魏 巍， 孟 佳， 劉愛(ài)芬， 紀(jì)秀艷

(華龍國(guó)際核電技術(shù)有限公司， 北京 100037)

0 引言

近些年來(lái)隨著國(guó)際上核電廠對(duì)斷相事件的反饋越來(lái)越多，斷相事件對(duì)于核電廠運(yùn)行安全的影響也日益受到關(guān)注。目前國(guó)內(nèi)外核電廠普遍對(duì)于斷相工況缺乏相應(yīng)的應(yīng)對(duì)手段，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)和美國(guó)核管會(huì)(NRC)都將斷相事件定義為核電廠的薄弱項(xiàng)，國(guó)家核安全局也要求核電設(shè)計(jì)單位研究斷相事件并且在新建核電廠中給出應(yīng)對(duì)措施。為此，調(diào)研國(guó)內(nèi)和國(guó)外核電廠的斷相事件，為進(jìn)一步提出核電廠應(yīng)對(duì)斷相事件的改進(jìn)措施和建議提供基礎(chǔ)。

1 核電廠斷相事件定義及必要性

斷相事件的定義[1-5]是電源進(jìn)線的三相中有一相(或者兩相)長(zhǎng)期斷開(kāi)。發(fā)生斷相事件的起因有很多種，比如線路一相斷線，斷路器、隔離開(kāi)關(guān)導(dǎo)電觸頭故障引起一相到兩相未接通或未斷開(kāi)，高壓熔斷器一相熔斷等，斷相故障會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)的電壓和電流不平衡，嚴(yán)重時(shí)將燒毀電動(dòng)機(jī)等設(shè)備。

由于目前國(guó)內(nèi)和法國(guó)的核電廠設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，只考慮了電壓?jiǎn)适录?duì)核電廠運(yùn)行的影響，而忽略了斷相事件對(duì)于核安全的影響，都沒(méi)有對(duì)斷相工況監(jiān)測(cè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和措施。斷相事件如果不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，有可能導(dǎo)致廠外和廠內(nèi)電源都不能為電廠內(nèi)的安全級(jí)系統(tǒng)供電，進(jìn)而導(dǎo)致核電廠不能安全停堆。

目前國(guó)內(nèi)的核電廠針對(duì)發(fā)電機(jī)、變壓器和電動(dòng)機(jī)的繼電保護(hù)配置，包括發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)、突加電壓保護(hù)、負(fù)序電流保護(hù)、低壓閉鎖過(guò)流保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、速斷保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)、單相接地保護(hù)等，但現(xiàn)有的繼電保護(hù)配置方案都不能可靠監(jiān)測(cè)斷相事件的發(fā)生。

2 國(guó)外核電廠斷相事件經(jīng)驗(yàn)反饋

(1)Forsmark核電廠3號(hào)機(jī)組斷相事件

Forsmark核電廠在2013年5月30日大修期間，因?yàn)橐獙?號(hào)機(jī)組連接到一個(gè)新的70 kV開(kāi)關(guān)站，原70 kV進(jìn)線停電。繼電器試驗(yàn)引起負(fù)序保護(hù)動(dòng)作送出跳閘信號(hào)跳開(kāi)400 kV電網(wǎng)的機(jī)組斷路器，機(jī)組斷路器兩相跳閘，而第三相由于一個(gè)接頭松動(dòng)仍然處于閉合狀態(tài),由此發(fā)生了兩相斷相事件。柴油機(jī)供電的10 kV母線電壓沒(méi)有下降到65%以下(啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)的動(dòng)作值)，因此柴油發(fā)電機(jī)未能啟動(dòng)，余熱排出功能喪失，17 min后燃料池的溫度上升了0.7 ℃。操縱員通過(guò)斷開(kāi)非安全級(jí)和安全級(jí)母線之間的聯(lián)絡(luò)斷路器，手動(dòng)啟動(dòng)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)，從而啟動(dòng)“自動(dòng)啟動(dòng)功能”，并按順序帶載。

因?yàn)槿嘀杏幸幌鄾](méi)有斷開(kāi)，機(jī)組斷路器位置指示為中間位置。主變壓器為星角接線方式，廠內(nèi)與廠外電網(wǎng)之間出現(xiàn)了相位差。配備相位差保護(hù)的運(yùn)行設(shè)備跳閘，于是余熱排出功能喪失。手動(dòng)分離柴油機(jī)供電母線與外部電網(wǎng)供電母線，并由輔助柴油機(jī)供電，余熱排出系統(tǒng)恢復(fù)。在啟動(dòng)柴油機(jī)的同時(shí)，就地復(fù)位柴油冷卻水系統(tǒng)的相位差保護(hù)。

