核電機組網(wǎng)源協(xié)調(diào)的參數(shù)設(shè)定原則

高 鑫

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

2015年9月19日，800kV四川錦屏-蘇南特高壓直流發(fā)生雙極閉鎖。故障發(fā)生后，華東電網(wǎng)出現(xiàn)較大功率缺額，12s后全網(wǎng)頻率最低跌至49.56Hz，電網(wǎng)動態(tài)區(qū)域控制偏差（ACE）動作，進行全網(wǎng)旋轉(zhuǎn)備用容量緊急調(diào)用。但此次華東電網(wǎng)的頻率下降幅度極大地超越了預(yù)計值，其中一個重要原因為部分機組未發(fā)揮應(yīng)有的一次調(diào)頻能力，且一次調(diào)頻參數(shù)設(shè)置達不到國家和電力行業(yè)的相關(guān)標準和要求，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來較大的風(fēng)險和隱患。

由此引出“網(wǎng)源協(xié)調(diào)”的概念，網(wǎng)源協(xié)調(diào)是發(fā)電設(shè)備與輸電設(shè)備之間相互作用與相互協(xié)調(diào)配合技術(shù)領(lǐng)域的總稱。網(wǎng)源協(xié)調(diào)涉及的涉網(wǎng)設(shè)備主要包括發(fā)電機、勵磁系統(tǒng)及電力系統(tǒng)功率穩(wěn)定器（PSS）、原動機及調(diào)節(jié)系統(tǒng)、發(fā)變組保護、自動電壓控制（AVC）、自動發(fā)電控制（AGC）、無功補償裝置（SVC/SVG）、風(fēng)電與光伏的控制系統(tǒng)與保護裝置、發(fā)電廠一類輔機變頻器，網(wǎng)源協(xié)調(diào)監(jiān)測裝置等。

在中國倡導(dǎo)的低碳環(huán)保、助力能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的原則下，核電機組作為清潔能源具有先天的優(yōu)勢。但國內(nèi)核電機組的多堆型、不同容量、新老技術(shù)并存的結(jié)構(gòu)布局，使得核電機組運行時存在眾多關(guān)于網(wǎng)源協(xié)調(diào)的難題。本文將核電機組在運行中發(fā)現(xiàn)的關(guān)于網(wǎng)源協(xié)調(diào)的實際設(shè)定原則整理為3類，并分別予以分析和說明，最后給出意見。

表1 秦二廠頻率異常保護定值（修改前）Table 1 Fixed value of frequency anomaly protection in Qin II plant (before modification)

表2 秦二廠頻率異常保護定值（修改后）Table 2 Fixed value of frequency anomaly protection in Qin II plant (modified)

圖1 葉片壽命期內(nèi)允許運行時間限定圖Fig.1 Allowed run time limit diagram during blade life

1 設(shè)定值不合理，經(jīng)網(wǎng)源協(xié)調(diào)審查后及時修改

隨著時間的發(fā)展，電力系統(tǒng)一次二次設(shè)備也在不斷推陳更新，以往的設(shè)備在功能設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化上往往存在不足；而電廠往往秉承著保守決策的原則，對已經(jīng)投入生產(chǎn)且穩(wěn)定運行的設(shè)備參數(shù)變更持保守態(tài)度。因此，在機組運行很多年之后，設(shè)備采用的依然是機組最初設(shè)計調(diào)試階段使用的參數(shù)。隨著機組運行時間增加，設(shè)備自身狀態(tài)有所改變，國家和行業(yè)標準的要求也在不斷更新。因此，部分設(shè)定值就不再適用于電網(wǎng)和機組當(dāng)前的狀態(tài)。對于這些情況，電廠必須予以重視，及時核查修改。以秦二廠1、2號機組頻率異常保護（見表1）為例，發(fā)電機組低頻保護定值可按汽輪機和發(fā)電機制造廠有關(guān)規(guī)定進行整定，低頻保護定值應(yīng)低于系統(tǒng)低頻減載的最低一級定值（47.5Hz，0.3s），機組低電壓保護定值應(yīng)低于系統(tǒng)（或所在地區(qū)）低壓減載的最低一級定值。

秦二廠1、2號機組頻率異常保護定值設(shè)定明顯不符合要求，根據(jù)廠家的汽輪機偏離運行時葉片壽命期內(nèi)允許運行時間限定圖（見圖1）可知，汽輪機在48Hz～51.5Hz時可以長期連續(xù)運行，在46Hz～48Hz內(nèi)可以運行10min。因此，上述定值既不符合行業(yè)規(guī)定又不滿足廠家要求。

