壓水堆核電廠交流電源系統(tǒng)縱深防御特性研究

何小磊

（上海核工程研究設(shè)計院）

壓水堆核電廠交流電源系統(tǒng)縱深防御特性研究

何小磊

（上海核工程研究設(shè)計院）

本文分析了壓水堆核電廠在運行中交流電源系統(tǒng)可能出現(xiàn)的典型故障和異常工況，系統(tǒng)地介紹了電廠設(shè)計的供電可靠性響應(yīng)措施和部分重要措施的相關(guān)原理，表明核電廠交流電源系統(tǒng)的設(shè)計是可靠的，并充分體現(xiàn)了縱深防御的原則。

核電廠交流電源；電源切換；汽輪發(fā)電機惰走；柴油發(fā)電機

0　引言

可靠的交流電源系統(tǒng)是保證壓水堆核電廠安全運行的重要基礎(chǔ)。在能動型電廠中，安全級交流電力系統(tǒng)為設(shè)計基準事件下核電廠的安全停堆、事故緩解提供足夠的動力；在非能動型電廠中，通過為縱深防御類負荷提供可靠的電力，可大大提高核電廠的安全裕度，并對緩解事故具有積極意義。核電廠在運行中，交流電源系統(tǒng)可能出現(xiàn)各種故障或異常工況，但通過縱深防御的電源設(shè)置及可靠的響應(yīng)措施，可以將核電廠帶入其他運行工況，或保證持續(xù)生產(chǎn)，或?qū)⒑穗姀S帶入一個安全狀態(tài)。

本文從介紹壓水堆核電廠交流電源的組成部分入手，逐步介紹對電廠運行影響較大的幾個典型故障或異常工況，以及在這些工況下電廠設(shè)置的應(yīng)對措施，從而說明壓水堆核電廠交流電源系統(tǒng)的設(shè)計是可靠的，具備縱深防御的特點。

1　壓水堆核電廠交流電源的組成部分

典型的壓水堆核電廠交流電源系統(tǒng)包括正常、優(yōu)先、廠外備用和柴油發(fā)電機組電源，如圖1所示。

正常電源，即汽輪發(fā)電機在正常運行時通過廠用變壓器提供廠用電。

優(yōu)先電源，一般為220kV、500kV或以上電網(wǎng)，通過開關(guān)站、主變連接至汽輪發(fā)電機實現(xiàn)電力傳輸，再通過廠用變壓器連接至中壓母線，作為電廠正常起動和停機的廠外電源之一。

圖1　常見廠用電一次系統(tǒng)示意圖

廠外備用電源，一般由電壓等級較優(yōu)先電源略低的電網(wǎng)充當，通過備用變壓器向廠用負荷供電。主要作用為在正常電源和優(yōu)先電源均不可用時提供交流電源。在機組檢修時，也可提供檢修電源。

柴油發(fā)電機組：在以上電源均不可用時向指定的負載供電，如能動型核電廠的應(yīng)急柴油發(fā)電機和應(yīng)對SBO的AAC柴油發(fā)電機，非能動型核電廠的廠內(nèi)備用柴油發(fā)電機。

下面根據(jù)圖1的基本結(jié)構(gòu)，逐步介紹對電廠運行影響較大的幾個典型故障或異常工況，以及在這些工況下電廠設(shè)置的應(yīng)對措施，并對部分重要措施的原理和方案進行闡述。

2　中壓母線故障

包括饋線故障但饋線保護拒動，由進線后備保護動作的工況。在這種情況下，該母線進入停電檢修，由于核電廠在事故緩解輔助設(shè)施上均為冗余設(shè)置，其他母線繼續(xù)向冗余負荷供電，可以保證核電廠繼續(xù)運行。

3　汽輪發(fā)電機故障

當汽輪發(fā)電機發(fā)生故障時，必須停機、跳發(fā)電機斷路器，使發(fā)電機與電網(wǎng)解列。此時優(yōu)先電源電網(wǎng)自動通過主變倒送電向廠用設(shè)備供電，使反應(yīng)堆安全停堆或進入熱備用狀態(tài)。

4　正常電源/優(yōu)先電源供電路徑故障

在主變、廠用變壓器、離相封閉母線（IPB）或斷路器CB1前的共箱母線（NS）處發(fā)生一個電氣故障時，發(fā)電機斷路器、主變高壓側(cè)的斷路器、中壓母線的進線斷路器均應(yīng)跳閘。

