核電廠(chǎng)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)1E級(jí)電氣量保護(hù)配置方案探討

摘? 要：應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)作為核電廠(chǎng)的后備電源，負(fù)責(zé)在核電廠(chǎng)失去全部外部電源時(shí)向?qū)ＴO(shè)安全設(shè)施和其他應(yīng)急負(fù)荷提供電源，確保反應(yīng)堆安全停堆，并持續(xù)冷卻反應(yīng)堆。目前，核電應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)1E級(jí)電氣量保護(hù)配置有差動(dòng)過(guò)流保護(hù)、低電壓保護(hù)（3取2邏輯）以及定子過(guò)流保護(hù)（2取2邏輯）三種方案。鑒于此，在對(duì)國(guó)際、國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行剖析的基礎(chǔ)上，從提高應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)事故工況可靠性和避免發(fā)電機(jī)受到損壞兩個(gè)方面，探討三種保護(hù)配置方案的優(yōu)缺點(diǎn)，為應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)1E級(jí)電氣保護(hù)設(shè)計(jì)選型提供了參考。

關(guān)鍵詞：核電廠(chǎng);應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī);1E級(jí)保護(hù);配置;故障

1? ? 應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況及保護(hù)配置

核電廠(chǎng)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)行工況可以分為應(yīng)急模式和試驗(yàn)?zāi)Ｊ健?/p>

應(yīng)急模式是指外部電源失去，需應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)為核電廠(chǎng)專(zhuān)設(shè)安全設(shè)施和其他應(yīng)急負(fù)荷提供電源的工況。這種工況下，為保障反應(yīng)堆安全停堆并持續(xù)冷卻反應(yīng)堆，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)僅投入少量保護(hù)，避免核電廠(chǎng)全部電源失去，此時(shí)投入的保護(hù)叫做應(yīng)急保護(hù)（又名“1E級(jí)保護(hù)”）。

試驗(yàn)?zāi)Ｊ绞侵竿獠侩娫凑９╇娗闆r下進(jìn)行柴油發(fā)電機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證柴油發(fā)電機(jī)功能正常的工況。這種工況下，為防止柴油發(fā)電機(jī)損壞或事故擴(kuò)大，要盡可能全地投入保護(hù)，此時(shí)投入的除1E級(jí)保護(hù)外的保護(hù)叫做非應(yīng)急保護(hù)（又名“N1E級(jí)保護(hù)”）。N1E級(jí)保護(hù)在試驗(yàn)?zāi)Ｊ较聞?dòng)作不觸發(fā)跳閘或停機(jī)信號(hào)，但會(huì)觸發(fā)報(bào)警信號(hào)至就地或主控室，為運(yùn)維人員進(jìn)行柴油發(fā)電機(jī)健康狀態(tài)評(píng)估提供信息。

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)保護(hù)配置包括柴油機(jī)保護(hù)（機(jī)械及熱工保護(hù)）和發(fā)電機(jī)保護(hù)（電氣量保護(hù)）兩方面，本文僅針對(duì)1E級(jí)電氣量保護(hù)部分進(jìn)行探討和分析。目前，國(guó)內(nèi)核電廠(chǎng)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)1E級(jí)電氣量保護(hù)使用差動(dòng)過(guò)流保護(hù)、低電壓保護(hù)（3取2邏輯）和定子過(guò)流保護(hù)（2取2邏輯）三種方案中的一種。三種方案在實(shí)際使用過(guò)程中各有優(yōu)缺點(diǎn)，本文將對(duì)三種配置方案進(jìn)行對(duì)比分析，并就其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行探討。

2? ? 國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求

2.1? ? RCC-E 2012

壓水堆核電廠(chǎng)核島電氣設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)范（RCC-E 2012）[1]由法國(guó)核島設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則協(xié)會(huì)（AFCEN）發(fā)布，是壓水堆核電廠(chǎng)核島電氣設(shè)備的通用設(shè)計(jì)和建造基準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)保護(hù)配置的相關(guān)要求在章節(jié)C2412中：“在應(yīng)急運(yùn)行期間，應(yīng)保持可以使發(fā)電機(jī)停止的保護(hù)系統(tǒng)處于最小狀態(tài)，其中機(jī)械超速保護(hù)需保留，如果與電氣信號(hào)相關(guān)的系統(tǒng)執(zhí)行下面的兩個(gè)功能也可保留：a.它們保護(hù)發(fā)電機(jī)免受導(dǎo)致失去功能的快速損壞;b.有冗余邏輯配置的保護(hù)（如3取2邏輯）?！?/p>

RCC-E 2012標(biāo)準(zhǔn)中配置1E級(jí)電氣量保護(hù)需滿(mǎn)足避免發(fā)電機(jī)重大損壞和冗余邏輯兩個(gè)條件，但因差動(dòng)過(guò)流保護(hù)需在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)和機(jī)端配置單獨(dú)的電流互感器，受空間限制，目前核電廠(chǎng)均未采用冗余配置差動(dòng)過(guò)流保護(hù)方案，低電壓保護(hù)（3取2邏輯）和定子過(guò)流保護(hù)（2取2邏輯）配置方案可以實(shí)現(xiàn)上述標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2? ? IEEE 387—1995

