AP1000核電廠廠用電快切原理及其對設備的影響

趙立東，唐海燕

（中核集團三門核電有限公司，浙江 三門 317112）

在大容量核電機組［1］中，廠用電系統的安全可靠［2］對整個機組的安全至關重要，而廠用電切換則是整個廠用電系統的一個重要環節［3-4］。在國內已投運的核電機組中，廠用電切換大多采用殘壓切換或經固定延時切換，廠用電在切換過程中均有1～2s甚至更長時間處于失電狀態。由于斷電時間過長，母線電壓和電動機的轉速都下降很大，將嚴重影響機組運行工況。一方面有些系統將退出運行，另一方面，合上備用電源后，由于電動機組自啟動電流很大，母線電壓將可能難以恢復，從而導致自啟動困難甚至被迫停機，且固定延時切換不能確保開關躲過反相點合閘，對電動機造成很大的合閘沖擊。而快速切換功能則可以大大提高廠用電的可靠性，目前國內多數大型火電廠及一些對電源可靠性要求較高的工礦企業都為廠用電配備了快速切換裝置［5-7］，部分核電機組也增設了快速切換裝置，如秦山一期采用MFC2000-2型快切裝置。

就AP1000機組［8］而言，其反應堆冷卻劑循環水泵（主泵）由變頻器提供60Hz的交流電源，在失電狀態下，變頻器僅能維持供電5個周波（100ms），為保證電源切換不中斷對主泵的供電，電源切換必須在100ms內完成。如果采用快切裝置，以MFC2000-2為例，在固有延時的基礎上，電源切換時間將增加12ms；采用其他類型的快切裝置也同樣會增加延時。因此基于上述考慮，AP1000機組沒有采用專門的快速切換裝置［9］，而采用系統和設備保護裝置直接向中壓斷路器發出分合閘的信號來實現電源的快速切換，簡化了快切的系統接線，減少了設備的投入，也減少了由于快切設備本身故障導致快切不成功的概率。

本文將對AP1000機組的快切原理進行分析，并給出其切換邏輯，進一步分析快切對廠內負荷的影響。

1 快切原理分析

三門核電廠首臺AP1000機組共設置六段中壓母線，電壓等級為10.5kV，為電廠內的大電機及變壓器負荷提供電源。其中，兩段母線（ES-1和ES-2）布置在附屬廠房內，各配置一臺備用10.5kV柴油發電機，為核島中壓母線；四段母線（ES-3、ES-4、ES-5和 ES-6）布置在汽輪機廠房內，為常規島中壓母線。考慮到供電負荷的工作特性，核島和常規島中壓母線可進行快速切換。其系統簡圖如圖1所示。

圖1 系統簡圖

1.1 快切的啟動條件

（1）發電機出口斷路器（GCB）失靈時，將聯跳500kV氣體絕緣開關設備 （GIS）的斷路器并啟動快切。

（2）500kV GIS的斷路器失靈，并且主變高壓側和GIS之間的隔離刀閘在合位時，將聯跳GCB并啟動快切。

（3）當發生氣體絕緣封閉母線、主變、離相封閉母線、廠變、共箱母線等故障將導致正常電源和優先電源均不可用時，跳開GCB和500kV GIS，并啟動快切。

1.2 切換邏輯

快切的邏輯圖如圖2所示，采用美國SCHWEITZER公司的綜保裝置SEL-351實現。

當同期及狀態條件A等滿足要求時，快切時的切換時序圖如圖3所示，快切信號最大可以維持700ms。由于快切需要在100ms內完成，此時狀態條件A改變，實際中快切信號維持時間大于500ms且小于700ms。

圖2 切換邏輯圖

圖3 快切時的切換時序

1.3 電壓幅值、角度和頻率

通過SEL-351的同期檢測元件比較進線電壓Up和母線電壓Us的電壓幅值、相角和頻率，經計算并與整定值比較判定是否滿足同期條件。

1.3.1 同頻同期

當Up和Us的頻差不大于0.005Hz，此時判定Up和Us同頻，若電壓幅值及相角差都在定值范圍內，即判斷同頻同期條件滿足，執行同頻同期快切。

1.3.2 差頻同期

當Up和Us的頻差大于0.005Hz，此時判定Up和Us存在頻差。此時需要考慮斷路器合閘時間（t1）的角度補償。則角度補償

此時存在兩種情況：①角度差是遞減的；②角度差是遞增的。補償后的角差示意圖如圖4所示，U＊s為補償后的進線電壓。

若角差遞減，則Up和U＊s角差為零時，判斷同期條件滿足，此時合閘對系統沖擊最小；若角差遞增，此角差小于角度整定值時，則判斷同期條件滿足，執行快切。當三門核電站一期工程投入運行時，正常運行模式下500kV和220kV系統折算到10kV側Us和Up之間相角差為16.5°，Us滯后于Up。差頻同期時，斷路器合閘時間補償t1=60ms，以SEL-351最大整定頻差0.5Hz計算，由式（1）可知，補償角度為10.8°，小于初始相角差，屬于角差遞減情況，角差為零時合閘。

