國內外核電廠斷相事件經驗反饋分析總結及改進建議

魏 巍， 孟 佳， 劉愛芬， 紀秀艷

(華龍國際核電技術有限公司， 北京 100037)

0 引言

近些年來隨著國際上核電廠對斷相事件的反饋越來越多，斷相事件對于核電廠運行安全的影響也日益受到關注。目前國內外核電廠普遍對于斷相工況缺乏相應的應對手段，國際原子能機構(IAEA)和美國核管會(NRC)都將斷相事件定義為核電廠的薄弱項，國家核安全局也要求核電設計單位研究斷相事件并且在新建核電廠中給出應對措施。為此，調研國內和國外核電廠的斷相事件，為進一步提出核電廠應對斷相事件的改進措施和建議提供基礎。

1 核電廠斷相事件定義及必要性

斷相事件的定義[1-5]是電源進線的三相中有一相(或者兩相)長期斷開。發生斷相事件的起因有很多種，比如線路一相斷線，斷路器、隔離開關導電觸頭故障引起一相到兩相未接通或未斷開，高壓熔斷器一相熔斷等，斷相故障會導致電力系統的電壓和電流不平衡，嚴重時將燒毀電動機等設備。

由于目前國內和法國的核電廠設計基準，只考慮了電壓喪失事件對核電廠運行的影響，而忽略了斷相事件對于核安全的影響，都沒有對斷相工況監測的相關標準和措施。斷相事件如果不能及時被發現，有可能導致廠外和廠內電源都不能為電廠內的安全級系統供電，進而導致核電廠不能安全停堆。

目前國內的核電廠針對發電機、變壓器和電動機的繼電保護配置，包括發電機失磁保護、突加電壓保護、負序電流保護、低壓閉鎖過流保護、差動保護、過流保護、速斷保護、過負荷保護、單相接地保護等，但現有的繼電保護配置方案都不能可靠監測斷相事件的發生。

2 國外核電廠斷相事件經驗反饋

(1)Forsmark核電廠3號機組斷相事件

Forsmark核電廠在2013年5月30日大修期間，因為要將3號機組連接到一個新的70 kV開關站，原70 kV進線停電。繼電器試驗引起負序保護動作送出跳閘信號跳開400 kV電網的機組斷路器，機組斷路器兩相跳閘，而第三相由于一個接頭松動仍然處于閉合狀態,由此發生了兩相斷相事件。柴油機供電的10 kV母線電壓沒有下降到65%以下(啟動柴油發電機的動作值)，因此柴油發電機未能啟動，余熱排出功能喪失，17 min后燃料池的溫度上升了0.7 ℃。操縱員通過斷開非安全級和安全級母線之間的聯絡斷路器，手動啟動應急柴油發電機，從而啟動“自動啟動功能”，并按順序帶載。

因為三相中有一相沒有斷開，機組斷路器位置指示為中間位置。主變壓器為星角接線方式，廠內與廠外電網之間出現了相位差。配備相位差保護的運行設備跳閘，于是余熱排出功能喪失。手動分離柴油機供電母線與外部電網供電母線，并由輔助柴油機供電，余熱排出系統恢復。在啟動柴油機的同時，就地復位柴油冷卻水系統的相位差保護。

事件的直接原因是一相跳閘裝置的電纜連接頭松動，當虛假跳閘信號被送到斷路器時，只有兩相斷開，另一相依然閉合。配備有相位差保護的安全相關設備跳閘，這導致在該運行模式下最重要的余熱排出功能喪失。因為母線沒有安裝相位差保護，正常的電網和柴油機后備的電網之間沒有解環運行。在斷相事件中，本應將非安全相關的母線和柴油機后備的安全相關母線解環的低電壓保護并未啟動。低電壓保護動作值為65%的給定值。該給定值是經過正序濾波器的相間電壓平均值。在本事件的情況下，電壓高于65%。

短期措施包括修復機組斷路器跳閘機構松動的電纜。長期措施考慮改善對柴油機后備安全母線電壓質量的監測。在電壓質量降低時斷開非安全母線電網，使柴油機自動啟動。

(2)Byron核電廠斷相事件

2012年1月30日，Byron核電廠2號機組處于滿功率運行狀態，由于開關站A型框架結構內的345 kV懸式陶瓷絕緣子發生機械故障，引起兩臺輔助變壓器的C相永久開路，導致開路相的輔助變壓器側出現小電流接地故障。反應堆冷卻劑泵的母線出現持續的低電壓，反應堆自動緊急停堆。

該事件暴露出1E級低電壓繼電保護配置存在缺陷，即沒有檢測出開關站設備失效而引起的斷相故障。

(3)Bruce A核電廠斷相事件

2012年12月22日，大風導致與1號啟動變壓器連接的一條230 kV架空線下垂線在連接的底板處斷開，導致了一個不接地的斷相故障，從而引起啟動變壓器供電的廠內配電系統電壓不平衡，引發1號機組維修冷卻系統泵電氣保護動作跳閘。