為實現(xiàn)在此故障情況下電源的連續(xù)性，大部分壓水堆核電廠在中壓母線上設(shè)置了電源切換功能，以快速切換為主要方式使中壓母線進線斷路器CB1跳閘，CB2合閘，將廠用負荷迅速轉(zhuǎn)移到廠外備用電源，并輔以設(shè)置適當?shù)暮髠淝袚Q方式。

4.1廠用電切換原理［1-2］

對于大容量的電廠，由于電動機的容量大且數(shù)量較多，當廠用電源中斷后，由于電機及負載的機械慣性，電機將維持繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，此時電機由電動機狀態(tài)變?yōu)楫惒桨l(fā)電機運行。在同一母線上多臺電機的共同作用下，母線電壓會維持一定的殘壓并緩慢衰減，且頻率會隨著電機轉(zhuǎn)速的降低而緩慢下降，其特性如圖2所示，其中，VS為備用電源電壓，VD為母線殘壓，?U為VS與VD間的差壓。

從圖中可見，在優(yōu)先電源中斷后，母線殘壓VD幅值緩慢衰減，母線殘壓與備用電源VS的相角差逐漸增大，而母線殘壓與備用電源電壓之間的差壓?U逐漸變大后又變小，如此反復(fù)變化，至于變化一次的時間完全取決于負載。在優(yōu)先電源斷電后投入備用電源，則差壓?U將加在電機上，其決定了接通沖擊電流的大小和施加在電機繞組上的機械應(yīng)力［3］。由分析可知電動機上電壓Um為

圖2　母線殘壓特性示意圖

式中，Xm為母線上電動機和其他負荷折算到電源側(cè)的等值電抗；Xs為電源的等值電抗。為保證電動機安全自起動，Xm應(yīng)小于電動機的允許起動電壓，設(shè)為1.1倍額定電壓Un，則有

K△Un＜1.1Un

△U＜1.1/K

設(shè)K=0.67，則△U＜1.64。圖2中，以A為圓心，以1.64為半徑繪出弧線A'-A”，則A'-A”右側(cè)為備用電源允許合閘的安全區(qū)域，左側(cè)為不安全區(qū)域。若取K=0.95，則△U＜1.15，圖2中B'-B”的左側(cè)為不安全區(qū)域。

假定正常運行時優(yōu)先電源與備用電源同相，其電壓向量端點為A，則母線失電后殘壓向量端點將沿殘壓曲線由A向B方向移動，如能在A-B段內(nèi)合上備用電源，則既能保證電動機安全，又不使電動機轉(zhuǎn)速下降太多，這就是所謂的“快速切換”。

由于快速切換時頻差和相差均較小，成功的概率很高。在某30萬kW機組整個投運前試驗過程中，所有快切試驗，以及因主變過激磁保護動作導(dǎo)致的實際故障快切均取得了成功，電源切換時間約為0.1s。

圖2中，過B點后BC段為不安全區(qū)域，不允許切換。在C點后CD段亦滿足安全切換的要求。這需要實時跟蹤殘壓的頻差和相角差變化，盡量做到在反饋電壓與備用電源電壓第一次相位重合時合閘，這就是所謂的“同期捕捉切換”。

以圖2為例，同期捕捉切換的時間為0.6s，對于殘壓衰減較快的情況，該時間要短得多。若能實現(xiàn)同期捕捉切換，特別是同相點合閘，對電動機的自起動也很有利，此時中壓母線電壓衰減不多，電動機轉(zhuǎn)速不至于下降很大，且備用電源合上時沖擊電流最小。

當殘壓衰減到20%～40%額定電壓后實現(xiàn)的切換通常稱為“殘壓切換”。殘壓切換雖然能保證電動機安全，但由于停電時間過長，電動機轉(zhuǎn)速已經(jīng)有很大幅度的下降，自起動電流很大，成批電動機的自起動將造成中壓母線電壓嚴重下降，電動機自起動困難。因此，在執(zhí)行殘壓切換前往往需要執(zhí)行“掃負荷”。此外，這時的母線低電壓信號還會啟動應(yīng)急/廠內(nèi)備用柴油發(fā)電機，作為廠外備用電源的后備。

