浙江省三門縣三門核電有限公司 張 超

1 背景

AP1000廠用電有六段中壓母線，中壓1段和中壓2段具有縱深防御功能，配有備用柴油發(fā)電機(jī)，具備自動(dòng)帶載功能。中壓3段至6段為主泵及常規(guī)島負(fù)荷供電。六段中壓母線與廠變、輔變低壓繞組相連。廠變高壓側(cè)與主變低壓側(cè)、主發(fā)電機(jī)相連，并裝設(shè)發(fā)電機(jī)出口斷路器，主變高壓側(cè)與500kV 開關(guān)站相連。輔變高壓側(cè)與220kV 開關(guān)站相連。500kV 開關(guān)站采用3/2接線，兩個(gè)完整串，兩回線路與電網(wǎng)相連。220kV 開關(guān)站采用雙母線接線，有一回線路與電網(wǎng)相連。

廠用電電源包括正常電源、優(yōu)先電源、輔助電源和備用電源。正常電源來自主發(fā)電機(jī)；主發(fā)電機(jī)未并網(wǎng)由主變?yōu)閺S用電供電時(shí)為優(yōu)先電源；主變檢修期間，廠用電由輔變供電稱為輔助電源；核島中壓母線由備用柴油發(fā)電機(jī)供電時(shí)稱為備用電源，此時(shí)常規(guī)島中壓母線失電。

2 問題的引出

2.1 廠用電運(yùn)行方式

優(yōu)先電源與輔助電源之間通過快速切換（以下記為快切）、殘壓切換（以下記為殘切）與手動(dòng)并聯(lián)切換來實(shí)現(xiàn)，其中快切和殘切由主變、廠變故障后由保護(hù)裝置觸發(fā)，只能用于優(yōu)先電源切換至輔助電源，手動(dòng)并聯(lián)切換是雙向的；優(yōu)先電源與輔助電源均失去，記錄為廠外電事故，備用柴油發(fā)電機(jī)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)并為該島中壓母線供電。四種電源的使用順序是：正常電源→優(yōu)先電源→輔助電源→備用電源。

2.2 主發(fā)電機(jī)孤島模式的產(chǎn)生

主發(fā)電機(jī)運(yùn)行期間，主變高壓側(cè)中性點(diǎn)零序電流過流、主發(fā)電機(jī)失步等異常，保護(hù)會(huì)斷開主變高壓側(cè)500kV 斷路器，使主發(fā)電機(jī)進(jìn)入孤島運(yùn)行模式。發(fā)電機(jī)出口斷路器不斷開，只帶廠用電運(yùn)行。當(dāng)電網(wǎng)異?；謴?fù)并具備主變并網(wǎng)條件時(shí)，500kV 開關(guān)站斷路器通過同期重新并網(wǎng)。廠用電使用正常電源時(shí)有并網(wǎng)和孤島兩種模式。孤島模式后的廠用電運(yùn)行方式如圖1所示。

圖1 孤島模式后的廠用電運(yùn)行方式（部分）

孤島模式下如果關(guān)鍵敏感設(shè)備（SPV）無法運(yùn)行，主發(fā)電機(jī)將解列，廠用電喪失正常電源。從圖1中看出，目前沒有合適的廠用電切換至輔助電源的措施，期間會(huì)造成廠用電失電，對機(jī)組的停堆響應(yīng)、汽輪機(jī)打閘惰轉(zhuǎn)運(yùn)行產(chǎn)生干擾。為此，本文將著重探討如何解決孤島模式下的廠用電切換。

3 廠用電切換方式

AP1000廠用電從優(yōu)先電源至輔助電源之間，有快切、殘切與并聯(lián)切換三種方式。本節(jié)將通過分析影響切換成功的判據(jù)，找到廠用電切換的改進(jìn)方法，為孤島模式下廠用電切換提供解決方案。

3.1 同期切換的判據(jù)

3.1.1 快切判據(jù)

快切與殘切都是自動(dòng)切換，當(dāng)主變、廠變及其高低壓側(cè)電氣設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，由發(fā)電機(jī)保護(hù)或主變保護(hù)動(dòng)作后觸發(fā)，將廠用電切換至輔變。殘切作為快切的備用，當(dāng)快切失敗，中壓母線由殘切恢復(fù)供電。兩種切換方式均無法手動(dòng)觸發(fā)，只能從優(yōu)先電源切換至輔助電源。核島中壓母線接線如圖2所示。

