AP1000核電機(jī)組10kV 中壓電動機(jī)溫度測量與保護(hù)方案

肖長歌 ，卓德勇，吳超峰

（1.國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院，北京市 100095；2.華電滕州新源熱電有限公司，山東省滕州市 277500）

0 引言

AP1000第三代核電技術(shù)是當(dāng)今世界上較為先進(jìn)的核電技術(shù)，在儀表和控制系統(tǒng)方面應(yīng)用了許多先進(jìn)的技術(shù)，如全數(shù)字化分散控制系統(tǒng)（distributed control system，DCS）和現(xiàn)場總線技術(shù)等［1］。AP1000的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計中，全數(shù)字化的DCS系統(tǒng)主要是基于Common Q平臺和Ovation平臺，以實現(xiàn)安全系統(tǒng)和非安全系統(tǒng)的控制和保護(hù)［1］。另外，在非安全系統(tǒng)中大規(guī)模采用了現(xiàn)場總線技術(shù)，主要包括Hart、Profibus DP 和Modbus TCP／RTU等。全廠控制系統(tǒng)技術(shù)的先進(jìn)性已經(jīng)達(dá)到了國內(nèi)同容量火電機(jī)組的水平。

基于這種控制水平，與DCS接口的所有現(xiàn)場設(shè)備須完全與之匹配，西屋公司也提供了與之相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范文件［2－3］，其中就包括10kV 電動機(jī)的繞組和軸承的溫度監(jiān)視、控制和保護(hù)策略。

作為核電廠的重要設(shè)備，10kV 電動機(jī)對核電廠的安全運(yùn)行具有重要作用。在AP1000核電站的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計中，10kV 中壓電動機(jī)的溫度監(jiān)視和保護(hù)策略與我國已有核電站以及常規(guī)火電站的常規(guī)設(shè)計理念有較大差別，需要對其進(jìn)行論證。本文從技術(shù)先進(jìn)性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等幾個角度，闡述10kV 電動機(jī)溫度測量和保護(hù)方案。

1 10kV電動機(jī)溫度測量和保護(hù)方案

1.1 溫度測量元件的設(shè)置及功能

根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)定和生產(chǎn)廠商的要求，10kV電動機(jī)本體需要進(jìn)行溫度測量的部位主要為電動機(jī)繞組和電動機(jī)軸承金屬。

1.1.1 電動機(jī)繞組溫度測量

電動機(jī)繞組溫度測量的目的是監(jiān)視電動機(jī)在運(yùn)行過程中的繞組溫度，在必要時采取保護(hù)措施，防止在電動機(jī)電流過大、散熱不良的情況下，由于繞組溫度過高導(dǎo)致電動機(jī)損壞，進(jìn)而影響電廠系統(tǒng)運(yùn)行。

電動機(jī)繞組溫度測量元件通常為Pt100雙支熱電阻或單支熱電阻，通常是由制造商根據(jù)各類電動機(jī)繞組熱點(diǎn)的分布情況，在制造時一次性埋入，在壽期內(nèi)一般不可更換。AP1000 核電站的設(shè)計壽命為60年，包括10kV 電動機(jī)在內(nèi)的主要設(shè)備的設(shè)計壽命應(yīng)與之相匹配。因此，為保證在電動機(jī)壽期內(nèi)溫度監(jiān)視和保護(hù)不失效，繞組溫度測量元件的壽命或替代方案應(yīng)與電動機(jī)壽命相匹配。眾所周知，儀表類設(shè)備的壽命通常為10～20年，單個溫度測量元件無法滿足60年壽命的要求，通常的做法是在電動機(jī)繞組內(nèi)1次埋入多個測溫元件，預(yù)留備用元件，通過壽命疊加的方式實現(xiàn)與主設(shè)備壽命周期相匹配。

本文推薦在中壓電動機(jī)每相繞組中至少埋置3個雙支熱電阻（相當(dāng)于6個單支熱電阻），其中的2個獨(dú)立的單支接入到控制系統(tǒng)中實現(xiàn)監(jiān)視和保護(hù)，剩余的2個單支和1個雙支作為備用。這種“2用4備”方案的優(yōu)點(diǎn)在于接入控制系統(tǒng)的單支測量元件故障時，仍有1支可用，保證溫度測量的有效性，不會因為喪失對繞組溫度的監(jiān)視和保護(hù)而引發(fā)次生故障，導(dǎo)致設(shè)備損壞和停機(jī)檢修，提高了系統(tǒng)和設(shè)備的可用率。