因此在此次網(wǎng)源協(xié)調(diào)核查工作中予以修改，修改后定值見表2，使得其既運行在圖2的限制范圍內(nèi)，又滿足國家及行業(yè)標準。

2 設(shè)定不滿足要求，但是受制于設(shè)備承受能力而無法更改

網(wǎng)源協(xié)調(diào)核查工作中，部分問題確實無法滿足國家及行業(yè)標準，主要原因是設(shè)備的設(shè)計承受能力制約其無法滿足要求。此類設(shè)備通常生產(chǎn)日期較早，設(shè)計能力有所欠缺。或者其生產(chǎn)廠家位于國外，設(shè)計時采用了不同于國內(nèi)的標準。對于此類情況，必須嚴格參照廠家的出廠要求，不能單純地為了滿足標準而突破設(shè)備能力的底線。下面通過兩個實例分析予以說明。

2.1 秦三廠機組發(fā)電機過電壓能力

秦三廠的發(fā)電機廠家為日本日立公司，發(fā)電機型號TFLQQ-KD，額定電壓22KV，其過電壓保護的定值見表3，其中過電壓Ⅰ段定值105V，延時10s動作于跳閘。

此定值不滿足DL/T684-2012中關(guān)于發(fā)電機過電壓保護定值1.3pu/0.5s的要求，并在華東電網(wǎng)2016年并網(wǎng)機組涉網(wǎng)保護專項核查自查中列出此整改項，隨后電廠委托華東設(shè)計院進行評估，設(shè)計院認為可按照絕緣過電壓水平加以設(shè)定，即1.3pu/0.5s。

表3 秦三廠過電壓保護的定值Table 3 Fixed value of overvoltage protection in Qin three plant

圖2 短時U/F能力曲線Fig.2 Short-time U/F capability curve

但是查閱發(fā)電機廠家技術(shù)手冊中提供的短時U/F能力曲線（見圖2），發(fā)電機不應(yīng)工作在高于1.2pu的過激磁（U/F）環(huán)境下，否則會引起鐵芯過熱等問題，在極端情況下可導(dǎo)致發(fā)電機鐵芯燒毀。因此，秦三廠兩臺機組發(fā)電機過電壓保護定值無法按照電網(wǎng)的要求進行整改，只能繼續(xù)延用原來的定值。

故在考慮發(fā)電機過電壓能力設(shè)定的時候，應(yīng)按照發(fā)電機在初始設(shè)計時所承受過電壓能力進行整定，而不可盲目地按照其他標準。但值得注意的是定子過電壓保護的整定值應(yīng)在不超出發(fā)電機過電壓能力的前提下，采用較高的定值。

2.2 方家山發(fā)電機低頻保護

頻率異常保護主要用于保護汽輪機。當(dāng)汽輪機處于低轉(zhuǎn)速運行時頻率降低，若發(fā)電機輸出功率不變，使得機械轉(zhuǎn)矩增加，葉片將過負荷運行；當(dāng)葉片嚴重過負荷時，機組將產(chǎn)生較大的振動，影響葉片壽命，甚至發(fā)生葉片及其拉金斷裂。

但較低的頻率設(shè)置對電網(wǎng)安全也有嚴重影響。當(dāng)電網(wǎng)因為故障損失大量電源時，頻率會迅速下降，倘若系統(tǒng)低頻減載實際容量遠低于計劃容量，且一次調(diào)頻效果有限的情況下，不能有效遏制頻率下降，此時發(fā)電機的低頻跳閘整定值較高，大量發(fā)電機將低頻保護跳閘，引發(fā)連鎖反應(yīng)，使得系統(tǒng)頻率惡性下降，直至電網(wǎng)崩潰。

方家山核電的頻率保護設(shè)定如表4所示，低頻保護Ⅳ段（47Hz，3s）不滿足標準DL/T 1309-2013附錄B中汽輪發(fā)電機組頻率異常運行能力的要求（47Hz，5s），高于系統(tǒng)低頻減載的最低一級定值（47.5Hz，0.3s）。但根據(jù)廠家提供的《4級核能發(fā)電機保護要求》，當(dāng)頻率小于47Hz時，需延時3s跳閘。同時參考DL/T684中大機組頻率異常運行允許時間建議值47Hz，每次10s，所以本工程低頻IV段低于47Hz，考慮帶一定動作延時，取3s，動作于跳閘。

