AP1000机组孤岛模式下厂用电切换的现状与改进方式

浙江省三门县三门核电有限公司 张 超

1 背景

AP1000厂用电有六段中压母线，中压1段和中压2段具有纵深防御功能，配有备用柴油发电机，具备自动带载功能。中压3段至6段为主泵及常规岛负荷供电。六段中压母线与厂变、辅变低压绕组相连。厂变高压侧与主变低压侧、主发电机相连，并装设发电机出口断路器，主变高压侧与500kV 开关站相连。辅变高压侧与220kV 开关站相连。500kV 开关站采用3/2接线，两个完整串，两回线路与电网相连。220kV 开关站采用双母线接线，有一回线路与电网相连。

厂用电电源包括正常电源、优先电源、辅助电源和备用电源。正常电源来自主发电机；主发电机未并网由主变为厂用电供电时为优先电源；主变检修期间，厂用电由辅变供电称为辅助电源；核岛中压母线由备用柴油发电机供电时称为备用电源，此时常规岛中压母线失电。

2 问题的引出

2.1 厂用电运行方式

优先电源与辅助电源之间通过快速切换（以下记为快切）、残压切换（以下记为残切）与手动并联切换来实现，其中快切和残切由主变、厂变故障后由保护装置触发，只能用于优先电源切换至辅助电源，手动并联切换是双向的；优先电源与辅助电源均失去，记录为厂外电事故，备用柴油发电机会自动启动并为该岛中压母线供电。四种电源的使用顺序是：正常电源→优先电源→辅助电源→备用电源。

2.2 主发电机孤岛模式的产生

主发电机运行期间，主变高压侧中性点零序电流过流、主发电机失步等异常，保护会断开主变高压侧500kV 断路器，使主发电机进入孤岛运行模式。发电机出口断路器不断开，只带厂用电运行。当电网异常恢复并具备主变并网条件时，500kV 开关站断路器通过同期重新并网。厂用电使用正常电源时有并网和孤岛两种模式。孤岛模式后的厂用电运行方式如图1所示。

图1 孤岛模式后的厂用电运行方式（部分）

孤岛模式下如果关键敏感设备（SPV）无法运行，主发电机将解列，厂用电丧失正常电源。从图1中看出，目前没有合适的厂用电切换至辅助电源的措施，期间会造成厂用电失电，对机组的停堆响应、汽轮机打闸惰转运行产生干扰。为此，本文将着重探讨如何解决孤岛模式下的厂用电切换。

3 厂用电切换方式

AP1000厂用电从优先电源至辅助电源之间，有快切、残切与并联切换三种方式。本节将通过分析影响切换成功的判据，找到厂用电切换的改进方法，为孤岛模式下厂用电切换提供解决方案。

3.1 同期切换的判据

3.1.1 快切判据

快切与残切都是自动切换，当主变、厂变及其高低压侧电气设备发生故障时，由发电机保护或主变保护动作后触发，将厂用电切换至辅变。残切作为快切的备用，当快切失败，中压母线由残切恢复供电。两种切换方式均无法手动触发，只能从优先电源切换至辅助电源。核岛中压母线接线如图2所示。

图2 核岛中压母线接线

快切过程中断路器M1与断路器M2分别接到保护装置的触发信号，同时执行分闸、合闸，间隔为100ms，不会导致厂用电失电。允许快切的同期判据为：两个电源测量PT1 与PT2 之间的电压差＜10%Un，频差＜0.05Hz，相位差＜20°。机组满功率并网运行期间，机组频率与电网一致，相位角约为14°，满足快切条件。切换后，电压恢复为额定电压，中低压母线带载电动机能继续运行。

3.1.2 手动切换判据

主变计划停电前将厂用电从主变带载切换至辅变带载。主变与辅变虽然电压等级不同，但辅变所在电网与主变所在电网通过变压器产生了电磁联系，属于同源网络。能满足同期判别的电压差、频差与相位差条件。

无论是自动切换还是手动切换，影响同期判别的因素只在于频差与相位差，并且这种同期与主发电机并网、备用柴油发电机并网不同，不依赖调速系统调节转速或电压满足压差、频差和相位差。只要属于同一电网，两个电源点就能满足频差。通过变压器的调压装置能满足压差。而相位差是在设计阶段根据电网潮流计算确定的判据，属于不可控制的。优先电源与辅助电源之间的快切与手动切换能否满足同期判据，只依赖于两个电源点是否同源。

3.2 残切动作方式

快切失败时断路器M1因保护触发动作断开，母线电压持续下降，达到75%额定电压时，会延时3s触发中压母线扫负荷，将所有中压母线、负荷中心母线带载电动机跳开，当母线电压达到30%额定电压时，保护装置触发断路器M2合上，母线电压恢复。此时核岛中压母线使用柴油机带载逻辑，触发负荷自动带载。而常规岛中压母线只有断路器M2与断路器LBK 合闸，其余断路器M1、电动机断路器MBK 及负荷中心母线断路器LMBK 均断开。

核岛中压母线电压低于75%额定电压时，会触发备用柴油发电机自动启动。当残切成功后，受测量PT2有电闭锁，备用柴油发电机保持空载运行。只有当测量PT1与PT2均无电时，备用柴油发电机出口断路器DBK 才允许合闸并执行自动带载程序。仪控系统中有允许快切投运的软操按钮，当快切退出时，残切也一并退出。确保了残切在设计上作为快切的备用。