IEEE 387—1995為核電廠(chǎng)備用電源用柴油發(fā)電機(jī)組準(zhǔn)則[2]，由美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）發(fā)布，該標(biāo)準(zhǔn)的4.5.4節(jié)對(duì)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的保護(hù)配置要求如下：“當(dāng)柴油機(jī)超速和（或）發(fā)電機(jī)差動(dòng)過(guò)流時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)自動(dòng)停機(jī)。在事故工況期間，如果保留除柴油機(jī)超速和發(fā)電機(jī)差動(dòng)過(guò)流外的保護(hù)，則對(duì)這些參數(shù)中的每一個(gè)參數(shù)提供兩個(gè)或更多個(gè)獨(dú)立測(cè)量并提供負(fù)荷停機(jī)邏輯?！必?fù)荷停機(jī)邏輯電路的設(shè)計(jì)對(duì)每一個(gè)單獨(dú)的傳感器的啟動(dòng)提供報(bào)警。在柴油發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)和在非事故工況運(yùn)行期間，所有保護(hù)裝置有效。

IEEE 387—1995標(biāo)準(zhǔn)中要求差動(dòng)過(guò)流保護(hù)應(yīng)配置為1E級(jí)保護(hù)，其余保護(hù)作為1E級(jí)保護(hù)應(yīng)設(shè)置冗余邏輯。目前，核電廠(chǎng)單獨(dú)將低電壓保護(hù)（3取2邏輯）和定子過(guò)流保護(hù)（2取2邏輯）且冗余配置作為柴油發(fā)電機(jī)1E級(jí)保護(hù)，與標(biāo)準(zhǔn)存在一定出入。

2.3? ? EJ/T 625—2004

《核電廠(chǎng)備用電源用柴油發(fā)電機(jī)組準(zhǔn)則》（EJ/T 625—2004）[3]為國(guó)內(nèi)核行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的1E級(jí)保護(hù)配置要求在5.5.4中，其沿用了IEEE 387—1995的相關(guān)內(nèi)容，對(duì)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)的1E級(jí)保護(hù)配置要求與IEEE 387—1995相同。

3? ? 保護(hù)配置方案優(yōu)缺點(diǎn)探討

通過(guò)上述標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比可知，目前三種電氣量1E級(jí)保護(hù)配置方案均不滿(mǎn)足三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)全部要求。應(yīng)盡可能少地配置發(fā)電機(jī)1E級(jí)保護(hù)，其出發(fā)點(diǎn)是在提高應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)事故工況可靠性和避免發(fā)電機(jī)受到損壞之間尋找平衡。下文將從供電可靠性和避免發(fā)電機(jī)損壞兩方面出發(fā)，對(duì)三種配置方案進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1? ? 差動(dòng)過(guò)流保護(hù)

發(fā)電機(jī)差動(dòng)過(guò)流保護(hù)作為發(fā)電機(jī)主保護(hù)能夠直接且快速反映發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障。當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，定子繞組電流會(huì)異常增大，引起定子繞組過(guò)熱，甚至可能燒毀發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)差動(dòng)過(guò)流保護(hù)能夠很好地保護(hù)發(fā)電免遭內(nèi)部故障損壞，但目前核電廠(chǎng)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)差動(dòng)過(guò)流保護(hù)均未冗余配置，電流互感器斷線(xiàn)或保護(hù)裝置誤動(dòng)均會(huì)導(dǎo)致柴油發(fā)電機(jī)停用，影響柴油發(fā)電機(jī)在事故工況下的供電可靠性。此外，柴油發(fā)電機(jī)銅排或繞組靠近中性點(diǎn)電流互感器發(fā)生相間短路事故時(shí)（如圖1中a所示），發(fā)電機(jī)故障電流不大，柴油發(fā)電機(jī)在事故工況下可以繼續(xù)為反應(yīng)堆提供電源，但此時(shí)差動(dòng)過(guò)流保護(hù)會(huì)停運(yùn)柴油發(fā)電機(jī)，降低應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)供電可靠性。

3.2? ? 低電壓保護(hù)（3取2邏輯）

低電壓保護(hù)配置方案主要考慮下游負(fù)荷相關(guān)要求，當(dāng)電壓下降到一定程度時(shí)，專(zhuān)設(shè)安全設(shè)施中異步電動(dòng)機(jī)負(fù)荷電流將增大，轉(zhuǎn)矩和過(guò)負(fù)荷能力均將顯著減小，嚴(yán)重時(shí)甚至可能燒毀電動(dòng)機(jī)，此時(shí)不僅不能確保反應(yīng)堆冷卻和安全停堆，還可能損壞專(zhuān)設(shè)安全設(shè)施設(shè)備，當(dāng)外部電源恢復(fù)時(shí)因?qū)ＴO(shè)安全設(shè)備損壞導(dǎo)致反應(yīng)堆事故。核電廠(chǎng)低電壓保護(hù)定值一般設(shè)置為70%Un，觸發(fā)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)低電壓保護(hù)動(dòng)作的可能原因主要有：