3 通過設(shè)備變更改造的方式以滿足相關(guān)標準

當(dāng)采用老舊的保護裝置時，可能由于其設(shè)計落后或受制于生產(chǎn)工藝，無法實現(xiàn)部分功能。但隨著設(shè)備的運行及電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化，對一次設(shè)備的運行要求也在逐漸提高。因此，與之配合的保護裝置也必須滿足相對應(yīng)的要求。此時，對這些陳舊設(shè)備的改造變更就勢在必行。

以秦三廠的發(fā)電機失磁和失步保護為例分析如下：

發(fā)電機在失步時，其振蕩電流的大小接近甚至超越三相短路電流，而不同于三相短路的是，振蕩電流會在一段時間內(nèi)反復(fù)出現(xiàn)，這就使得發(fā)電機同時受到機械力和過熱的破壞。尤其是周期性的作用在汽輪機主軸上的振蕩扭矩，可能使得大軸受損，影響其壽命。因此，區(qū)內(nèi)和區(qū)外的滑極次數(shù)必須有嚴格的要求，同時主變阻抗定值和透鏡內(nèi)角也不可或缺。但秦三廠現(xiàn)有的發(fā)電機失步保護為ABB的RXZK23H保護裝置，型號較老，只有X、R、Is、α和Zt 5個定值設(shè)定項（見表5），行業(yè)標準中要求的低頻累積、失步滑極次數(shù)等功能都無法在此裝置中實現(xiàn)，因而暫無法整改。

表4 方家山核電的頻率保護定值Table 4 Frequency protection of square mountain nuclear power fixed value

表5 秦三廠發(fā)電機失步保護定值Table 5 Fixed value of generator lost step protection in Qin three plant

表6 秦三廠發(fā)電機失磁保護定值Table 6 Fixed value of generator magnetic loss protection in Qin three plant

與此類似的情況還有發(fā)變組失磁保護，通常其主判據(jù)有三相同時低電壓、異步邊界阻抗動作判據(jù)、靜穩(wěn)極限勵磁電壓動作判據(jù)等。其中，三相同時低電壓判據(jù)是為了防止發(fā)電機失磁故障轉(zhuǎn)化為局部系統(tǒng)的電壓崩潰，擴大了故障范圍；異步邊界阻抗動作判據(jù)屬于最廣泛使用的一種判據(jù)，當(dāng)發(fā)電機失磁后會進入異步區(qū)，此時裝設(shè)在機端的失磁阻抗繼電器會動作；靜穩(wěn)極限勵磁電壓動作判據(jù)是發(fā)電機在發(fā)出有功功率的情況下，根據(jù)靜穩(wěn)極限的要求所必需的最低勵磁電壓，如實際值小于最低值，失磁保護就會動作。秦三廠采用的是ALSTOM的LGPG111型裝置，裝置中只有-Xa（Offset）、Xb（Diameter）、t和tDO 四個定值設(shè)定項（見表6），而轉(zhuǎn)子電壓判據(jù)、母線電壓判據(jù)等功能都無法在裝置中實現(xiàn)，因此目前無法整改。

根據(jù)秦三廠變更改造安排，計劃在2020年4月和2021年4月完成兩臺機組發(fā)變組保護國產(chǎn)化改造，采用國內(nèi)通用設(shè)備后即可以滿足現(xiàn)有的國家和行業(yè)標準，為機組的穩(wěn)定運行增加了保障。

4 結(jié)論

當(dāng)前電網(wǎng)運行呈現(xiàn)交直流互聯(lián)電網(wǎng)相互影響、相互作用的特點，對并網(wǎng)機組安全穩(wěn)定運行提出了更高要求。近年來大批高參數(shù)、大容量新建核電機組接入電網(wǎng)運行，大批在運核電機組也采取了各種增容、技改措施，使得電源的動態(tài)特性品質(zhì)也發(fā)生了較大變化，直接影響到通道輸送能力及穩(wěn)定水平。電網(wǎng)與電源在安全穩(wěn)定運行方面的相互影響、相互依存關(guān)系愈加突出，網(wǎng)源協(xié)調(diào)管理工作中涉網(wǎng)保護相關(guān)任務(wù)也愈加重要。

對于已建成機組的網(wǎng)源協(xié)調(diào)管理中的參數(shù)設(shè)置暴露的問題，分析歸納為3個方面。首先，當(dāng)運行的參數(shù)設(shè)定滿足標準，且具備修改條件時，必須及時修改；其次受制設(shè)備實際的承受能力而無法滿足標準時，必須堅持以設(shè)備能力為基礎(chǔ)來整定，在不突破設(shè)備能力的前提下最大限度的滿足標準；最后對于可以通過改造變更來滿足標準的情況，應(yīng)該積極推動設(shè)備改造，盡早達到要求。