核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機1E級電氣量保護配置方案探討

摘? 要：應(yīng)急柴油發(fā)電機作為核電廠的后備電源，負責(zé)在核電廠失去全部外部電源時向?qū)ＴO(shè)安全設(shè)施和其他應(yīng)急負荷提供電源，確保反應(yīng)堆安全停堆，并持續(xù)冷卻反應(yīng)堆。目前，核電應(yīng)急柴油發(fā)電機1E級電氣量保護配置有差動過流保護、低電壓保護（3取2邏輯）以及定子過流保護（2取2邏輯）三種方案。鑒于此，在對國際、國內(nèi)相關(guān)標準進行剖析的基礎(chǔ)上，從提高應(yīng)急柴油發(fā)電機事故工況可靠性和避免發(fā)電機受到損壞兩個方面，探討三種保護配置方案的優(yōu)缺點，為應(yīng)急柴油發(fā)電機1E級電氣保護設(shè)計選型提供了參考。

關(guān)鍵詞：核電廠;應(yīng)急柴油發(fā)電機;1E級保護;配置;故障

1? ? 應(yīng)急柴油發(fā)電機運行工況及保護配置

核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機的運行工況可以分為應(yīng)急模式和試驗?zāi)Ｊ健?/p>

應(yīng)急模式是指外部電源失去，需應(yīng)急柴油發(fā)電機為核電廠專設(shè)安全設(shè)施和其他應(yīng)急負荷提供電源的工況。這種工況下，為保障反應(yīng)堆安全停堆并持續(xù)冷卻反應(yīng)堆，應(yīng)急柴油發(fā)電機僅投入少量保護，避免核電廠全部電源失去，此時投入的保護叫做應(yīng)急保護（又名“1E級保護”）。

試驗?zāi)Ｊ绞侵竿獠侩娫凑９╇娗闆r下進行柴油發(fā)電機試驗，驗證柴油發(fā)電機功能正常的工況。這種工況下，為防止柴油發(fā)電機損壞或事故擴大，要盡可能全地投入保護，此時投入的除1E級保護外的保護叫做非應(yīng)急保護（又名“N1E級保護”）。N1E級保護在試驗?zāi)Ｊ较聞幼鞑挥|發(fā)跳閘或停機信號，但會觸發(fā)報警信號至就地或主控室，為運維人員進行柴油發(fā)電機健康狀態(tài)評估提供信息。

應(yīng)急柴油發(fā)電機保護配置包括柴油機保護（機械及熱工保護）和發(fā)電機保護（電氣量保護）兩方面，本文僅針對1E級電氣量保護部分進行探討和分析。目前，國內(nèi)核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機1E級電氣量保護使用差動過流保護、低電壓保護（3取2邏輯）和定子過流保護（2取2邏輯）三種方案中的一種。三種方案在實際使用過程中各有優(yōu)缺點，本文將對三種配置方案進行對比分析，并就其優(yōu)缺點進行探討。

2? ? 國內(nèi)外相關(guān)標準要求

2.1? ? RCC-E 2012

壓水堆核電廠核島電氣設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)范（RCC-E 2012）[1]由法國核島設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則協(xié)會（AFCEN）發(fā)布，是壓水堆核電廠核島電氣設(shè)備的通用設(shè)計和建造基準，對應(yīng)急柴油發(fā)電機保護配置的相關(guān)要求在章節(jié)C2412中：“在應(yīng)急運行期間，應(yīng)保持可以使發(fā)電機停止的保護系統(tǒng)處于最小狀態(tài)，其中機械超速保護需保留，如果與電氣信號相關(guān)的系統(tǒng)執(zhí)行下面的兩個功能也可保留：a.它們保護發(fā)電機免受導(dǎo)致失去功能的快速損壞;b.有冗余邏輯配置的保護（如3取2邏輯）?！?/p>

