任少義 徐曉玥 陳騰飛

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AP1000 機組主泵過載保護計算及校驗優(yōu)化

任少義 徐曉玥 陳騰飛

（山東核電有限公司，山東煙臺 265116）

本文根據(jù)AP1000機組主泵電機過載保護定值的計算結(jié)果和校驗方式，詳細闡述了SEL-710型綜合保護繼電器過載保護定值計算方法，分析了現(xiàn)行的主泵電機過載保護定值及其校驗方式存在的缺陷與不足，提出了新的過載保護定值及校驗方式，并通過試驗驗證了新的保護校驗方式合理可行，為完善AP1000主泵電機及其他電機負荷的過載保護計算及校驗提供了建議和參考。

AP1000機組；主泵；過載保護；保護校驗

AP1000機組反應堆冷卻劑泵（簡稱主泵、RCP）作為一回路的動力之源，通過建立強迫循環(huán)帶出反應堆堆芯熱量，對維持壓力邊界、保持熱阱等安全相關(guān)功能的執(zhí)行有重要作用[1]。AP1000主泵采用屏蔽泵設計，設計壽命60年，一旦主泵出現(xiàn)故障需要解體檢修，考慮到主泵安裝復雜、工程量大等因素，就將嚴重降低電廠效益，甚至可能挑戰(zhàn)核電廠安全裕量。因此，完善的主泵保護對于提高AP1000機組運行的可靠性及經(jīng)濟性有著重要意義。

1 主泵電源配置簡介

AP1000機組配置了4臺主泵，電源分別取自常規(guī)島四段10.5kV、50Hz中壓母線，通過主泵變頻器輸出6.9kV、60Hz電源，再經(jīng)兩個串聯(lián)的1E級斷路器連接至主泵電機[2]，如圖1所示。

兩列主泵斷路器均為主泵及其相連的電纜、安全殼貫穿件提供相關(guān)的電氣保護。其中，B列主泵斷路器配置了SEL-751A型綜合保護繼電器，設有欠/過壓、過頻、過流/速斷和逆功率等保護。C列主泵斷路器配置了SEL-710型綜合保護繼電器，設有欠壓、過載、過流/速斷等保護[3]。C列主泵斷路器配置的過載保護，主要為主泵電機的過載和堵轉(zhuǎn)等工況提供保護。

圖1 主泵電源主接線圖

2 主泵過載保護定值優(yōu)化

AP1000機組主泵電機過載保護選用了SEL-710繼電器過載（49）保護元件的標準熱曲線（Curve Thermal Method）方式，SEL-710繼電器提供了45條標準曲線供用戶使用。在相同的電流作用下，曲線數(shù)值越大，過載保護動作時間越長。

2.1 定值計算

過載保護定值計算需要如下主泵電機數(shù)據(jù)：

額定功率——5518kW（7400hp）；

額定電壓——6900V；

額定電流——781A；

堵轉(zhuǎn)電流——2769A；

堵轉(zhuǎn)時間（熱態(tài)）——14s；

服務系數(shù)——1.15。

根據(jù)SEL-710繼電器說明書，按照下述公式確定需要選用的標準熱保護曲線。

將主泵參數(shù)代數(shù)上式，得＜2.35。為了獲得更大的安全裕量，取=1。

需要說明的是，在實際的電機運行中，當＜＜2.5時，SEL-710繼電器熱態(tài)條件下的定子熱元件起主要作用，其電流-時間數(shù)學關(guān)系如下：

當≥2.5時，SEL-710繼電器冷態(tài)條件下的轉(zhuǎn)子熱元件起主要作用，其電流-時間數(shù)學關(guān)系如下：

式中，為電機電流與額定電流之比；為跳閘時間。

2.2 配合校驗

根據(jù)AP1000主泵電機設計數(shù)據(jù)，其定子繞組運行工況下過載限制、不同條件下堵轉(zhuǎn)限制數(shù)據(jù)見表1。

表1 主泵電機過載、堵轉(zhuǎn)限制數(shù)據(jù)