圖4 補償后的角差

2 快切對廠用設備的影響

三相短路故障是導致母線切換的最嚴重電氣故障，主要是因為：①加快電機減速，將增大電機的重啟動時間；②在進線斷路器合閘前，電動機的轉差率增大，在進線斷路器合閘時，將導致更大的沖擊電流，同樣將增大電機的重啟時間；③進線電壓和母線電壓的角差增大，在進線斷路器合閘瞬間，電機承受更大的合成電壓。下面將以主變低壓側到廠變高壓側的離相母線發生三相短路故障為例，分析母線電壓和電流的變化趨勢以及快切對負荷的影響。

2.1 快切對電機類負荷的影響

在進線斷路器跳閘后，異步電機突然失去外加電源，定子電流突然降為零，定子電流產生的旋轉磁勢也降為零，但由于匝鏈定子繞組的磁通不能突變，在轉子回路中產生瞬時感應電流抵消定子電流突然消失引起的磁通變化，以維持磁通不發生突變，轉子電流按照轉子繞組時間常數衰減，是衰減的直流電流。轉子繞組電流產生的磁場與轉子相對靜止，對定子繞組則以轉子角速度旋轉，異步電機類似于同步發電機，隨著轉子繞組直流電流的衰減和電機轉速的下降，中壓母線電壓的幅值和頻率也不斷下降。

ES-1～ES-6中壓母線的進線斷路器可承受的沖擊電流分別為1273、1282、5761、5273、4344、4 269A。在快切過程中，以常規島中壓母線為例，給出其母線電壓變化過程（300ms內）如圖5所示。

圖5 母線電壓變化趨勢

由圖5可以看出，在發生故障到故障切除前，母線電壓幅值衰減較大，頻率也在衰減，相角逐漸拉大，直到進線斷路器分閘備用進線斷路器合閘后，母線電壓恢復到90%的額定電壓，頻率恢復額定值，相角逐漸減小。對于備用進線斷路器合閘后的沖擊電流，以ES-1母線為例，初始的沖擊電流為1 437A，在22ms后沖擊電流降低到1 272A，22ms之前的沖擊電流大于進線斷路器的沖擊電流；而備用進線采用反時限電流保護，對應2 000A的電流時，需要23s才能跳開斷路器，對應1 437A的電流時，保護動作時間將更長，所以保護不會動作，可以確保快切啟動。

由于電機的額定電壓是10kV，所以電機的合成電壓計算公式為，將

式中Us——系統等值電壓；UM——電動機殘壓；δ——Us和UM之間的相角；UR——電動機的合成矢量電壓。

考慮電機數量較多，在分析時以容量最大的主給水泵電機（7 800kW，總計三臺）為例，該電機的堵轉電流為2 591A。電動機的電壓、電流及轉差的變化趨勢如圖6所示。

由圖6可以看出，在發生故障到故障切除前，電機的轉差增大，轉速減小，在斷路器合閘后，電機的轉差減小，轉速增大，并將逐步恢復到額定轉速。并且，在故障清除后，電機的自啟動電流小于電機的堵轉電流，電機可以成功啟動。

2.2 快切對干式變壓器的影響［10］

快切成功時，干式變壓器將經歷一個重合閘的過程，由于磁場的不可突變性，將會在變壓器內部產生沖擊電流，因為此時變壓器的端電壓小于變壓器的額定電壓，故該沖擊電流小于變壓器啟動時的勵磁涌流。由于變壓器本身具備承受短時短路電流的能力且速斷保護按照躲過勵磁涌流整定，因此快切時的沖擊電流不會對變壓器造成損傷，變壓器保護也不會無誤動。

2.3 快切對主泵的影響

圖6 電機參數變化趨勢

反應堆在高于閾值功率（10%額定功率）運行時，若1臺主泵低于91%額定轉速就要保護停堆。主泵變頻器可以在70%額定電壓下持續運行，55%額定電壓下跳閘，且可以在瞬時失電的情況下在100ms自啟動，捕捉主泵轉速，并根據V／F比平滑輸出。由于主泵惰轉飛輪的存在，轉動慣量大，主泵從額定轉速惰轉到91%額定轉速約為1s，只要在此期間完成快切，可以維持不停堆。

3 結論

核電廠對電源的可靠性要求較高，快速切換時要保證主泵的連續運行，還要保證電廠內的大電機等可以成功的自啟動，從而減少反應堆因電氣故障導致的非計劃停堆次數，由此可見廠用快切對AP1000核電廠的重要性。三門核電一期工程的廠用快切具有如下特征。

（1）利用微機保護裝置結合可靠邏輯，在快切啟動后通過同頻同期或角度遞減模式的差頻同期實現快切。

（2）在發生故障到故障切除前，母線電壓幅值及頻率衰減，相角拉大，直到進線斷路器分閘備用進線斷路器合閘后，母線電壓逐漸恢復。

（3）在快切完成時，備用進線斷路器中將產生的電流將大于其可承受的沖擊電流，但是由于持續時間較短，在備用進線繼電器電流保護的動作范圍外，可以確保保護不會誤動。

（4）快切不會對電動機、變壓器及主泵等負荷造成重大影響，可以確保電機及變壓器負荷的正常啟動，主泵的不停轉，保護不會誤動。

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