1.1.2 電動機(jī)軸承金屬溫度測量

電動機(jī)軸承金屬溫度測量的目的是監(jiān)視電動機(jī)在運(yùn)行過程中的軸承溫度，必要時采取保護(hù)措施，防止軸承溫度過高造成軸磨損和設(shè)備損壞。

軸承的溫度測量元件可以在檢修期間進(jìn)行更換，即使在溫度監(jiān)視喪失的情況下，仍有振動測量作為設(shè)備保護(hù)的后備手段，因此，每個軸承配置3個溫度測量元件并接入控制系統(tǒng)即可。

1.1.3 電動機(jī)溫度測量的主要功能

（1）在電動機(jī)運(yùn)行期間，在主控室實現(xiàn)對其繞組和軸承溫度的連續(xù)監(jiān)視功能。

（2）在電動機(jī)運(yùn)行期間，當(dāng)繞組或軸承溫度達(dá)到報警值時，觸發(fā)報警功能，提醒操縱員注意。

（3）在電動機(jī)運(yùn)行期間，當(dāng)繞組或軸承溫度達(dá)到跳閘值時，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的要求，觸發(fā)跳閘功能，進(jìn)行設(shè)備保護(hù)，同時提醒操縱員注意，并采取必要的措施［4］。

1.2 中壓電動機(jī)溫度監(jiān)視和保護(hù)的可靠性分析

1.2.1 中壓電動機(jī)溫度監(jiān)視和保護(hù)常規(guī)方案

中壓電動機(jī)溫度監(jiān)視和保護(hù)的常規(guī)方案：控制系統(tǒng)的控制器通過熱電阻溫度探測器（resistance temperature detector，RTD）類型I／O 卡件對現(xiàn)場溫度儀表測量的電動機(jī)繞組和軸承的溫度信號進(jìn)行周期掃描，獲取電動機(jī)的溫度信息，在控制系統(tǒng)的人機(jī)接口設(shè)備視頻顯示裝置（visual display unit，VDU）上顯示。同時，通過邏輯運(yùn)算對測量值與設(shè)定值進(jìn)行比較，如果達(dá)到報警值則在VDU 上報警；如果達(dá)到保護(hù)值，則在觸發(fā)跳閘邏輯中通過I／O 卡件將跳閘電平信號傳輸?shù)诫妱訖C(jī)控制回路（開關(guān)柜），實現(xiàn)斷路器分閘，最終實現(xiàn)電動機(jī)跳閘保護(hù)?，F(xiàn)場測溫儀表、控制系統(tǒng)和開關(guān)柜之間的信號傳輸都是通過常規(guī)的銅質(zhì)硬接線電纜實現(xiàn)。

溫度的監(jiān)視和保護(hù)基本經(jīng)歷了：溫度測量元件→RTD 輸入卡件→控制器邏輯運(yùn)算→數(shù)字量輸出（digital output，DO）卡件→開關(guān)柜跳閘繼電器等5個環(huán)節(jié)。溫度信號是否跳閘的邏輯判斷在控制系統(tǒng)中實現(xiàn)，一旦控制系統(tǒng)，包括RTD 卡件、數(shù)據(jù)處理單元（distributed process unit，DPU）、DO卡件等環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，電動機(jī)的溫度保護(hù)功能將會喪失，監(jiān)視功能也將喪失。

這種保護(hù)方案的實時性主要取決于控制系統(tǒng)DPU 的邏輯運(yùn)算能力和I／O 卡件的掃描周期，硬接線的傳輸時間可忽略不計。實時性計算公式為

式中：T 為回路響應(yīng)時間，ms；TRTD為RTD 卡件掃描時間，ms；TCPU為CPU 的邏輯運(yùn)算時間，ms；TDO為DO 卡件輸出時間，ms。

通常在保證DPU 負(fù)荷率的情況下，用于監(jiān)視的模擬量輸入變量，最快掃描周期至少為500ms［5］；參與控制的模擬量輸入點(diǎn)，最快的掃描周期至少為100ms［5］；模擬量計算點(diǎn)最快的計算周期為500ms［2］。從輸入變量超限被掃描到DPU進(jìn)行邏輯運(yùn)算，保護(hù)動作通過DO卡件輸出的時間為500ms＋500ms＋50ms＝1 050ms。如果是犧牲DPU的負(fù)荷率，按照快速響應(yīng)回路處理，其響應(yīng)時間為100ms＋500ms＋50ms＝650ms。