根據(jù)SEL-710繼電器過載保護特性曲線= 1的電流-時間數(shù)學關(guān)系，結(jié)合主泵電機限制數(shù)據(jù)，可以得出主泵電機過載保護配合關(guān)系如圖2所示。

圖2 主泵過載保護配合

由圖2可以看出，選用SEL-710繼電器過載保護標準曲線=1，對于主泵電機定子繞組過載及高電壓、大堵轉(zhuǎn)電流工況保護靈敏度很高、動作較迅速，但是對于低電壓、堵轉(zhuǎn)電流較小時的工況則靈敏度較低，甚至無法動作。需要另外通過過流/速斷保護，以實現(xiàn)對主泵電機的全范圍的電流保護。

2.3 定值優(yōu)化

過載保護特性曲線無法完全包絡主泵電機定子過載限制、堵轉(zhuǎn)限制曲線，不能實現(xiàn)對主泵電機全面的過載、堵轉(zhuǎn)保護。雖然針對此問題設計方增設了反時限過流和速斷保護，但是這些過流元件既無法累計主泵電機的歷史發(fā)熱量，也不能緊密跟蹤電機溫度驟變的工況[4-5]，而SEL-710繼電器過載保護元件在這些方面較電流元件優(yōu)勢顯著。如果能改善過載保護的特性曲線，使其完全包絡主泵電機的限制曲線，結(jié)合過流/速斷保護，就會對主泵電機實現(xiàn)更靈敏、更可靠的電氣保護。

=1已經(jīng)是SEL-710繼電器過載保護所能提供的最小標準曲線，故標準的熱保護曲線已無法為主泵電機提供更全面的過載保護。

當選取=46時，SEL-710繼電器允許用戶自定義一條符合實際主泵電機過載限制的保護曲線。自定義曲線需要輸入至少5個、最多28個電流—跳閘時間信息。根據(jù)主泵電機定子過載、堵轉(zhuǎn)限制數(shù)據(jù)，結(jié)合SEL-710繼電器過載自定義跳閘曲線電流數(shù)據(jù)，確定輸入的10個跳閘時間，見表2。

原則上，這些跳閘時間要比主泵電機過載限制允許時間小，留出足夠的裕度以避免對主泵電機造成損傷。剩余點跳閘時間設置為AUTO，由SEL-710繼電器自行計算。

表2 自定義過載保護Curve=46數(shù)據(jù)

根據(jù)=46的自定義、自整定數(shù)據(jù)，主泵電機新的過載保護特性曲線及其配合關(guān)系如圖3所示。

從圖3中可以看出，新的過載保護曲線可以完全包絡主泵電機的定子繞組過載和堵轉(zhuǎn)限制曲線，實現(xiàn)對主泵電機更全面的保護。

3 過載保護定值校驗優(yōu)化

3.1 過載保護定值校驗存在的問題

根據(jù)前文計算可知，SEL-710繼電器過載保護特性曲線分為兩段：①＜＜2.5時的熱態(tài)定子過載保護特性曲線；②≥2.5時的冷態(tài)堵轉(zhuǎn)保護特性曲線。但目前的AP1000主泵過載保護校驗程序只驗證了冷態(tài)條件下的動作曲線，而未對更貼近實際運行條件的熱態(tài)定子過載保護動作特性做校驗。

對比電機熱態(tài)與冷態(tài)工況，兩者初始條件不同，電流-時間關(guān)系也不相同。以2.2倍主泵額定電流條件為例，冷態(tài)條件下約110s過載保護動作跳閘，而熱態(tài)條件下僅不到24s即跳閘，時間差距較大。顯然，僅驗證冷態(tài)條件下的定子過載保護動作特性，對于主泵過載保護定值配合校驗來說是不夠嚴謹?shù)?，也無法全面驗證SEL-710繼電器過載保護元件數(shù)據(jù)合格、可靠，這將給主泵運行帶來安全隱患[6-7]。