事件的直接原因是一相跳閘裝置的電纜連接頭松動(dòng)，當(dāng)虛假跳閘信號(hào)被送到斷路器時(shí)，只有兩相斷開(kāi)，另一相依然閉合。配備有相位差保護(hù)的安全相關(guān)設(shè)備跳閘，這導(dǎo)致在該運(yùn)行模式下最重要的余熱排出功能喪失。因?yàn)槟妇€沒(méi)有安裝相位差保護(hù)，正常的電網(wǎng)和柴油機(jī)后備的電網(wǎng)之間沒(méi)有解環(huán)運(yùn)行。在斷相事件中，本應(yīng)將非安全相關(guān)的母線和柴油機(jī)后備的安全相關(guān)母線解環(huán)的低電壓保護(hù)并未啟動(dòng)。低電壓保護(hù)動(dòng)作值為65%的給定值。該給定值是經(jīng)過(guò)正序?yàn)V波器的相間電壓平均值。在本事件的情況下，電壓高于65%。

短期措施包括修復(fù)機(jī)組斷路器跳閘機(jī)構(gòu)松動(dòng)的電纜。長(zhǎng)期措施考慮改善對(duì)柴油機(jī)后備安全母線電壓質(zhì)量的監(jiān)測(cè)。在電壓質(zhì)量降低時(shí)斷開(kāi)非安全母線電網(wǎng)，使柴油機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)。

(2)Byron核電廠斷相事件

2012年1月30日，Byron核電廠2號(hào)機(jī)組處于滿功率運(yùn)行狀態(tài)，由于開(kāi)關(guān)站A型框架結(jié)構(gòu)內(nèi)的345 kV懸式陶瓷絕緣子發(fā)生機(jī)械故障，引起兩臺(tái)輔助變壓器的C相永久開(kāi)路，導(dǎo)致開(kāi)路相的輔助變壓器側(cè)出現(xiàn)小電流接地故障。反應(yīng)堆冷卻劑泵的母線出現(xiàn)持續(xù)的低電壓，反應(yīng)堆自動(dòng)緊急停堆。

該事件暴露出1E級(jí)低電壓繼電保護(hù)配置存在缺陷，即沒(méi)有檢測(cè)出開(kāi)關(guān)站設(shè)備失效而引起的斷相故障。

(3)Bruce A核電廠斷相事件

2012年12月22日，大風(fēng)導(dǎo)致與1號(hào)啟動(dòng)變壓器連接的一條230 kV架空線下垂線在連接的底板處斷開(kāi)，導(dǎo)致了一個(gè)不接地的斷相故障，從而引起啟動(dòng)變壓器供電的廠內(nèi)配電系統(tǒng)電壓不平衡，引發(fā)1號(hào)機(jī)組維修冷卻系統(tǒng)泵電氣保護(hù)動(dòng)作跳閘。

由此分析，用于連接下垂線的連接板沒(méi)有應(yīng)用最佳設(shè)計(jì)方案。變壓器所在位置的強(qiáng)風(fēng)對(duì)下垂線施加了足夠的應(yīng)力，致使其從焊接板上脫落，造成此次事件發(fā)生。

(4)Dungeness B核電廠21號(hào)和22號(hào)機(jī)組斷相事件

2014年4月27日，Dungeness B核電廠22號(hào)機(jī)組處于正常功率運(yùn)行狀態(tài)，21號(hào)機(jī)組處于停堆狀態(tài)，電網(wǎng)擾動(dòng)引發(fā)電壓不平衡工況。該事件導(dǎo)致22號(hào)機(jī)組反應(yīng)堆緊急停堆以及兩臺(tái)機(jī)組反應(yīng)堆強(qiáng)迫冷卻系統(tǒng)功能喪失。

Dungeness B核電廠主控室接到負(fù)相序報(bào)警，隨后證實(shí)導(dǎo)致廠內(nèi)電源系列降級(jí)的原因是一條400 kV聯(lián)絡(luò)母線的一相開(kāi)路。只要有一個(gè)并聯(lián)供電回路存在，這個(gè)潛在故障就不會(huì)被發(fā)現(xiàn)。按計(jì)劃進(jìn)行電網(wǎng)倒閘操作后，當(dāng)并聯(lián)供電回路解環(huán)運(yùn)行時(shí)，廠內(nèi)275 kV系統(tǒng)只剩兩相(C相上無(wú)電流)供電。

22號(hào)機(jī)組主發(fā)電機(jī)負(fù)相序保護(hù)跳閘，導(dǎo)致反應(yīng)堆自動(dòng)緊急停堆。幾分鐘后，22號(hào)機(jī)組氣體循環(huán)裝置和主冷卻劑泵保護(hù)動(dòng)作跳閘。

(5)Vandellos 核電廠2號(hào)機(jī)組斷相事件

2006年8月，當(dāng)主變壓器R相斷路器的支撐絕緣子頂部的連接電纜松動(dòng)時(shí)，發(fā)生了斷相工況，但主控室操縱員沒(méi)有收到由于斷路器故障導(dǎo)致斷相工況的指示信號(hào)。這引起了主發(fā)電機(jī)相間不平衡保護(hù)動(dòng)作、汽機(jī)跳機(jī)以及反應(yīng)堆自動(dòng)緊急停堆。事件發(fā)生后，運(yùn)行人員巡檢開(kāi)關(guān)站，在很短的時(shí)間內(nèi)目視發(fā)現(xiàn)了斷相工況。運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)主變壓器只有兩相供電。