這種方案在國內(nèi)各類大型常規(guī)火電廠和二代核電站中得到廣泛的應(yīng)用，實踐證明這種方案的實時性和可靠性是能夠滿足要求的。

1.2.2 AP1000中壓電動機(jī)溫度監(jiān)視和保護(hù)方案

AP1000中壓電動機(jī)溫度監(jiān)視和保護(hù)方案：開關(guān)柜內(nèi)保護(hù)模塊（SEL－710）通過熱電阻（RTD）采集通道獲取現(xiàn)場溫度儀表測得的電動機(jī)繞組和軸承信號，在SEL－710中進(jìn)行運(yùn)算比較，當(dāng)現(xiàn)場溫度值達(dá)到報警值時，可在就地報警，巡檢人員可就地查詢；當(dāng)現(xiàn)場溫度值達(dá)到跳閘值時，在SEL－71中可以做Vote邏輯判斷，直接在開關(guān)柜內(nèi)完成電動機(jī)跳閘；SEL－710采集的連續(xù)溫度信號通過Modbus TCP 通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)的控制器中，實現(xiàn)溫度信息在VDU 上的顯示，同時在DPU 內(nèi)完成現(xiàn)場信號與報警設(shè)定值的比較，當(dāng)達(dá)到報警值時，在VDU 上觸發(fā)報警。另外，還可以考慮保護(hù)的多樣性和備用方案，可在DPU中對現(xiàn)場溫度信號與跳閘值進(jìn)行比較，如果達(dá)到跳閘設(shè)定值，通過邏輯觸發(fā)跳閘信號，利用DO 卡件將跳閘電平信號發(fā)送到開關(guān)柜內(nèi)的跳閘繼電器實現(xiàn)跳閘。

現(xiàn)場測溫儀表和開關(guān)柜之間的信號傳輸通過銅質(zhì)硬接線電纜實現(xiàn)，開關(guān)柜至控制系統(tǒng)之間的信號傳輸通過Modbus TCP 通訊網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，開關(guān)柜內(nèi)SEL－710與跳閘繼電器之間的信號傳輸通過集成電纜實現(xiàn)。如果考慮多樣性和備用方案，控制系統(tǒng)跳閘輸出到開關(guān)柜的信號傳遞同常規(guī)方案。

溫度的監(jiān)視和報警基本經(jīng)歷了：溫度測量元件→SEL－710RTD 輸入通道→Modbus TCP 網(wǎng)絡(luò)（含Gateway）→DPU 邏輯運(yùn)算→VDU 顯示等5個環(huán)節(jié)。

溫度的保護(hù)基本經(jīng)歷了：溫度測量元件→SEL－710RTD 輸入通道→SEL－710 邏輯運(yùn)算→開關(guān)柜跳閘繼電器等4個環(huán)節(jié)。

溫度信號是否跳閘的邏輯判斷在開關(guān)柜內(nèi)的SEL－710和控制系統(tǒng)備用方案（可選）中實現(xiàn)，可根據(jù)設(shè)備的保護(hù)要求，選擇開關(guān)柜保護(hù)或者開關(guān)柜＋控制系統(tǒng)備用方案，以提高保護(hù)的可靠性。

通過SEL－710實現(xiàn)保護(hù)的實時性計算公式為

式中TSEL為SEL－710的邏輯運(yùn)算時間，ms。

因為SEL－710模塊僅采集10個RTD點(diǎn)，其掃描更新周期TRTD小于3s，可取500ms，SEL邏輯運(yùn)算周期TSEL為8ms，總的回路響應(yīng)時間T＝500ms＋8ms＝508ms，優(yōu)于主控制系統(tǒng)的能力，因此保護(hù)的實時性要優(yōu)于常規(guī)方案。當(dāng)然，跳閘是否延時也可在開關(guān)柜內(nèi)進(jìn)行組態(tài)。

這種方案的主控室報警和顯示功能的響應(yīng)時間主要取決于Modbus TCP網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時間。通常情況下，每個ModbusTCP網(wǎng)絡(luò)的Gateway上只掛接8個開關(guān)柜，且通訊介質(zhì)是多模通訊光纜，因此其傳輸速度基本可以滿足報警和顯示要求。這一點(diǎn)可通過國內(nèi)應(yīng)用廣泛的輔助車間集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用業(yè)績來印證。