4.2電源切換整定的其他考慮因素

1.1 研究對象 選取2004—2017年于遼寧中醫(yī)藥大學(xué)附屬第二醫(yī)院口腔科行下頜阻生第三磨牙拔除術(shù)的260例患者為研究對象，按照手術(shù)方法不同，將患者分入A、B兩組。A組中，男性150例，女性64例；中位年齡32.7歲；前傾阻生100例，水平阻生62例，垂直阻生51例，復(fù)雜型1例。B組中，男性32例，女性14例；中位年齡33.1歲；前傾阻生20例，水平阻生18例，垂直阻生8例。兩組患者一般資料比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，具有可比性?；颊呒捌浼覍倬炇鹬橥鈺?，本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會批準。

1）備用電源與優(yōu)先電源的相位并不一定完全吻合。這是因為，為保證電源的相對獨立，它們來自電網(wǎng)的不同節(jié)點。電網(wǎng)的某些運行方式可能導(dǎo)致備用電源與優(yōu)先電源具有較大的相位差，這可能導(dǎo)致“快速切換”不成功。

2）由于“快速切換”發(fā)生的原因是“在主變、廠用變壓器、IPB或NS處發(fā)生了電氣故障”，如單相接地，而CB1處于合閘狀態(tài)，中壓母線的電壓大小和相位已瞬間發(fā)生改變，改變的大小視故障類型和CB1斷開的時間而定。即使故障前備用電源和優(yōu)先電源同相位，仍可能導(dǎo)致CB1斷開后VD直接進入“不安全區(qū)域”，快速切換失敗。

3）對于“快速切換”，還需要考慮CB1分閘到CB2合閘之間存在的時間差。以VD4真空斷路器為例，其分閘時間約為45ms，合閘時間約為70ms，假設(shè)CB1和CB2同時收到快切信號，則時間差為25ms，允許電源切換的條件整定時必須考慮到這25ms內(nèi)殘壓特性的變化。若殘壓與備用電源的頻率差為1Hz，則25ms內(nèi)相角差的變化為9°。

4）同期捕捉切換最佳時刻是同相點，即圖2中0.6s處，在設(shè)置同期捕捉切換的整定值時，應(yīng)考慮一定的提前量。

5）在“殘壓切換”中，由于 “掃負荷”信號已將電動機類負荷切除，等待操縱員確認并將所需的廠用負荷手動投入需要較長的時間，有可能造成電廠運行工況的惡化。可以根據(jù)電廠實際情況設(shè)置“程序帶載”，在恢復(fù)供電后帶載重要的輔助負荷。

4.3電源切換的意義

通過設(shè)置可靠的電源切換，使電廠在經(jīng)歷汽輪機100%甩負荷后，將反應(yīng)堆帶入安全停堆狀態(tài)；也可通過合理的電廠控制，使反應(yīng)堆處于熱備用狀態(tài)，待電氣故障排除后，迅速恢復(fù)生產(chǎn)。

5　中壓母線持續(xù)低電壓

在廠外電網(wǎng)持續(xù)低電壓或電源與中壓母線連接設(shè)備存在缺陷時，廠用電源系統(tǒng)電壓便可能低于運行要求，使得用電設(shè)備尤其是電動機無法正常工作或受到損壞。

該工況與前文不同之處在于，主發(fā)電機至優(yōu)先電源外電網(wǎng)的路徑并無故障，只要切換過程能保證重要負荷（如主泵等）的不間斷運行，例如采用并聯(lián)倒閘操作或電源快速切換成功，便可以保證反應(yīng)堆和主發(fā)電機的持續(xù)功率運行，避免了因甩負荷對電廠的熱沖擊。由于核電廠通常均為大容量機組，其持續(xù)運行對電網(wǎng)的恢復(fù)也起到了重要作用。

6　喪失廠外電同時汽輪發(fā)電機不可用

優(yōu)先電源和廠外備用電源不可用時，廠內(nèi)設(shè)置的備用柴油發(fā)電機將啟動并接入廠用配電系統(tǒng)，通過執(zhí)行“掃負荷”和“程序帶載”后，將指定負載投入運行。

對于能動型核電廠，應(yīng)急柴油發(fā)電機是設(shè)計基準事故下實現(xiàn)安全停堆、防止放射性物質(zhì)大量泄漏的最重要動力來源，為安全級系統(tǒng)；若應(yīng)急柴油發(fā)電機不可用，AAC柴油發(fā)電機電源投入運行。而對于非能動型核電廠，由于非能動安全系統(tǒng)的設(shè)計，無需安全級交流動力電源，廠內(nèi)備用柴油發(fā)電機及其帶載負荷起縱深防御作用，在設(shè)計基準事件發(fā)生導(dǎo)致其不可用前，為其提供完整的事故緩解能力。