RCC-E 2012標準中配置1E級電氣量保護需滿足避免發(fā)電機重大損壞和冗余邏輯兩個條件，但因差動過流保護需在發(fā)電機中性點和機端配置單獨的電流互感器，受空間限制，目前核電廠均未采用冗余配置差動過流保護方案，低電壓保護（3取2邏輯）和定子過流保護（2取2邏輯）配置方案可以實現(xiàn)上述標準要求。

2.2? ? IEEE 387—1995

IEEE 387—1995為核電廠備用電源用柴油發(fā)電機組準則[2]，由美國電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）發(fā)布，該標準的4.5.4節(jié)對應(yīng)急柴油發(fā)電機組的保護配置要求如下：“當柴油機超速和（或）發(fā)電機差動過流時，柴油發(fā)電機組應(yīng)自動停機。在事故工況期間，如果保留除柴油機超速和發(fā)電機差動過流外的保護，則對這些參數(shù)中的每一個參數(shù)提供兩個或更多個獨立測量并提供負荷停機邏輯?！必摵赏C邏輯電路的設(shè)計對每一個單獨的傳感器的啟動提供報警。在柴油發(fā)電機組試驗和在非事故工況運行期間，所有保護裝置有效。

IEEE 387—1995標準中要求差動過流保護應(yīng)配置為1E級保護，其余保護作為1E級保護應(yīng)設(shè)置冗余邏輯。目前，核電廠單獨將低電壓保護（3取2邏輯）和定子過流保護（2取2邏輯）且冗余配置作為柴油發(fā)電機1E級保護，與標準存在一定出入。

2.3? ? EJ/T 625—2004

《核電廠備用電源用柴油發(fā)電機組準則》（EJ/T 625—2004）[3]為國內(nèi)核行業(yè)標準，該標準對于應(yīng)急柴油發(fā)電機組的1E級保護配置要求在5.5.4中，其沿用了IEEE 387—1995的相關(guān)內(nèi)容，對應(yīng)急柴油發(fā)電機的1E級保護配置要求與IEEE 387—1995相同。

3? ? 保護配置方案優(yōu)缺點探討

通過上述標準的對比可知，目前三種電氣量1E級保護配置方案均不滿足三個標準全部要求。應(yīng)盡可能少地配置發(fā)電機1E級保護，其出發(fā)點是在提高應(yīng)急柴油發(fā)電機事故工況可靠性和避免發(fā)電機受到損壞之間尋找平衡。下文將從供電可靠性和避免發(fā)電機損壞兩方面出發(fā)，對三種配置方案進行對比分析。

3.1? ? 差動過流保護

發(fā)電機差動過流保護作為發(fā)電機主保護能夠直接且快速反映發(fā)電機內(nèi)部故障。當發(fā)電機發(fā)生內(nèi)部故障時，定子繞組電流會異常增大，引起定子繞組過熱，甚至可能燒毀發(fā)電機。發(fā)電機差動過流保護能夠很好地保護發(fā)電免遭內(nèi)部故障損壞，但目前核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機差動過流保護均未冗余配置，電流互感器斷線或保護裝置誤動均會導(dǎo)致柴油發(fā)電機停用，影響柴油發(fā)電機在事故工況下的供電可靠性。此外，柴油發(fā)電機銅排或繞組靠近中性點電流互感器發(fā)生相間短路事故時（如圖1中a所示），發(fā)電機故障電流不大，柴油發(fā)電機在事故工況下可以繼續(xù)為反應(yīng)堆提供電源，但此時差動過流保護會停運柴油發(fā)電機，降低應(yīng)急柴油發(fā)電機供電可靠性。

