王東博，張 旭，錢厚軍，陳富杰，黃貴鑫，沈唯威，趙英男

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

核電廠正常運(yùn)行期間，若出現(xiàn)全廠失電或主泵電源異常跳閘將引發(fā)反應(yīng)堆一回路主泵轉(zhuǎn)速降低，反應(yīng)堆冷卻劑流量下滑，反應(yīng)堆堆芯熱量無法及時導(dǎo)出，燃料棒溫度將持續(xù)升高，因此引發(fā)反應(yīng)堆冷卻劑溫度進(jìn)一步升高，反應(yīng)堆壓力容器壓力升高，若無進(jìn)一步干預(yù)措施，將引起燃料包殼燒毀，堆芯熔化等重大核安全事故。因此維持主泵的正常運(yùn)轉(zhuǎn)在核電廠運(yùn)行中具有重大意義。秦山核電廠在發(fā)變組保護(hù)模塊中設(shè)計(jì)了特有的發(fā)電機(jī)惰走保護(hù)，保障在事故狀態(tài)時汽輪機(jī)主汽門關(guān)閉狀況下汽輪發(fā)電機(jī)仍可利用剩余慣性惰走能量保障主泵供電，直至電壓、頻率等不滿足主泵運(yùn)行條件后切除發(fā)電機(jī)，改用其他方式帶廠用電運(yùn)行，從而延長主泵等負(fù)荷冷卻反應(yīng)堆的時間。2018年秦山核電廠OT-118大修中對發(fā)變組保護(hù)進(jìn)行變更改造，本次改造優(yōu)化了發(fā)電機(jī)惰走保護(hù)，提高了保護(hù)的可靠性和選擇性。

秦山核電廠一次系統(tǒng)主接線圖如圖1所示。

圖1 秦山核電廠一次系統(tǒng)主接線圖Fig.1 The main wiring of the primary system of Qinshan NPP

其中2P59線和2428線為電廠送出線路，當(dāng)電網(wǎng)異常波動或外線路故障導(dǎo)致兩條出線均跳閘，或出線開關(guān)2001M異常跳閘時，汽輪機(jī)(Digital Electric Hydraulic Control System，簡稱DEH，是汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)，通過控制汽輪機(jī)主汽門和調(diào)門的開度，實(shí)現(xiàn)對汽輪發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷、壓力、轉(zhuǎn)速等的控制)根據(jù)機(jī)組運(yùn)行條件判別邏輯，此時DEH由負(fù)荷控制模式切換至轉(zhuǎn)速控制模式，DEH迅速調(diào)節(jié)汽輪機(jī)主汽門位置，如果由于主給水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)異常導(dǎo)致蒸發(fā)器水位過高停機(jī)或蒸發(fā)器水位過低停堆，或在甩負(fù)荷瞬態(tài)下汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)3090 r/min時，OPC汽輪機(jī)超速保護(hù)控制單元(Over speed Protect Controller,簡稱OPC)未動作或在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速3300 r/min時電超速保護(hù)未動作，導(dǎo)致汽輪機(jī)超速引發(fā)停機(jī)，則發(fā)變組保護(hù)啟動惰走保護(hù)。

秦山核電廠快切裝置為雙套配置，每套裝置含有兩種不同切換方式，可根據(jù)運(yùn)行要求進(jìn)行切換方式的選擇。其一為605/603,606/604自動切換方式，跳開工作段進(jìn)線開關(guān)605/606，合上啟備變進(jìn)線開關(guān)603/604，即全切模式。其二為630/603,640/604自動切換模式，跳開工作段和公用段聯(lián)絡(luò)開關(guān)630/640，合上啟備變進(jìn)線開關(guān)603/604，即半切模式，目前本廠正常運(yùn)行條件下采用此種切換方式。

1 原惰走保護(hù)分析

1.1 1987年發(fā)電機(jī)惰走保護(hù)分析

1987年秦山核電廠主接線圖與圖1基本一致，但運(yùn)行方式有所不同。6 kV廠用電工作I、II段由高壓廠變帶載運(yùn)行，6 kV公用I、II段，安全I(xiàn)、II段由高壓啟備變帶載運(yùn)行，其中工作段、公用段聯(lián)絡(luò)開關(guān)630、640在熱備用狀態(tài)，兩臺220 kV變壓器分列運(yùn)行。根據(jù)惰走保護(hù)邏輯圖(圖2)所示， 在220 kV母線低電壓，停堆或停機(jī)信號，且發(fā)電機(jī)未出現(xiàn)逆功率的條件下，惰走保護(hù)啟動，此時跳出口斷路器2001M，同時閉鎖快切。此時快切采用半切模式(斷開工作段進(jìn)線開關(guān)605/606，合上聯(lián)絡(luò)開關(guān)630/640)。

