AP1000核電站發(fā)電機(jī)接地方式的選擇及容量計(jì)算

摘要：文章首先對(duì)比了中性點(diǎn)接地的不同方式對(duì)于發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式的適用性；其次介紹了AP1000核電站在廠用電設(shè)計(jì)及發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式選擇的方案；最后對(duì)比了兩點(diǎn)接地和單點(diǎn)接地相比的優(yōu)缺點(diǎn)，指出兩點(diǎn)接地更加能滿足核電廠對(duì)廠用電安全可靠的要求。

關(guān)鍵詞：AP1000核電站；發(fā)電機(jī)；接地方式；中性點(diǎn)；接地變；兩點(diǎn)接地 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM862 文章編號(hào)：1009-2374（2015）14-0145-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.14.072

近年來(lái)隨著核電事業(yè)的蓬勃發(fā)展，國(guó)內(nèi)規(guī)劃、在建核電站越來(lái)越多，且機(jī)組容量越來(lái)越大，對(duì)于發(fā)電機(jī)組中性點(diǎn)接地方式的選擇雖然國(guó)內(nèi)發(fā)電機(jī)組已經(jīng)有了豐富的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，但是由于核電站設(shè)計(jì)理念不同，出于核安全性的考慮對(duì)于廠用電供電的多樣性及可靠性要求更高，運(yùn)行方式也比較靈活，所以對(duì)于核電站發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式的選型計(jì)算有必要進(jìn)行多方面考慮。

1 接地方式的選擇

總體來(lái)說(shuō)，電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式可以分為有效接地和非有效接地。實(shí)際應(yīng)用中可以分為中性點(diǎn)直接接地、中性點(diǎn)經(jīng)小阻抗接地、中性點(diǎn)不接地、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地和中性點(diǎn)經(jīng)大電阻接地等幾種方式。對(duì)于發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)，當(dāng)發(fā)電機(jī)的繞組發(fā)生單相接地時(shí)，如果發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)直接接地，那么會(huì)形成故障回路，產(chǎn)生很大的故障電流，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)繞組和鐵芯的損壞，因此一般來(lái)說(shuō)發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)是不允許直接接地的。中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時(shí)非故障相電壓會(huì)升高對(duì)發(fā)電機(jī)絕緣造成危害，所以此種接地方式對(duì)發(fā)電機(jī)絕緣要求更高相應(yīng)成本也會(huì)較高。而中性點(diǎn)經(jīng)小阻抗接地和直接接地方式相同故障時(shí)會(huì)有很大的電流流回發(fā)電機(jī)對(duì)發(fā)電機(jī)繞組產(chǎn)生很大危害。對(duì)比這幾種方案，從經(jīng)濟(jì)和安全方面綜合考慮，在我國(guó)電廠實(shí)際應(yīng)用中主要采用經(jīng)大電阻接地和經(jīng)消弧線圈接地這兩種方式。

雖然我國(guó)對(duì)于經(jīng)消弧線圈接地的經(jīng)驗(yàn)比較成熟，但是經(jīng)消弧線圈接地方式需考慮的因素較多，選擇合適的補(bǔ)償度和消弧線圈參數(shù)比較困難。如果片面追求為減小接地電流而選用較小的脫諧度和較大的消弧線圈品質(zhì)因數(shù)，勢(shì)必會(huì)造成因發(fā)電機(jī)三相對(duì)地電容不平衡而造成中性點(diǎn)電壓有較大偏移。另外，當(dāng)選擇的補(bǔ)償度不合適時(shí)，易產(chǎn)生危險(xiǎn)的傳遞過(guò)電壓，威脅發(fā)電機(jī)的安全，在機(jī)組啟動(dòng)、停機(jī)、甩負(fù)荷等過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)接地或者二次重燃，也會(huì)有較大的暫態(tài)過(guò)電壓對(duì)于發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行有很大威脅。尤其隨著電纜應(yīng)用越來(lái)越多也給系統(tǒng)帶來(lái)了更多的容性電流，這就大大增加了消弧線圈的選擇難度。對(duì)于發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)大電阻接的方式有許多方案，其中以經(jīng)接地變接地的方案應(yīng)用最為廣泛。這種接地方式的原理是在通過(guò)在接地變壓器二次側(cè)接一個(gè)小電阻，根據(jù)變壓器的特性對(duì)外感應(yīng)出一個(gè)大電阻，這樣做既節(jié)省了空間，也減小了直接做大電阻的難度。當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)發(fā)電機(jī)電壓系統(tǒng)對(duì)地電容通路中產(chǎn)生電容電流，引發(fā)故障暫態(tài)過(guò)電壓，危及發(fā)電機(jī)安全，此時(shí)通過(guò)串入接地變因二次側(cè)感應(yīng)出的大電阻，增大故障回路阻尼，使得負(fù)載電阻產(chǎn)生有功損耗，從而抑制暫態(tài)過(guò)電壓，保護(hù)發(fā)電機(jī)定子線圈，同時(shí)繼電保護(hù)從變壓器二次側(cè)獲取信號(hào)，在其配合下斷路器快速斷開(kāi)，迅速切除機(jī)組。這種接地方式的缺點(diǎn)是由于增大了回路阻尼使得接地電流變大，所以對(duì)于保護(hù)動(dòng)作靈敏性要求較高需要快速切除機(jī)組以免造成損害。對(duì)于接地電阻的選擇計(jì)算也較為簡(jiǎn)單，通過(guò)建造安裝階段以及設(shè)備廠家提供的相關(guān)信息獲取發(fā)電機(jī)以及相關(guān)設(shè)備的對(duì)地電容值就可計(jì)算。