3.2 過載保護校驗改進方案

對于SEL-710繼電器過載保護，如果能驗證熱態(tài)條件下的定子過載保護特性曲線、冷態(tài)條件下的堵轉(zhuǎn)保護特性曲線，嚴格模擬實際的主泵電機過載保護運行特性，就會更為直接、準確地確認SEL-710繼電器過載元件性能是否合格、可靠。這也會降低主泵安全隱患，對于核電廠運行的安全和效益有著重要意義。

對于熱態(tài)條件下定子過載保護特性校驗，最大的難點在于，如何在離線的條件下模擬SEL-710繼電器初始的熱態(tài)工況。根據(jù)研究SEL-710繼電器過載保護發(fā)熱量數(shù)學計算模型及相關(guān)條件，可知其過載保護元件在發(fā)熱量達到81%時，即判定電機處于熱態(tài)工況（達到100%后過載保護即動作跳閘）。所以，校驗方案可以先施加較大的電流（如1.1倍額定電流），時刻觀察定子發(fā)熱量（Stator TCU）的變化。當其增至81%左右時，迅速施加預先計算好的電流量以測得相應的跳閘時間，與理論計算結(jié)果對比、分析。

3.3 試驗驗證

根據(jù)SEL-710繼電器過載保護標準曲線，熱態(tài)條件下定子過載保護電流—時間數(shù)學關(guān)系：

首先，對SEL-710施加1.1倍額定電流，觀察Stator TCU增加至81%左右；然后迅速施加2.2倍額定電流，測得相應的跳閘時間。重復以上步驟，分別測得2.3、2.4倍額定電流下熱態(tài)定子過載保護的跳閘時間，試驗結(jié)果及誤差見表3。

表3 過載保護定值熱態(tài)校驗數(shù)據(jù)

考慮到測量時間包括了SEL-710繼電器熱過載元件、出口節(jié)點的動作時間，加之試驗的關(guān)鍵步驟需要人為判斷、手動操作，這不可避免地增加了人因誤差。綜合考慮以上因素，筆者認為10%的誤差是可接受的。

4 結(jié)論

主泵是AP1000機組的核心部件之一，對于整個機組的重要性不言而喻。目前，主泵過載保護及其校驗方式存在以下問題：

1）過載保護無法對小堵轉(zhuǎn)電流工況做出響應，需要增加過流/速斷保護。

2）主泵過載保護校驗未對更符合實際運行工況的熱態(tài)定子過載保護特性做校驗，僅驗證冷態(tài)定子保護特性無法保證SEL-710繼電器過載保護元件參數(shù)合格、運行可靠。

以上兩個問題對于主泵的安全運行具有較大的安全隱患，尤其后一問題，筆者了解到行業(yè)范圍內(nèi)對于熱態(tài)條件下的電機過載保護校驗均存在此類問題。希望業(yè)界同仁們能夠制定更多、更詳盡方案和措施，完善大型電機類負荷的保護及其校驗規(guī)程，減小電機運行安全方面的隱患和不確定性。

[1] 王志. AP1000非能動堆芯冷卻系統(tǒng)及系統(tǒng)設計瞬態(tài)研究[J]. 中國核電, 2011(3): 195-206.

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Optimize for AP1000 RCP Overload Protection Calculation and Verifying

Ren Shaoyi Xu Xiaoyue Chen Tengfei

(Shandong Nuclear Power Company Ltd, Yantai, Shandong 265116)

According to calculation result and verifying test for AP1000 RCP overload protection setting, this paper demonstrates the calculation way of SEL-710 relay overload protection setting, analyzes the deficiencies of the RCP overload protection settings and verifying test, provides a new overload protection setting and verifying scheme, verifies rationality and feasibility for the verifying scheme by the improved test. It provides advice and instructions for AP1000 RCP and other motors overload protection calculation and setting verifying tests.

AP1000 Unit; RCP; overload protection; protection setting verifying

任少義（1986-），男，黑龍江巴彥縣人，碩士研究生，主要從事電廠繼電保護及電氣系統(tǒng)技術(shù)管理工作。