，以此判断断相故障的发生。另外，可以根据本文研究的电气参量变化范围研制新的电流检测装置。

（2）在辅助变压器接地中性点注入非工频的电流信号，通过注入电流互感器将该信号注入到变压器的零序回路中，通过检测非工频电流信号的变化特征，并结合故障前后电压等特征做复合判据，实现断相故障的判别。

（3）可以结合电压、电流两种参数综合考虑，即通过功率的变化来检测断相故障的发生。断相故障发生后，辅助变压器高压侧故障相相电压不变，电流降为零，即有功功率呈下降趋势。同时，非故障两相电压不变，电流升高，有功功率呈上升趋势。因此，可以以故障前后功率的变化及故障前后电压的特征作为复合判据提出新的判断逻辑，来辨别断相故障。

4 结论

本文重点对辅助变压器在空载状态下高压侧发生断相故障时的电气参数特征开展定量分析，并运用ETAP软件进行了仿真验证，得出以下结论：

（1）辅助变压器在空载运行状态下高压侧发生断相故障后，故障相的相电流、各序电流、非故障相的相电流与故障前相比，变化量十分微弱，为毫安级，传统的电流检测方案不能有效检测。受变压器的联结组别影响，断相故障后，故障相的相电压将被重建，同时序电压变化也十分微弱，传统的电压检测方案也不能有效检测。断相故障将持续存在，不易被发现，给核电厂的安全运行带来隐患。

（2）在辅助变压器高压侧的不同位置发生断相故障时，电气参量数值不同。因此，在发生断相故障时，电气参量特征不仅与正序阻抗与零序阻抗的比值有关，还与断相故障所发生的位置有关。

（3）针对辅助变压器在空载运行状态下高压侧发生断相故障后特有的电气参数特征提出了应对措施，以实现电气参数变化量微弱前提下的故障判别。

（4）本文对辅助变压器在空载运行状态下高压侧发生断相后各电气参数进行了定量分析，该研究分析结果对后续断相保护方案的配置和断相保护设备的研发都具有指导意义。

［1］ 魏巍，孟佳，刘爱芬，等. 国内外核电厂断相事件经验反馈分析总结及改进建议［J］. 有色设备，2020，34（06）：59-62.

［2］ 时谊，陈海龙，丘慧龙，等. 核电站辅助变压器缺相保护研究［J］. 电测与仪表，2018，55（11）：132-136.

［3］ 尚一凡，谢金平，彭雄伟，等. 核电厂辅助电源断相的仿真分析与对策研究［J］. 产业与科技论坛，2020，19（23）：34-38.

［4］ REACTOR SAFETY COMMISSION，Faults in One or Two Phases of the Main，Standby or Emergency Grid Connection［EB/ OL］. (2018-04-03). http://www.rskonline.de/sites/default/ files/reports/epanlagersk467hpen.pdf.

［5］ 张奇，孔静，陈子溪. 国内M310核电厂厂外220 kV备用电源单相断线故障对核电厂安全级电气系统的影响分析［J］. 核科学与工程，2021，41（3）：527-532.

［6］ 李光琦. 电力系统暂态分析［M］. 北京：中国电力出版社，1995.

Characteristic Analysis and Countermeasures of Single-phase Open Phase Fault of Auxiliary Power Supply during No-load Operation of Auxiliary Transformer in Nuclear Power Plant

WEI Wei1，PENG Yu2

（1. Hualong Nuclear Power Technology Co.，Ltd.，Beijing 100037，China；2. China University of Mining and Technology - Beijing，Beijing 100070，China）

At present, the design basis of nuclear power plants at home and abroad only considers the impact of the complete voltage loss during the operation of the nuclear power plant, while ignoring the challenge of open phase failure to nuclear safety. When the auxiliary transformer has a phase failure under no-load state, the electrical quantity is very weak, so it is the most concerned open phase problem in nuclear power plant. This paper focuses on the open phase fault of the auxiliary transformer under no-load condition. Combined with the symmetrical component method and transformer principle, the electrical parameter characteristics of single-phase open phase on the high-voltage side of the auxiliary transformer under no-load condition are analyzed. Using the ETAP software, the simulation model of the power system of HPR1000 nuclear power plant was established and the simulation analysis was carried out. Based on the results of theoretical analysis and simulation analysis, the countermeasures of single-phase open phase fault on the high-voltage side of the auxiliary transformer are put forward, which improves the power supply reliability of the auxiliary power supply outside the plant and is conducive to the safe and orderly operation of nuclear power plant. The study and analysis results of the electrical parameter characteristics of the open phase fault on the high voltage side of the auxiliary transformer under the no-load state have guiding significance for the configuration of the open phase protection scheme of the auxiliary transformer, and the R&D of the open phase protection equipment.

Nuclear power plant; Auxiliary transformer; Open phase fault; Electrical parameter characteristics; Countermeasures

TL48TL421

AA

0258-0918（2023）03-0686-09

2022-04-07

魏 巍（1987—），女，吉林辽源人，高级工程师，硕士研究生，主要从事核电厂核岛电气设计方面研究