圖2 惰走保護(hù)邏輯圖Fig.2 The logic of generator coasting operation protection

故障狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)惰走保護(hù)啟動閉鎖快切，保障發(fā)電機(jī)惰走能量全部供給至工作段負(fù)荷，保障主泵的持續(xù)運(yùn)行。待發(fā)電機(jī)頻率低于46 Hz后，發(fā)電機(jī)解列，同時跳開工作段進(jìn)線開關(guān)。由此可得出結(jié)論：在該運(yùn)行條件下，惰走保護(hù)邏輯合理。

1.2 2003年發(fā)電機(jī)惰走保護(hù)分析

2003年發(fā)變組保護(hù)由電磁式保護(hù)改為微機(jī)式保護(hù)ABB RET521型，其中惰走保護(hù)啟動沿用1987年邏輯，即在惰走開始啟動時閉鎖快切。但2003年發(fā)變組改造時，秦山核電廠廠用電運(yùn)行方式已發(fā)生改變，正常運(yùn)行時，公用I、II段進(jìn)線開關(guān)603/604在熱備用狀態(tài)，公用I、II段由工作段母線經(jīng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)630/640帶載運(yùn)行。此時發(fā)生故障，惰走啟動即閉鎖快切，將造成發(fā)電機(jī)在惰走期間同時帶工作段、公用段、安全段全部負(fù)荷運(yùn)行，由于喪失汽輪機(jī)動力，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速將持續(xù)下降，電能質(zhì)量下降，電壓及頻率均降低，直接影響下游負(fù)荷的正常運(yùn)行。低電壓情況下，將造成海水泵、安注泵、噴淋泵等負(fù)荷無法正常啟動。影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。待惰走結(jié)束后，發(fā)變組保護(hù)跳開出口斷路器2001B并解列滅磁，同時待運(yùn)行人員手動復(fù)歸快切裝置后，快切恢復(fù)正常工作狀態(tài)，檢測工作段電壓低于定值后，啟動切換，斷開630/640聯(lián)絡(luò)開關(guān)，合上603/604開關(guān)，公用段由啟備變帶載運(yùn)行；若啟備變不可用，快切將閉鎖切換功能，由應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)提供廠用電源。

在發(fā)電機(jī)惰走期間，保護(hù)已閉鎖快切，快切裝置需要運(yùn)行人員手動復(fù)歸才可正常工作。惰走結(jié)束后發(fā)電機(jī)解列滅磁，若此時運(yùn)行人員未能及時復(fù)歸快切裝置，將造成全廠失電的重大停電事故。公用段母線電壓跌至2.4 kV時，將引起公用段負(fù)荷低電壓保護(hù)跳閘。安全段電壓跌至4.41 kV時，將引起柴油機(jī)發(fā)電機(jī)應(yīng)急啟動，若此時發(fā)電機(jī)尚在惰走狀態(tài)時，將引發(fā)發(fā)電機(jī)逆功率等故障，直至應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)過載導(dǎo)致跳閘，引起事故進(jìn)一步擴(kuò)大。由此可發(fā)現(xiàn)，在這種運(yùn)行方式下，惰走保護(hù)邏輯不合理。

2 惰走保護(hù)邏輯的改進(jìn)

針對原惰走保護(hù)邏輯，對新保護(hù)邏輯進(jìn)行優(yōu)化，如圖3所示。

圖3 新惰走保護(hù)邏輯圖Fig.3 The new logic of generator coasting operation protection

(1)增加孤島運(yùn)行模式。將2001M和2001B開關(guān)雙位置接點(diǎn)(一組常開，一組常閉)分別引入至保護(hù)裝置，在確保2001M正確分閘，2001B正確合閘條件下，機(jī)組進(jìn)入孤島模式，即發(fā)電機(jī)甩開外電網(wǎng)，僅帶廠用電運(yùn)行。若發(fā)電機(jī)能夠維持住3000 r/min，機(jī)端電壓維持在18 kV，可待廠外電源恢復(fù)或消除外線路故障后，通過同期裝置合閘2001M開關(guān)，從而恢復(fù)正常并網(wǎng)運(yùn)行模式。孤島運(yùn)行模式設(shè)置單獨(dú)光子牌，以便提醒運(yùn)行操作人員的正確操作。

(2)入口條件優(yōu)化。相較于2003年惰走保護(hù)，原邏輯增加孤島運(yùn)行狀態(tài)，確保在機(jī)組進(jìn)入孤島運(yùn)行方式后，出現(xiàn)停機(jī)/停堆信號，且未發(fā)生發(fā)電機(jī)逆功率條件下，啟動發(fā)電機(jī)惰走保護(hù)開始邏輯。提高惰走保護(hù)的可靠性，降低保護(hù)誤動概率。