3.2? ? 低電壓保護（3取2邏輯）

低電壓保護配置方案主要考慮下游負荷相關(guān)要求，當電壓下降到一定程度時，專設(shè)安全設(shè)施中異步電動機負荷電流將增大，轉(zhuǎn)矩和過負荷能力均將顯著減小，嚴重時甚至可能燒毀電動機，此時不僅不能確保反應(yīng)堆冷卻和安全停堆，還可能損壞專設(shè)安全設(shè)施設(shè)備，當外部電源恢復(fù)時因?qū)ＴO(shè)安全設(shè)備損壞導(dǎo)致反應(yīng)堆事故。核電廠低電壓保護定值一般設(shè)置為70%Un，觸發(fā)應(yīng)急柴油發(fā)電機低電壓保護動作的可能原因主要有：

（1）勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障：當勵磁系統(tǒng)故障時因柴油發(fā)電機單獨帶應(yīng)急負荷運行，此時發(fā)電機無法從電網(wǎng)吸收無功，發(fā)電機剩磁無法維持機端電壓，發(fā)電機電壓很快將降至0附近，即使不配置低電壓保護，發(fā)電機也無法為專設(shè)安全設(shè)施提供電源。

（2）電壓互感器回路故障：電壓互感器故障會導(dǎo)致低電壓保護誤動，應(yīng)急工況供電可靠性降低。

（3）發(fā)電機內(nèi)部短路：當發(fā)電機內(nèi)部短路點靠近機端時（如圖1中b所示），發(fā)電機機端剩余繞組電壓低于低電壓保護定值，保護會動作停機。但如果內(nèi)部相間短路點靠近中性點側(cè)（如圖1中c所示），因發(fā)電機勵磁系統(tǒng)強勵功能的存在會增大勵磁，使靠近機端側(cè)部分繞組電壓升高，故障相電壓將超過低電壓定值，低電壓保護不會動作，而中性點至短路點的繞組故障電流也會增大，最終可能導(dǎo)致發(fā)電機燒毀。

3.3? ? 定子過流保護（2取2邏輯）

發(fā)電機定子過流保護作為1E級保護時，電流取自發(fā)電機中性點，且定值通常比普通過流保護大，當靠近電流互感器附近發(fā)生相間短路時，定子電流小于過流保護定值，保護不會動作，供電可靠性較高。當相間短路點遠離發(fā)電機中性點時，定子電流會超過保護定值，能夠避免發(fā)電機重大損壞。定子過流保護較好地平衡了差動過流保護和低電壓保護在提高供電可靠性和避免發(fā)電機損壞上的矛盾，但在定值整定時還需綜合考慮發(fā)電機過電流能力等因素。

4? ? 結(jié)語

本文從應(yīng)急柴油發(fā)電機供電可靠性和避免發(fā)電機損壞兩方面對國內(nèi)應(yīng)急柴油發(fā)電機常見的三種1E級電氣量保護進行了分析：發(fā)電機差動過流保護方案更偏重于保護發(fā)電機，避免發(fā)電機重大損壞，在極端工況下可靠性相對較低;低電壓保護（3取2邏輯）方案更偏重于供電可靠性，但可能造成發(fā)電機重大損壞;定子過流保護（2取2邏輯）在二者之間相對平衡。但是應(yīng)急柴油發(fā)電機1E級電氣量保護無論采用何種配置方案，發(fā)電機在應(yīng)急工況下保護均不完備，在應(yīng)急模式下運行（特別是在試驗過程中模擬應(yīng)急模式）時運行人員需加強監(jiān)測，當觸發(fā)N1E級保護動作報警時，需及時根據(jù)當前供電情況做出決策，避免反應(yīng)堆發(fā)生事故或造成柴油發(fā)電機重大損壞。

[參考文獻]

[1] RCC-E Construction rules for electrical components of nuclear island[S]，2012.

[2] IEEE standard criteria for diesel generator units applied as standby power supplies for nuclear? power generating stations：IEEE 387—1995[S].

[3] 核電廠備用電源用柴油發(fā)電機組準則：EJ/T 625—2004[S].

收稿日期：2020-06-09

作者簡介：汪南華（1987—），男，湖南婁底人，工程師，長期從事核電廠應(yīng)急電源檢修和維護、繼電保護設(shè)備運維工作。