綜上所述，無(wú)論是安全性還是選型設(shè)計(jì)方面都比較合理。

2 AP1000電站發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方案

與傳統(tǒng)電廠發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式的選擇問(wèn)題不同，AP1000電站為了保障廠用電的供電可靠性以維持反應(yīng)堆的正常冷卻，其廠用電設(shè)置有四種不同來(lái)源的供電方式來(lái)保證廠用電的可靠供電：

正常電源——由主發(fā)電機(jī)為ECS供電，包括正常電能生產(chǎn)狀態(tài)與孤島運(yùn)行狀態(tài)。

優(yōu)先電源——正常電源不可用時(shí)，電網(wǎng)通過(guò)500kV開(kāi)關(guān)站為ECS供電。

輔助電源——正常電源、優(yōu)先電源均不可用時(shí)，電網(wǎng)通過(guò)220kV開(kāi)關(guān)站為ECS供電。

備用電源——正常電源、優(yōu)先電源和輔助電源均不可用時(shí)，由備用柴油發(fā)電機(jī)向具有特殊護(hù)功能的負(fù)荷供電。其接線方式如圖1，為了保證發(fā)電質(zhì)量發(fā)電機(jī)出口連接的主變低壓側(cè)和廠變高壓側(cè)均采用角型接線。這樣的供電方式如果僅僅在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)設(shè)置接地變接地，在發(fā)電機(jī)故障出口斷路器（GCB）跳閘即正常電源喪失后，由500kV系統(tǒng)作為優(yōu)先電源給廠用負(fù)荷供電時(shí)，因?yàn)镚CB斷開(kāi)那么發(fā)電機(jī)出口至主變低壓側(cè)至廠變高壓側(cè)這段將喪失接地保護(hù)，相當(dāng)于不接地系統(tǒng)，在發(fā)生接地故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大過(guò)電壓對(duì)電廠設(shè)備造成嚴(yán)重危害，甚至燒毀電機(jī)。同時(shí)因?yàn)闆](méi)有接地保護(hù)也無(wú)法在發(fā)生接地故障時(shí)快速切換至輔助電源供電，影響了供電可靠性。綜合考慮，AP1000電站發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地設(shè)置了兩個(gè)接地變一個(gè)是發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)機(jī)接地變，此接地變?yōu)閱蜗嘟拥刈?；另一個(gè)設(shè)置在發(fā)電機(jī)出口斷路器下游主變低壓側(cè)，采用三相接地變的形式，利用接地變的特點(diǎn)人為地制造出一個(gè)中性點(diǎn)，從而在發(fā)電機(jī)出口斷路器斷開(kāi)時(shí)為系統(tǒng)提供接地保護(hù)。這種方案無(wú)論機(jī)組處于任何運(yùn)行方式下，回路都可以保證經(jīng)高阻接地，從而保證運(yùn)行的安全性。

圖1 AP1000電站廠用電接線圖

3 接地變選型計(jì)算

基于設(shè)置兩點(diǎn)接地的方式，對(duì)于兩個(gè)接地變選型計(jì)算時(shí)均是在發(fā)電機(jī)出口斷路器斷開(kāi)的情況下計(jì)算，同時(shí)將發(fā)電機(jī)出口斷路器恢復(fù)電容分為兩側(cè)由兩個(gè)接地變分別考慮計(jì)算。對(duì)于發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的接地變電阻計(jì)算時(shí)只需要考慮GCB斷開(kāi)時(shí)發(fā)電機(jī)對(duì)地電容、勵(lì)磁變對(duì)地電容、發(fā)電機(jī)和發(fā)電機(jī)出口斷路器GCB之間IPB母線對(duì)地電容以及發(fā)電機(jī)出口斷路器GCB（發(fā)電機(jī)側(cè)）恢復(fù)電容。而對(duì)于主變低壓側(cè)的接地變電阻計(jì)算時(shí)需要考慮主變（MSUT）低壓側(cè)對(duì)地電容、廠變（UAT）對(duì)地電容、發(fā)電機(jī)出口斷路器GCB（主變側(cè)）恢復(fù)電容、主變低壓側(cè)和發(fā)電機(jī)出口斷路器GCB以及廠變高壓側(cè)之間IPB母線對(duì)地電容。