故障發(fā)生在主變壓器開(kāi)關(guān)站側(cè)，是由絕緣子環(huán)狀轉(zhuǎn)動(dòng)接觸金具被燒壞造成的。兩列并聯(lián)切換斷路器安裝在母線和變壓器連接的上游(開(kāi)關(guān)站側(cè))。發(fā)電機(jī)跳閘后，低電壓繼電器無(wú)法監(jiān)測(cè)出斷相情況，斷相相的電壓可以由未斷相的另外兩相合成，或變壓器高/低壓側(cè)的主發(fā)電機(jī)產(chǎn)生。電站沒(méi)有配備能在發(fā)電機(jī)跳閘后監(jiān)測(cè)出斷相工況的電氣保護(hù)。

(6)Koeberg核電廠斷相事件

2005年11月，Koeberg核電廠在1號(hào)機(jī)組換料大修期間倒閘操作時(shí)，為了給新的廠用變壓器供電，所有400 kV母線間隔切換到備用母線上運(yùn)行，2號(hào)機(jī)組并網(wǎng)并給廠用設(shè)備供電。此外，一臺(tái)400/132 kV耦合聯(lián)絡(luò)變壓器運(yùn)行于1 A母線。由于A母線分段斷路器斷開(kāi)，2號(hào)機(jī)組的輸出經(jīng)過(guò)母線1 A的1號(hào)分段母線。由于母線1 A的1號(hào)分段隔離開(kāi)關(guān)A相存在隱藏的開(kāi)路，2號(hào)機(jī)組A相輸出轉(zhuǎn)移，通過(guò)400/132 kV 1號(hào)耦合聯(lián)絡(luò)變壓器轉(zhuǎn)移到132 kV母線，然后從400/132 kV 2號(hào)耦合聯(lián)絡(luò)變壓器回流到400 kV母線，導(dǎo)致發(fā)生了不平衡工況。這種不平衡工況觸發(fā)了1號(hào)耦合聯(lián)絡(luò)變壓器后備接地故障保護(hù)動(dòng)作跳閘。之后Acacia 400 kV線路跳閘。隨后，2號(hào)耦合聯(lián)絡(luò)變壓器后備接地故障保護(hù)動(dòng)作跳閘，另外兩條400 kV線路也跳閘。所有這些斷路器都在五秒鐘內(nèi)跳閘，五秒鐘后2號(hào)機(jī)組跳閘。

該事故發(fā)生的原因在于在倒閘操作前，不知道母線1 A的1號(hào)分段隔離開(kāi)關(guān)A相存在隱藏的開(kāi)路。母線1 A的1號(hào)分段隔離開(kāi)關(guān)A相觸頭沒(méi)有完全閉合，留下一個(gè)10 cm的間隙，2號(hào)機(jī)組輸出通過(guò)了這個(gè)故障的分段隔離開(kāi)關(guān)。

3 國(guó)內(nèi)核電廠斷相事件經(jīng)驗(yàn)反饋

方家山核電廠發(fā)生過(guò)一次斷相工況，500 kV GIS設(shè)備三相聯(lián)動(dòng)的隔離開(kāi)關(guān)、分合閘開(kāi)關(guān)指示器在運(yùn)行期間出現(xiàn)過(guò)ABC三相不能同步分閘的缺相故障，后續(xù)改造方案將原來(lái)只設(shè)計(jì)在A相的開(kāi)關(guān)狀態(tài)反饋增加為ABC三相分別設(shè)置開(kāi)關(guān)狀態(tài)反饋。

4 總結(jié)

本文綜述了國(guó)內(nèi)和國(guó)外核電廠的斷相事件經(jīng)驗(yàn)反饋，總結(jié)出以下易發(fā)生斷相事件的位置，如表1所示。

表1 核電廠運(yùn)行反饋斷相事件及發(fā)生斷相事件的位置

5 改進(jìn)建議

上述總結(jié)的發(fā)生斷相事件的位置，對(duì)正在運(yùn)行的核電廠以及規(guī)劃建造的核電廠都具有借鑒作用。為避免類似事件再次發(fā)生，本文提出以下兩方面改進(jìn)建議：

(1)在核電廠日常巡檢中，可將上述易發(fā)生斷相的位置加到巡檢流程中，作為日常巡檢的一部分。巡檢員在巡檢過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注上述易發(fā)生的斷相位置，避免類似斷相事件的發(fā)生。

(2)可在易發(fā)生斷相事件的位置投入能夠監(jiān)測(cè)斷相事故的電氣設(shè)備，并將監(jiān)測(cè)信號(hào)送到主控室，以便操縱員及時(shí)發(fā)現(xiàn)斷相事故，避免斷相故障范圍的擴(kuò)大。

(3)將只在A相設(shè)置開(kāi)關(guān)狀態(tài)反饋增加為在ABC三相分別設(shè)置開(kāi)關(guān)狀態(tài)反饋。