圖2 核島中壓母線接線

快切過程中斷路器M1與斷路器M2分別接到保護(hù)裝置的觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)執(zhí)行分閘、合閘，間隔為100ms，不會(huì)導(dǎo)致廠用電失電。允許快切的同期判據(jù)為：兩個(gè)電源測量PT1 與PT2 之間的電壓差＜10%Un，頻差＜0.05Hz，相位差＜20°。機(jī)組滿功率并網(wǎng)運(yùn)行期間，機(jī)組頻率與電網(wǎng)一致，相位角約為14°，滿足快切條件。切換后，電壓恢復(fù)為額定電壓，中低壓母線帶載電動(dòng)機(jī)能繼續(xù)運(yùn)行。

3.1.2 手動(dòng)切換判據(jù)

主變計(jì)劃停電前將廠用電從主變帶載切換至輔變帶載。主變與輔變雖然電壓等級(jí)不同，但輔變所在電網(wǎng)與主變所在電網(wǎng)通過變壓器產(chǎn)生了電磁聯(lián)系，屬于同源網(wǎng)絡(luò)。能滿足同期判別的電壓差、頻差與相位差條件。

無論是自動(dòng)切換還是手動(dòng)切換，影響同期判別的因素只在于頻差與相位差，并且這種同期與主發(fā)電機(jī)并網(wǎng)、備用柴油發(fā)電機(jī)并網(wǎng)不同，不依賴調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速或電壓滿足壓差、頻差和相位差。只要屬于同一電網(wǎng)，兩個(gè)電源點(diǎn)就能滿足頻差。通過變壓器的調(diào)壓裝置能滿足壓差。而相位差是在設(shè)計(jì)階段根據(jù)電網(wǎng)潮流計(jì)算確定的判據(jù)，屬于不可控制的。優(yōu)先電源與輔助電源之間的快切與手動(dòng)切換能否滿足同期判據(jù)，只依賴于兩個(gè)電源點(diǎn)是否同源。

3.2 殘切動(dòng)作方式

快切失敗時(shí)斷路器M1因保護(hù)觸發(fā)動(dòng)作斷開，母線電壓持續(xù)下降，達(dá)到75%額定電壓時(shí)，會(huì)延時(shí)3s觸發(fā)中壓母線掃負(fù)荷，將所有中壓母線、負(fù)荷中心母線帶載電動(dòng)機(jī)跳開，當(dāng)母線電壓達(dá)到30%額定電壓時(shí)，保護(hù)裝置觸發(fā)斷路器M2合上，母線電壓恢復(fù)。此時(shí)核島中壓母線使用柴油機(jī)帶載邏輯，觸發(fā)負(fù)荷自動(dòng)帶載。而常規(guī)島中壓母線只有斷路器M2與斷路器LBK 合閘，其余斷路器M1、電動(dòng)機(jī)斷路器MBK 及負(fù)荷中心母線斷路器LMBK 均斷開。

核島中壓母線電壓低于75%額定電壓時(shí)，會(huì)觸發(fā)備用柴油發(fā)電機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)。當(dāng)殘切成功后，受測量PT2有電閉鎖，備用柴油發(fā)電機(jī)保持空載運(yùn)行。只有當(dāng)測量PT1與PT2均無電時(shí)，備用柴油發(fā)電機(jī)出口斷路器DBK 才允許合閘并執(zhí)行自動(dòng)帶載程序。儀控系統(tǒng)中有允許快切投運(yùn)的軟操按鈕，當(dāng)快切退出時(shí)，殘切也一并退出。確保了殘切在設(shè)計(jì)上作為快切的備用。

4 孤島模式下電源切換方式

4.1 同期判據(jù)在孤島模式下的狀態(tài)