7　主發(fā)電機甩廠外負荷

電廠運行中還常面臨因電網(wǎng)保護動作或電網(wǎng)調(diào)度原因而導(dǎo)致從開關(guān)站上切除發(fā)電機或線路的情況，即汽輪發(fā)電機甩廠外負荷。

7.1汽輪發(fā)電機帶廠用負荷運行

若甩廠外負荷后，反應(yīng)堆快速降功率、主蒸汽旁排等各大系統(tǒng)運行穩(wěn)定，反應(yīng)堆將進入低功率運行狀態(tài)，汽輪機可不跳機，發(fā)電機將帶廠用負荷繼續(xù)運行，待電網(wǎng)恢復(fù)后，將發(fā)電機重新并網(wǎng)發(fā)電。

7.2汽輪發(fā)電機惰走運行

若甩廠外負荷后，電廠功率調(diào)節(jié)失敗，反應(yīng)堆停堆，汽輪機跳機。這時發(fā)電機斷路器往往并不跳閘，而通過主發(fā)電機帶電動機群等負荷惰走，直至中壓母線電壓和頻率不滿足要求，從而延長主泵等負荷冷卻反應(yīng)堆的時間。文獻［4］詳細介紹了該工況動態(tài)分析的方法，并通過動態(tài)模擬試驗進行驗證。

（1）汽輪發(fā)電機惰走的必要性

倘若此時發(fā)電機斷路器跳閘、勵磁回路斷開，中壓母線電壓迅速下降，電動機低電壓跳閘，必然會對電廠的運行造成影響。例如，主泵斷電將導(dǎo)致反應(yīng)堆冷卻劑流量下降，堆芯傳熱惡化，燃料棒溫度升高，冷卻劑溫度和壓力也隨之上升。

因此，在非能動核電廠安全分析報告中，將“發(fā)電機斷路器脫扣之前惰走會至少持續(xù)3s”作為對發(fā)電機及其勵磁系統(tǒng)的基本要求。

（2）惰走結(jié)束后交流電源的供應(yīng)和改進

汽輪發(fā)電機組惰走結(jié)束后，發(fā)電機斷路器跳閘，此時若廠外備用電源可用，應(yīng)通過電源切換裝置將廠用負荷轉(zhuǎn)換到備用變壓器供電，使汽機安全停機并使得核電廠維持在安全停堆狀態(tài)。若廠外備用電源不可用，則需要投入柴油發(fā)電機。

備用電源和優(yōu)先電源或多或少存在一定的電氣聯(lián)系，可能同時發(fā)生故障而喪失。若考慮利用汽輪發(fā)電機惰走及失去廠外電源的綜合信號去啟動柴油發(fā)電機，則在發(fā)電機斷路器斷開時，柴油發(fā)電機的電壓頻率已趨于穩(wěn)定，需要帶載的負荷可立即投入，從而大大縮短重要負荷的斷電時間。

8　結(jié)束語

通過分析核電廠可能出現(xiàn)的典型故障和異常工況，本文系統(tǒng)地介紹了交流電源系統(tǒng)的響應(yīng)措施，并提出了廠用電設(shè)計時應(yīng)考慮的部分重要因素。循序漸進地闡述了壓水堆核電廠交流電源系統(tǒng)設(shè)計是可靠的，充分體現(xiàn)了核電廠縱深防御的安全理念。

［1］ 陳醫(yī)平.廠用電切換方式探討［J］.電力自動化設(shè)備，2006，26（11）：107-110.

［2］ 張培杰. 關(guān)于廠用電源快切裝置切換判據(jù)的探討［J］.電力自動化設(shè)備，2005，25（6）：91-93.

［3］ 王步瑤. 電源切換對感應(yīng)電機產(chǎn)生的影響［J］. 湖南工程學(xué)院學(xué)報，2006，16（1）：5-8.

［4］ 朱志成. 秦山核電廠廠用供電系統(tǒng)動態(tài)分析和電源故障時主泵惰走的研究［J］. 中國核科技報告，1990（00）.

（2016-01-23）