(3)出口方式優(yōu)化。將原出口方式“閉鎖快切”變更為“啟動快切”，發(fā)電機(jī)進(jìn)入惰走狀態(tài)時，發(fā)電機(jī)是不可靠的，發(fā)電機(jī)僅需要以惰走能量帶工作段主泵運(yùn)行即可，同時發(fā)變組保護(hù)裝置觸發(fā)啟動快切信號，若此時啟備變正常，將根據(jù)快切裝置切換邏輯把除工作段以外其他負(fù)荷全部切至啟備變帶載運(yùn)行；若此時啟備變異常(由快切裝置邏輯判斷)，則閉鎖快切切換邏輯，此時將由核電廠專設(shè)邏輯根據(jù)安全段電壓情況判斷是否觸發(fā)“失電”邏輯，后續(xù)將啟動應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)，由應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)帶安全段運(yùn)行，確保反應(yīng)堆安全。

(4)惰走結(jié)束跳閘出口優(yōu)化。惰走結(jié)束后，增加跳工作段進(jìn)線開關(guān)605/606，降低運(yùn)行風(fēng)險。

3 同類型電廠保護(hù)分析

1991年，作為中國向國外出口的第一座核電站，巴基斯坦恰?，敽穗姀S1～4號機(jī)組中發(fā)電機(jī)惰走保護(hù)采用的保護(hù)邏輯與1987年秦山核電廠基本一致。由恰?，敽穗姀S一次主接線圖4(以2號機(jī)組為例，其他機(jī)組類同)中由惰走保護(hù)邏輯圖5可分析，當(dāng)220 kV、132 kV系統(tǒng)均出現(xiàn)故障，且發(fā)電機(jī)惰走保護(hù)啟動時，保護(hù)將閉鎖廠用電源切換。由于外電網(wǎng)均已不可靠，僅由發(fā)電機(jī)惰走慣量給廠內(nèi)負(fù)荷供電，保障主泵的運(yùn)行，并在發(fā)電機(jī)頻率低于45 Hz條件下跳開GCB(Generator Circuit-Breaker發(fā)電機(jī)出口斷路器)，由應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)向廠內(nèi)負(fù)荷提供電源。

圖4 恰?，擟-2核電廠主接線圖Fig.4 The main wiring of the primary system of CHASNUPP 2

圖5 恰?，擟-2核電廠惰走保護(hù)邏輯圖Fig.5 The logic of generator coasting operation protection in CHASNUPP 2

快切保護(hù)邏輯中，若工作電源與備用電源均發(fā)生故障，則快切保護(hù)將自動閉鎖切換，并于備用電源恢復(fù)時自動解除閉鎖。若132 kV輔助變進(jìn)線電源僅為瞬時故障，此時發(fā)電機(jī)已經(jīng)開始惰走條件下，惰走保護(hù)閉鎖快切，即在快切本可正常進(jìn)行切換時而無法進(jìn)行廠用電切換(保護(hù)閉鎖快切需手動復(fù)歸，所需時間較長)，這將給機(jī)組帶來一定的運(yùn)行隱患。因此在現(xiàn)有保護(hù)邏輯下，無需保護(hù)出口閉鎖快切，由快切裝置自身邏輯判斷即可。220 kV系統(tǒng)和132 kV系統(tǒng)故障時，快切裝置啟動閉鎖邏輯，發(fā)電機(jī)惰走開始，若132 kV系統(tǒng)未在發(fā)電機(jī)惰走期間恢復(fù)，即可在惰走結(jié)束后跳開GCB開關(guān)解列滅磁，若132 kV系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)惰走期間恢復(fù)，即可正常啟動快切邏輯，保障廠用電負(fù)荷的正常運(yùn)行。

4 發(fā)電機(jī)甩廠外負(fù)荷試驗(yàn)

改造后，秦山核電廠在啟機(jī)后分別在50%、100%功率平臺進(jìn)行發(fā)電機(jī)甩廠外負(fù)荷試驗(yàn)。在功率平臺下，運(yùn)行人員將調(diào)節(jié)棒T4控制在高位，確認(rèn)DEH上IMP、MW信號正確后，手動斷開2001M出線開關(guān)，汽輪機(jī)DEH迅速調(diào)節(jié)主汽門位置，調(diào)門開度下降至8.4(50%FP)、9.4(100%FP)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制在3000 r/min并保持穩(wěn)定，未出現(xiàn)汽機(jī)超速現(xiàn)象。主控室報“孤島模式”運(yùn)行，AVR迅速調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓，使其穩(wěn)定在18 kV，發(fā)電機(jī)帶廠用電正常運(yùn)行，未發(fā)生發(fā)電機(jī)惰走情況，發(fā)變組保護(hù)響應(yīng)正確。

5 結(jié) 論

本文通過對歷次發(fā)電機(jī)惰走保護(hù)的改造進(jìn)行總結(jié)并分析，在此基礎(chǔ)上提出一種新的惰走保護(hù)邏輯，并于改造中驗(yàn)證，滿足當(dāng)前運(yùn)行條件，貫徹了核電廠縱深防御安全管理及技術(shù)理念。同時分析同類型電廠惰走保護(hù)邏輯，提出設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。針對于其他核電廠的不同類型的運(yùn)行方式，需要進(jìn)行更進(jìn)一步理論分析和驗(yàn)證。