4 孤岛模式下电源切换方式

4.1 同期判据在孤岛模式下的状态

孤岛模式下，主发电机输出功率由厂用电决定，各中压母线所带负荷不同，导致各中压母线的潮流分布产生差异。此时辅变依然处于空载状态，各中压母线PT2测量点的相位是相同的。厂用电与辅变此时不是同一电网，因此频差与相位差必然不能满足要求。将主发电机转速调节至同步转速后，电网频率波动较小，可以认为频差也满足要求。

孤岛运行期间，同期允许信号小于700ms，周期长度也会随着频差的变化而发生变化，这个过程是无法进行控制的。进入孤岛运行且出现故障使优先电源丧失时，一定会出现快切触发命令，如果此时同期允许信号正好存在，将会允许M2断路器合闸，而信号触发及断路器合闸时间共计160ms，也就导致断路器合闸时相位差已不满足要求，此时会造成断路器M2因相位差过大而产生过电流，对母线带载电动机造成电流冲击。最严重的情况是180°反相位合闸，此时会导致进线断路器M2跳闸，使母线失电。

4.2 孤岛模式下的人为干预

机组进入孤岛模式后，根据分析，快切功能需要闭锁，导致残切功能同时被闭锁。因机组停运导致母线失电，而辅变测量点PT2处有电，备用柴油发电机会自动启动，但出口断路器DGBK 无法合闸。如不采取人为干预，会导致母线失电且备用柴油发电机无法并网带载的全厂失电工况。此时反应堆将丧失强迫循环及自然循环，只能依靠非能动冷却系统将反应堆置于安全状态。在辅变仍有电的情况下，这是不合理的。

目前应对孤岛运行的异常运行规程中，主控室人员需要第一时间安排运行值班员将核岛中压母线测量点PT2的二次回路断开，防止备用柴油发电机无法自动带载。然后将6段中压母线的快切允许信号置于闭锁状态。此时如果发生机组无法运行的工况，核岛中压母线仍能通过低电压信号启动备用柴油发电机并进行带载，常规岛中压母线失电后通过辅变断路器M2手动恢复供电。

5 厂用电切换功能待改进方式

5.1 断路器M2增加同期装置

孤岛运行期间，断路器M2属于电网并网点，通过增加专设的同期装置，调节汽轮机转速和发电机机端电压，使断路器M2两侧的压差、频差和相位差满足同期条件，然后再执行手动并联切换，在断路器M2合闸后200ms 后自动断开断路器M1。主发电机在200ms 内与220kV 电网并联，但汽轮机控制系统此时仍判断汽轮发电机机处于空载状态，气门开度会维持固定开度。不会发生主发电机通过中压母线向220kV 电网发电的可能性。增加同期装置后，确保孤岛模式下的厂用电切换不会导致中压母线失电，主泵不停运，仍能维持一回路强迫循环将反应堆热量导出至二回路，有利于反应堆的安全运行。

5.2 修改残切功能

快切的触发判据：变压器保护动作与同期条件满足与测点PT2有电与快切软操按钮置于可用。残切的触发判据：母线电压低于30%额定电压与测点PT2有电与完成扫负荷与快切软操按钮置于可用。

孤岛模式下，快切功能必然不能使用，但通过残切将核岛中压母线恢复至自动带载状态，有利于一回路建立自然循环，恢复核岛及汽轮机安保电源，并且还有备用柴油发电机作为备用。有助于提高反应堆安全。从判据条件可以看出，将快切软操按钮置于可用从残切的判据中取消，不影响残切作为快切备用的功能。母线手动停电时，断路器M2会在停电前置于试验位，合闸回路电源会断开，残切触发也无法合上。因此取消快切软操按钮的判据是可行的。

5.3 两种方案的对比

增加同期装置的方案需要增设一台同期装置，需要具备调节励磁电压和汽轮机转速的功能，采集六段中压母线的母线电压及测量PT2处的电压，可以向六段中压母线断路器M2发出合闸命令的接线，新增回路共需要40根电缆。优点是孤岛模式下可以使用并联切换，不会导致中压母线失电。缺点是会产生设备费用，对现有设备的二次回路接线影响大，并且只在孤岛模式下起作用。

修改残切功能只需要对现有保护装置内的逻辑进行修改，不会产生设备费用。既能确保孤岛模式下机组能建立自然循环，减少常规岛电源恢复的时间，又能减少事故工况下人为干预措施，使运行人员能专注于反应堆安全。同时，这种修改也适用于非孤岛模式。缺点就是孤岛模式下必然会经历中压母线失电。

对比两种方案，增加同期装置是维持孤岛模式下将厂用电转移至辅助电源的有效措施。孤岛模式下SPV 设备发生故障后，修改残切功能是防止全厂失电工况的有效措施。两种方案是互为补充的。从变更实施的难易程度及产生费用的角度考虑，应先实施残切功能修改，机组运行积累经验后，再实施增加同期切换装置。

6 结语

AP1000机组孤岛模式下，因受限于非同源电网的同期不可用，残切功能被闭锁，厂用电缺少向辅助电源切换的功能，人为不干预的情况下，如果发生SPV 设备故障，将会导致全厂失电，丧失纵深防御功能，只能通过非能动堆芯冷却系统将反应堆热量导出。

通过分析现有厂用电的快速切换、残压切换与手动切换的实现方式，得出非同源电源无法在孤岛模式下手动进行切换，提出了增设断路器M2的同期装置使厂用电能不停电的切换至辅助电源；分析出现有残切功能被快切无法使用闭锁，提出了修改残切功能使孤岛模式下发生机组无法运行时，使厂用电通过残切切换至辅变带载的方法。对比两种互为补充的方案，根据实施的难易程度，提出了可行的改进方式，能有效解决孤岛模式下厂用电无法向辅助电源切换的问题。