由此分析，用于連接下垂線的連接板沒有應用最佳設計方案。變壓器所在位置的強風對下垂線施加了足夠的應力，致使其從焊接板上脫落，造成此次事件發生。

(4)Dungeness B核電廠21號和22號機組斷相事件

2014年4月27日，Dungeness B核電廠22號機組處于正常功率運行狀態，21號機組處于停堆狀態，電網擾動引發電壓不平衡工況。該事件導致22號機組反應堆緊急停堆以及兩臺機組反應堆強迫冷卻系統功能喪失。

Dungeness B核電廠主控室接到負相序報警，隨后證實導致廠內電源系列降級的原因是一條400 kV聯絡母線的一相開路。只要有一個并聯供電回路存在，這個潛在故障就不會被發現。按計劃進行電網倒閘操作后，當并聯供電回路解環運行時，廠內275 kV系統只剩兩相(C相上無電流)供電。

22號機組主發電機負相序保護跳閘，導致反應堆自動緊急停堆。幾分鐘后，22號機組氣體循環裝置和主冷卻劑泵保護動作跳閘。

(5)Vandellos 核電廠2號機組斷相事件

2006年8月，當主變壓器R相斷路器的支撐絕緣子頂部的連接電纜松動時，發生了斷相工況，但主控室操縱員沒有收到由于斷路器故障導致斷相工況的指示信號。這引起了主發電機相間不平衡保護動作、汽機跳機以及反應堆自動緊急停堆。事件發生后，運行人員巡檢開關站，在很短的時間內目視發現了斷相工況。運行人員發現主變壓器只有兩相供電。

故障發生在主變壓器開關站側，是由絕緣子環狀轉動接觸金具被燒壞造成的。兩列并聯切換斷路器安裝在母線和變壓器連接的上游(開關站側)。發電機跳閘后，低電壓繼電器無法監測出斷相情況，斷相相的電壓可以由未斷相的另外兩相合成，或變壓器高/低壓側的主發電機產生。電站沒有配備能在發電機跳閘后監測出斷相工況的電氣保護。

(6)Koeberg核電廠斷相事件

2005年11月，Koeberg核電廠在1號機組換料大修期間倒閘操作時，為了給新的廠用變壓器供電，所有400 kV母線間隔切換到備用母線上運行，2號機組并網并給廠用設備供電。此外，一臺400/132 kV耦合聯絡變壓器運行于1 A母線。由于A母線分段斷路器斷開，2號機組的輸出經過母線1 A的1號分段母線。由于母線1 A的1號分段隔離開關A相存在隱藏的開路，2號機組A相輸出轉移，通過400/132 kV 1號耦合聯絡變壓器轉移到132 kV母線，然后從400/132 kV 2號耦合聯絡變壓器回流到400 kV母線，導致發生了不平衡工況。這種不平衡工況觸發了1號耦合聯絡變壓器后備接地故障保護動作跳閘。之后Acacia 400 kV線路跳閘。隨后，2號耦合聯絡變壓器后備接地故障保護動作跳閘，另外兩條400 kV線路也跳閘。所有這些斷路器都在五秒鐘內跳閘，五秒鐘后2號機組跳閘。

該事故發生的原因在于在倒閘操作前，不知道母線1 A的1號分段隔離開關A相存在隱藏的開路。母線1 A的1號分段隔離開關A相觸頭沒有完全閉合，留下一個10 cm的間隙，2號機組輸出通過了這個故障的分段隔離開關。

3 國內核電廠斷相事件經驗反饋

方家山核電廠發生過一次斷相工況，500 kV GIS設備三相聯動的隔離開關、分合閘開關指示器在運行期間出現過ABC三相不能同步分閘的缺相故障，后續改造方案將原來只設計在A相的開關狀態反饋增加為ABC三相分別設置開關狀態反饋。

4 總結

本文綜述了國內和國外核電廠的斷相事件經驗反饋，總結出以下易發生斷相事件的位置，如表1所示。

表1 核電廠運行反饋斷相事件及發生斷相事件的位置

5 改進建議

上述總結的發生斷相事件的位置，對正在運行的核電廠以及規劃建造的核電廠都具有借鑒作用。為避免類似事件再次發生，本文提出以下兩方面改進建議：

(1)在核電廠日常巡檢中，可將上述易發生斷相的位置加到巡檢流程中，作為日常巡檢的一部分。巡檢員在巡檢過程中，應重點關注上述易發生的斷相位置，避免類似斷相事件的發生。

(2)可在易發生斷相事件的位置投入能夠監測斷相事故的電氣設備，并將監測信號送到主控室，以便操縱員及時發現斷相事故，避免斷相故障范圍的擴大。

(3)將只在A相設置開關狀態反饋增加為在ABC三相分別設置開關狀態反饋。