AP1000方案的特點(diǎn)是：溫度保護(hù)直接由開關(guān)柜實現(xiàn)，實時性較高；監(jiān)視和報警信號則很大程度上取決于Modbus總線傳輸?shù)膶崟r性，且監(jiān)視和報警信號對實時性的要求不高，如果合理規(guī)劃總線網(wǎng)段和網(wǎng)段設(shè)備數(shù)量，這種方案也是可以滿足要求的。

1.3 控制系統(tǒng)及電纜的投資分析

設(shè)備和材料投資主要集中在控制系統(tǒng)卡件、開關(guān)柜保護(hù)裝置以及電纜等方面。以某工程的實際情況為例進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，主要條件如下［6－10］：

（1）3臺凝結(jié)水泵、3臺給水泵、2臺閉式循環(huán)水泵。

（2）開關(guān)柜間集中布置于主廠房7.5m 層，主控制系統(tǒng)的機(jī)柜集中布置于主廠房16m 運(yùn)轉(zhuǎn)層的電子設(shè)備間。

（3）中壓電動機(jī)與主控制系統(tǒng)機(jī)柜的橋架距離約150m；中壓電動機(jī)與開關(guān)柜間的橋架距離約100m；開關(guān)柜間與主控制系統(tǒng)的機(jī)柜橋架距離約為50m。

（4）主控制系統(tǒng)的RTDI／O模件按照8點(diǎn)［7－8］計算。

（5）每8個電動機(jī)開關(guān)柜劃為1個Modbus網(wǎng)段［9－10］。

（6）常規(guī)電纜采用接線盒合并的方式。

AP1000方案和常規(guī)方案對比經(jīng)濟(jì)分析如表1所示，綜合比較如表2所示。由表1、2可知，AP1000方案和常規(guī)方案都是可行的，但前者的整體性能優(yōu)于后者。

表1 控制系統(tǒng)硬件投資分析（單臺電動機(jī)）Tab.1 Analysis of hardware investment of control system（single motor）

表2 綜合硬件投資定性分析（單臺電動機(jī)）Tab.2 Qualitative analysis of comprehensive hardware investment（single motor）

2 循環(huán)水泵電動機(jī)溫度監(jiān)視和保護(hù)方案

常規(guī)方案：循環(huán)水泵電動機(jī)的所有溫度信號，包括繞組溫度和軸承溫度均通過硬接線接入到循環(huán)水泵房的遠(yuǎn)程I／O柜，監(jiān)視、報警功能在DCS中實現(xiàn)，跳閘保護(hù)功能通過DCS的DO輸出送至開關(guān)柜實現(xiàn)。

AP1000方案：循環(huán)水泵電動機(jī)的所有溫度信號，包括繞組溫度和軸承溫度通過開關(guān)柜的遠(yuǎn)程溫度采集模塊SEL－2600實現(xiàn)；然后通過光纖通訊（可達(dá)1 000 m）傳送至開關(guān)柜，實現(xiàn)保護(hù)；然后通過Modbus總線接入DCS實現(xiàn)監(jiān)視和報警。

以某工程的實際情況為例進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，主要條件如下（其他條件同1.3節(jié)）：

（1）3臺循環(huán)水泵。

（2）循環(huán)水泵房設(shè)遠(yuǎn)程I／O 柜。

（3）中壓電動機(jī)與主控制系統(tǒng)機(jī)柜的橋架距離約為750 m；中壓電動機(jī)與開關(guān)柜間的橋架距離約為750 m；中壓電動機(jī)與遠(yuǎn)程I／O的橋架距離約為30 m；開關(guān)柜間與主控制系統(tǒng)的機(jī)柜橋架距離約為50 m。

（4）SEL－2600 可布置在就地采集電動機(jī)溫度信號，可采集12點(diǎn)。

常規(guī)方案和AP1000方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析對比如表3所示。由表3可知，對于循環(huán)水泵來說2個方案都是可行的，投資的規(guī)模也相當(dāng)。

3 結(jié)論

（1）在實時性和可靠性方面，中壓電動機(jī)溫度測量和保護(hù)的常規(guī)方案和AP1000標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計方案都滿足相關(guān)要求，都是可行的。

（2）技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析表明，AP1000 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計方案要明顯優(yōu)于常規(guī)方案。

表3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析（單臺循環(huán)水泵）Tab.3 Technical and economic analysis（single circulating water pump）

（3）在具體工程中，設(shè)計方和用戶可根據(jù)設(shè)計理念和運(yùn)行檢修習(xí)慣來選擇中壓電動機(jī)溫度測量和保護(hù)方案。

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