3.1 發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地

發(fā)電機(jī)單相對(duì)地電容0.28?F，勵(lì)磁變壓器單相對(duì)地電容0.002667?F，發(fā)電機(jī)出口斷路器GCB（發(fā)電機(jī)側(cè)）恢復(fù)電容0.13?F，發(fā)電機(jī)和發(fā)電機(jī)出口斷路器GCB之間IPB母線單相對(duì)地電容0.003119?F，合計(jì)總的電容為C0=0.416?F。發(fā)電機(jī)出口線電壓為24kV，接地變二次側(cè)電壓190V。

發(fā)電機(jī)線電壓為24kV，那么相電壓為：

因?yàn)榭偟碾娙菔荂0=0.416?F，那么總的電容電抗是：

那么在發(fā)電機(jī)出口發(fā)生單相故障時(shí)總的電容電流為：

在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)看對(duì)地電容是三相對(duì)地電容的和，那么：

發(fā)電機(jī)故障電流：

發(fā)電機(jī)接地電阻一次感應(yīng)電阻值應(yīng)滿足Xcg/Rn=1，所以：

那么根據(jù)變比，二次側(cè)接入電阻值應(yīng)為：

二次側(cè)電流：

電阻功率：

kW

那么接變?nèi)萘浚?/p>

kVA

實(shí)際設(shè)計(jì)值為150kVA。

3.2 主變低壓側(cè)接變

主變（MSUT）低壓側(cè)單相對(duì)地電容0.026?F，廠變（UAT）單相對(duì)地電容0.0094?F，發(fā)電機(jī)出口斷路器GCB（主變側(cè)）恢復(fù)電容0.26?F，主變低壓側(cè)和發(fā)電機(jī)出口斷路器GCB以及廠變高壓側(cè)之間IPB母線單相對(duì)地電容0.021?F，合計(jì)總的電容為C0=0.316?F。主變低壓側(cè)電壓同發(fā)電機(jī)出口線電壓一樣為24kV，而接地變二次側(cè)線電壓110V。為了更可靠地保護(hù)，所以電容值取1.2倍的總電容，即：

那么總的電容電抗是：

那么在發(fā)生單相故障時(shí)總的電容電流為：

那么二次側(cè)故障電流為：

二次側(cè)相電壓為：

因?yàn)槎蝹?cè)位開(kāi)口三角接線那么二次側(cè)接入電阻為：

電阻功率：

kW

單相容量：

kVA

實(shí)際設(shè)計(jì)值為40kVA。

綜合計(jì)算最終兩接地變?cè)O(shè)計(jì)值如下：

表1

設(shè)備 發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變 主變低壓側(cè)接地變

接地電阻 0.16

接地電阻功率 700A（80kW）

（minimum） 400A（85kW）

接地變兩側(cè)電壓 24000～190V 24000～110V

接地變?nèi)萘?150kVA 40kVA

4 對(duì)于兩點(diǎn)接地方式的思考

AP1000電站采用的兩點(diǎn)接地的方式與國(guó)內(nèi)大部分火電站采用的一點(diǎn)接地的方式（即取消了主變低壓側(cè)的接地變僅在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)處安裝接地變方式）相對(duì)比，其優(yōu)點(diǎn)是明顯的：首先運(yùn)行方式靈活，可以支持通過(guò)包括發(fā)電機(jī)在內(nèi)的多種電源供電的方式，保證核安全相關(guān)的設(shè)備能可靠運(yùn)行，從而維持核電廠的核安全；其次對(duì)于廠用電的保護(hù)可靠性高，即使是發(fā)電機(jī)停機(jī)GCB斷開(kāi)后仍能為廠用電提供可靠的接地保護(hù)；最后將故障電流分兩點(diǎn)分擔(dān)大大降低了對(duì)于單個(gè)接地設(shè)備的挑戰(zhàn)，降低了單一接地點(diǎn)時(shí)故障電流對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組的危害。當(dāng)然其缺點(diǎn)也是明顯的，由于設(shè)置了兩個(gè)接地點(diǎn)，其投資成本要高于單點(diǎn)接地的方式。綜合考慮目前核電站基本采用兩點(diǎn)接地的接地方式。

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作者簡(jiǎn)介：白驁?zhí)欤?987-），男（回族），河北廊坊人，三門(mén)核電有限公司助理工程師，研究方向：核電廠運(yùn)行。

（責(zé)任編輯：蔣建華）