孤島模式下，主發(fā)電機(jī)輸出功率由廠用電決定，各中壓母線所帶負(fù)荷不同，導(dǎo)致各中壓母線的潮流分布產(chǎn)生差異。此時(shí)輔變依然處于空載狀態(tài)，各中壓母線PT2測量點(diǎn)的相位是相同的。廠用電與輔變此時(shí)不是同一電網(wǎng)，因此頻差與相位差必然不能滿足要求。將主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至同步轉(zhuǎn)速后，電網(wǎng)頻率波動(dòng)較小，可以認(rèn)為頻差也滿足要求。

孤島運(yùn)行期間，同期允許信號(hào)小于700ms，周期長度也會(huì)隨著頻差的變化而發(fā)生變化，這個(gè)過程是無法進(jìn)行控制的。進(jìn)入孤島運(yùn)行且出現(xiàn)故障使優(yōu)先電源喪失時(shí)，一定會(huì)出現(xiàn)快切觸發(fā)命令，如果此時(shí)同期允許信號(hào)正好存在，將會(huì)允許M2斷路器合閘，而信號(hào)觸發(fā)及斷路器合閘時(shí)間共計(jì)160ms，也就導(dǎo)致斷路器合閘時(shí)相位差已不滿足要求，此時(shí)會(huì)造成斷路器M2因相位差過大而產(chǎn)生過電流，對母線帶載電動(dòng)機(jī)造成電流沖擊。最嚴(yán)重的情況是180°反相位合閘，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致進(jìn)線斷路器M2跳閘，使母線失電。

4.2 孤島模式下的人為干預(yù)

機(jī)組進(jìn)入孤島模式后，根據(jù)分析，快切功能需要閉鎖，導(dǎo)致殘切功能同時(shí)被閉鎖。因機(jī)組停運(yùn)導(dǎo)致母線失電，而輔變測量點(diǎn)PT2處有電，備用柴油發(fā)電機(jī)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，但出口斷路器DGBK 無法合閘。如不采取人為干預(yù)，會(huì)導(dǎo)致母線失電且備用柴油發(fā)電機(jī)無法并網(wǎng)帶載的全廠失電工況。此時(shí)反應(yīng)堆將喪失強(qiáng)迫循環(huán)及自然循環(huán)，只能依靠非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)將反應(yīng)堆置于安全狀態(tài)。在輔變?nèi)杂须姷那闆r下，這是不合理的。

目前應(yīng)對孤島運(yùn)行的異常運(yùn)行規(guī)程中，主控室人員需要第一時(shí)間安排運(yùn)行值班員將核島中壓母線測量點(diǎn)PT2的二次回路斷開，防止備用柴油發(fā)電機(jī)無法自動(dòng)帶載。然后將6段中壓母線的快切允許信號(hào)置于閉鎖狀態(tài)。此時(shí)如果發(fā)生機(jī)組無法運(yùn)行的工況，核島中壓母線仍能通過低電壓信號(hào)啟動(dòng)備用柴油發(fā)電機(jī)并進(jìn)行帶載，常規(guī)島中壓母線失電后通過輔變斷路器M2手動(dòng)恢復(fù)供電。

5 廠用電切換功能待改進(jìn)方式

5.1 斷路器M2增加同期裝置

孤島運(yùn)行期間，斷路器M2屬于電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)，通過增加專設(shè)的同期裝置，調(diào)節(jié)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓，使斷路器M2兩側(cè)的壓差、頻差和相位差滿足同期條件，然后再執(zhí)行手動(dòng)并聯(lián)切換，在斷路器M2合閘后200ms 后自動(dòng)斷開斷路器M1。主發(fā)電機(jī)在200ms 內(nèi)與220kV 電網(wǎng)并聯(lián)，但汽輪機(jī)控制系統(tǒng)此時(shí)仍判斷汽輪發(fā)電機(jī)機(jī)處于空載狀態(tài)，氣門開度會(huì)維持固定開度。不會(huì)發(fā)生主發(fā)電機(jī)通過中壓母線向220kV 電網(wǎng)發(fā)電的可能性。增加同期裝置后，確保孤島模式下的廠用電切換不會(huì)導(dǎo)致中壓母線失電，主泵不停運(yùn)，仍能維持一回路強(qiáng)迫循環(huán)將反應(yīng)堆熱量導(dǎo)出至二回路，有利于反應(yīng)堆的安全運(yùn)行。