（1）勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障：當(dāng)勵(lì)磁系統(tǒng)故障時(shí)因柴油發(fā)電機(jī)單獨(dú)帶應(yīng)急負(fù)荷運(yùn)行，此時(shí)發(fā)電機(jī)無(wú)法從電網(wǎng)吸收無(wú)功，發(fā)電機(jī)剩磁無(wú)法維持機(jī)端電壓，發(fā)電機(jī)電壓很快將降至0附近，即使不配置低電壓保護(hù)，發(fā)電機(jī)也無(wú)法為專(zhuān)設(shè)安全設(shè)施提供電源。

（2）電壓互感器回路故障：電壓互感器故障會(huì)導(dǎo)致低電壓保護(hù)誤動(dòng)，應(yīng)急工況供電可靠性降低。

（3）發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路：當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路點(diǎn)靠近機(jī)端時(shí)（如圖1中b所示），發(fā)電機(jī)機(jī)端剩余繞組電壓低于低電壓保護(hù)定值，保護(hù)會(huì)動(dòng)作停機(jī)。但如果內(nèi)部相間短路點(diǎn)靠近中性點(diǎn)側(cè)（如圖1中c所示），因發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)功能的存在會(huì)增大勵(lì)磁，使靠近機(jī)端側(cè)部分繞組電壓升高，故障相電壓將超過(guò)低電壓定值，低電壓保護(hù)不會(huì)動(dòng)作，而中性點(diǎn)至短路點(diǎn)的繞組故障電流也會(huì)增大，最終可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)燒毀。

3.3? ? 定子過(guò)流保護(hù)（2取2邏輯）

發(fā)電機(jī)定子過(guò)流保護(hù)作為1E級(jí)保護(hù)時(shí)，電流取自發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)，且定值通常比普通過(guò)流保護(hù)大，當(dāng)靠近電流互感器附近發(fā)生相間短路時(shí)，定子電流小于過(guò)流保護(hù)定值，保護(hù)不會(huì)動(dòng)作，供電可靠性較高。當(dāng)相間短路點(diǎn)遠(yuǎn)離發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)時(shí)，定子電流會(huì)超過(guò)保護(hù)定值，能夠避免發(fā)電機(jī)重大損壞。定子過(guò)流保護(hù)較好地平衡了差動(dòng)過(guò)流保護(hù)和低電壓保護(hù)在提高供電可靠性和避免發(fā)電機(jī)損壞上的矛盾，但在定值整定時(shí)還需綜合考慮發(fā)電機(jī)過(guò)電流能力等因素。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

本文從應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)供電可靠性和避免發(fā)電機(jī)損壞兩方面對(duì)國(guó)內(nèi)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)常見(jiàn)的三種1E級(jí)電氣量保護(hù)進(jìn)行了分析：發(fā)電機(jī)差動(dòng)過(guò)流保護(hù)方案更偏重于保護(hù)發(fā)電機(jī)，避免發(fā)電機(jī)重大損壞，在極端工況下可靠性相對(duì)較低;低電壓保護(hù)（3取2邏輯）方案更偏重于供電可靠性，但可能造成發(fā)電機(jī)重大損壞;定子過(guò)流保護(hù)（2取2邏輯）在二者之間相對(duì)平衡。但是應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)1E級(jí)電氣量保護(hù)無(wú)論采用何種配置方案，發(fā)電機(jī)在應(yīng)急工況下保護(hù)均不完備，在應(yīng)急模式下運(yùn)行（特別是在試驗(yàn)過(guò)程中模擬應(yīng)急模式）時(shí)運(yùn)行人員需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，當(dāng)觸發(fā)N1E級(jí)保護(hù)動(dòng)作報(bào)警時(shí)，需及時(shí)根據(jù)當(dāng)前供電情況做出決策，避免反應(yīng)堆發(fā)生事故或造成柴油發(fā)電機(jī)重大損壞。

[參考文獻(xiàn)]

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[2] IEEE standard criteria for diesel generator units applied as standby power supplies for nuclear? power generating stations：IEEE 387—1995[S].

[3] 核電廠(chǎng)備用電源用柴油發(fā)電機(jī)組準(zhǔn)則：EJ/T 625—2004[S].

收稿日期：2020-06-09

作者簡(jiǎn)介：汪南華（1987—），男，湖南婁底人，工程師，長(zhǎng)期從事核電廠(chǎng)應(yīng)急電源檢修和維護(hù)、繼電保護(hù)設(shè)備運(yùn)維工作。