何小磊

（上海核工程研究設計院）

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)地介紹了電廠設計的供電可靠性響應措施和部分重要措施的相關原理，表明核電廠交流電源系統(tǒng)的設計是可靠的，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。在能動型電廠中，安全級交流電力系統(tǒng)為設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置及可靠的響應措施，可以將核電廠帶入其他運行工況，或保證持續(xù)生產(chǎn)，或將核電廠帶入一個安全狀態(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置的應對措施，從而說明壓水堆核電廠交流電源系統(tǒng)的設計是可靠的，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急柴油發(fā)電機和應對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的基本結構，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置的應對措施，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施上均為冗余設置，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備供電，使反應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、主變高壓側的斷路器、中壓母線的進線斷路器均應跳閘。

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，將廠用負荷迅速轉移到廠外備用電源，并輔以設置適當?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，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應小于電動機的允許起動電壓，設為1.1倍額定電壓Un，則有

K△Un＜1.1Un

△U＜1.1/K

設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”右側為備用電源允許合閘的安全區(qū)域，左側為不安全區(qū)域。若取K=0.95，則△U＜1.15，圖2中B'-B”的左側為不安全區(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)藥大學附屬第二醫(yī)院口腔科行下頜阻生第三磨牙拔除術的260例患者為研究對象，按照手術方法不同，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)計學意義(P>0.05)，具有可比性?；颊呒捌浼覍倬炇鹬橥鈺狙芯拷?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致備用電源與優(yōu)先電源具有較大的相位差，這可能導致“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，在設置同期捕捉切換的整定值時，應考慮一定的提前量。

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?？梢愿鶕?jù)電廠實際情況設置“程序帶載”，在恢復供電后帶載重要的輔助負荷。

4.3電源切換的意義

通過設置可靠的電源切換，使電廠在經(jīng)歷汽輪機100%甩負荷后，將反應堆帶入安全停堆狀態(tài)；也可通過合理的電廠控制，使反應堆處于熱備用狀態(tài)，待電氣故障排除后，迅速恢復生產(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，應急柴油發(fā)電機是設計基準事故下實現(xiàn)安全停堆、防止放射性物質大量泄漏的最重要動力來源，為安全級系統(tǒng)；若應急柴油發(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，在設計基準事件發(fā)生導致其不可用前，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)調度原因而導致從開關站上切除發(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，反應堆快速降功率、主蒸汽旁排等各大系統(tǒng)運行穩(wěn)定，反應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，電廠功率調節(jié)失敗，反應堆停堆，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，主泵斷電將導致反應堆冷卻劑流量下降，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）惰走結束后交流電源的供應和改進

汽輪發(fā)電機組惰走結束后，發(fā)電機斷路器跳閘，此時若廠外備用電源可用，應通過電源切換裝置將廠用負荷轉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)的響應措施，并提出了廠用電設計時應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］.電力自動化設備，2006，26（11）：107-110.

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

［3］ 王步瑤. 電源切換對感應電機產(chǎn)生的影響［J］. 湖南工程學院學報，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）