5.2 修改殘切功能

快切的觸發(fā)判據(jù)：變壓器保護(hù)動(dòng)作與同期條件滿足與測點(diǎn)PT2有電與快切軟操按鈕置于可用。殘切的觸發(fā)判據(jù)：母線電壓低于30%額定電壓與測點(diǎn)PT2有電與完成掃負(fù)荷與快切軟操按鈕置于可用。

孤島模式下，快切功能必然不能使用，但通過殘切將核島中壓母線恢復(fù)至自動(dòng)帶載狀態(tài)，有利于一回路建立自然循環(huán)，恢復(fù)核島及汽輪機(jī)安保電源，并且還有備用柴油發(fā)電機(jī)作為備用。有助于提高反應(yīng)堆安全。從判據(jù)條件可以看出，將快切軟操按鈕置于可用從殘切的判據(jù)中取消，不影響殘切作為快切備用的功能。母線手動(dòng)停電時(shí)，斷路器M2會(huì)在停電前置于試驗(yàn)位，合閘回路電源會(huì)斷開，殘切觸發(fā)也無法合上。因此取消快切軟操按鈕的判據(jù)是可行的。

5.3 兩種方案的對比

增加同期裝置的方案需要增設(shè)一臺(tái)同期裝置，需要具備調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓和汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的功能，采集六段中壓母線的母線電壓及測量PT2處的電壓，可以向六段中壓母線斷路器M2發(fā)出合閘命令的接線，新增回路共需要40根電纜。優(yōu)點(diǎn)是孤島模式下可以使用并聯(lián)切換，不會(huì)導(dǎo)致中壓母線失電。缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生設(shè)備費(fèi)用，對現(xiàn)有設(shè)備的二次回路接線影響大，并且只在孤島模式下起作用。

修改殘切功能只需要對現(xiàn)有保護(hù)裝置內(nèi)的邏輯進(jìn)行修改，不會(huì)產(chǎn)生設(shè)備費(fèi)用。既能確保孤島模式下機(jī)組能建立自然循環(huán)，減少常規(guī)島電源恢復(fù)的時(shí)間，又能減少事故工況下人為干預(yù)措施，使運(yùn)行人員能專注于反應(yīng)堆安全。同時(shí)，這種修改也適用于非孤島模式。缺點(diǎn)就是孤島模式下必然會(huì)經(jīng)歷中壓母線失電。

對比兩種方案，增加同期裝置是維持孤島模式下將廠用電轉(zhuǎn)移至輔助電源的有效措施。孤島模式下SPV 設(shè)備發(fā)生故障后，修改殘切功能是防止全廠失電工況的有效措施。兩種方案是互為補(bǔ)充的。從變更實(shí)施的難易程度及產(chǎn)生費(fèi)用的角度考慮，應(yīng)先實(shí)施殘切功能修改，機(jī)組運(yùn)行積累經(jīng)驗(yàn)后，再實(shí)施增加同期切換裝置。

6 結(jié)語

AP1000機(jī)組孤島模式下，因受限于非同源電網(wǎng)的同期不可用，殘切功能被閉鎖，廠用電缺少向輔助電源切換的功能，人為不干預(yù)的情況下，如果發(fā)生SPV 設(shè)備故障，將會(huì)導(dǎo)致全廠失電，喪失縱深防御功能，只能通過非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)將反應(yīng)堆熱量導(dǎo)出。

通過分析現(xiàn)有廠用電的快速切換、殘壓切換與手動(dòng)切換的實(shí)現(xiàn)方式，得出非同源電源無法在孤島模式下手動(dòng)進(jìn)行切換，提出了增設(shè)斷路器M2的同期裝置使廠用電能不停電的切換至輔助電源；分析出現(xiàn)有殘切功能被快切無法使用閉鎖，提出了修改殘切功能使孤島模式下發(fā)生機(jī)組無法運(yùn)行時(shí)，使廠用電通過殘切切換至輔變帶載的方法。對比兩種互為補(bǔ)充的方案，根據(jù)實(shí)施的難易程度，提出了可行的改進(jìn)方式，能有效解決孤島模式下廠用電無法向輔助電源切換的問題。