核電廠輔變空載運行期間輔助電源單相斷相故障特征分析及應對措施

魏 巍，彭 鈺

核電廠輔變空載運行期間輔助電源單相斷相故障特征分析及應對措施

魏 巍1，彭 鈺2

（1. 華龍國際核電技術有限公司，北京 100037；2. 中國礦業大學（北京），北京 100070）

目前，國內和國外的核電廠設計基準只考慮了電壓完全喪失對于核電廠運行的影響，而忽略了斷相故障對于核安全的挑戰。輔助變壓器在空載運行狀態下發生斷相故障時電氣量十分微弱，因此如何檢測并判別斷相是核電廠中最為關心的問題。本文重點研究輔助變壓器空載時的斷相故障，結合對稱分量法和變壓器原理分析了輔助變壓器空載運行狀態下高壓側發生單相斷相時的電氣參數特征，運用ETAP軟件建立了“華龍一號”核電廠廠用電系統仿真模型并進行了仿真分析。基于理論分析和仿真分析的結果，提出了輔助變壓器空載時高壓側發生單相斷相故障的應對措施，提高了廠外輔助電源的供電可靠性，有利于核電廠安全有序的運行。本文中輔助變壓器空載狀態下高壓側發生斷相故障的電氣參數特征研究分析結果對于輔助變壓器斷相保護方案的配置和斷相保護設備的研發都具有指導意義。

核電廠；輔助變壓器；斷相故障；電氣參數特征；應對措施

近些年來，國際上關于核電廠斷相故障的反饋越來越多，斷相對于核安全的影響也日益受到關注[1,2]。在核電廠正常運行時，廠用電負荷由發電機經高壓廠用工作變壓器供電，輔助變壓器此時是熱備用，處于空載狀態。當發電機和500 kV廠外主電源同時喪失，或由于主變、高壓廠用工作變或其他故障，引起發電機出口24 kV母線失去電壓時，常備廠用母線切換到廠外輔助電源供電，進行相應的停堆操作，此時輔助變壓器處于帶載狀態。若核電廠在正常運行方式下，輔助變壓器回路的斷相故障未能被及時檢測，一旦發電機母線失去電壓需切換至廠外輔助電源供電，隨著帶載率的逐漸增加，電壓和電流的不平衡程度也逐漸增加[3]，會導致運行中的安全級設備跳閘，同時備用安全級設備也無法啟動實現安全功能，以至于核電廠不能安全停堆，甚至可能引發嚴重的后果[4]。因此，在輔助變壓器空載時就檢測出斷相故障，才能保證輔助電源的有效性。

國際原子能機構（IAEA）和美國核管理委員會（NRC）都將斷相故障定義為核電廠薄弱項進行研究，目前處于初步研究階段[5]，并無完備的解決措施。現有的核電廠設計中也沒有充分考慮到輔助變壓器空載狀態下斷相故障的檢測方法和保護方案。針對以上情況，本文重點對輔助變壓器在空載狀態下高壓側發生斷相故障時的電氣參數特征開展定量分析，研究如何利用特有的電氣參數特征提出斷相故障檢測方法及應對措施。本文的研究分析結果對于輔助變壓器斷相保護方案的配置和斷相保護設備的研發都具有指導意義。

1 輔變空載運行斷相故障理論分析

利用對稱分量法[6]對輔助變壓器空載運行狀態下高壓側A相發生斷相故障進行定量分析。核電廠輔助變壓器常用聯結組別為YNd和YNy+d，在分析時原理相同，故本文以YNd聯結組別來舉例分析。

假設在接線為YNd的輔助變壓器高壓側、處發生A相斷相，則特殊相是A相，如圖1所示。斷相故障處的邊界條件見公式（1）。

圖1 輔助變壓器高壓側A相斷相

A 相斷相邊界條件用序分量表示有如下關系：

將A相的各序網絡接成復合序網，如圖2所示。

圖2 復合序網

1.1 斷相故障下的電流特征分析

1.1.1 序電流特征分析

由復合序網可得出斷相處各序電流為：

式（8）中的正序電流包含負荷電流，因此由A相發生斷相故障產生的正序電流為：

對于A相正序電流，令

可得到與的函數關系如圖3所示。

對于A相負序電流，令

圖4 y2函數

對于A相零序電流，令

圖5 y0函數

綜上所述，斷相故障發生后，特殊相A相的正序、負序、零序電流幅值均小于斷相故障發生前流過此相的負荷電流值，且正序、負序、零序電流幅值大小與系統正序阻抗與零序阻抗的比值有關。

根據GB/T 6451—2015《油浸式電力變壓器技術參數和要求》中規定的變壓器性能參數，220 kV三相雙繞組電力變壓器空載電流與變壓器容量關系如表1所示。

核電廠輔助變壓器處于熱備用空載運行工況時，變壓器高壓側負荷電流為變壓器空載電流。以額定容量為50 MVA的輔助變壓器為例，220 kV側額定電流約為131.22 A，空載電流約為0.682 A，此時若220 kV側發生A相斷相故障，按照上述分析的結論，斷相相A相的正序電流幅值范圍為0.341～0.682 A，負序電流幅值范圍為0.341～0 A，零序電流幅值范圍為0～0.682 A；正序電流的變化范圍為0.341～0 A，負序電流的變化范圍為0.341～0 A，零序電流變化范圍為0～0.682 A。

表1 空載電流與變壓器容量關系

若各序阻抗角相同，則非斷相相電流絕對值可化簡為：

對于B、C相相電流絕對值，令

可得到與的函數關系如圖6所示。

1.2 斷相故障下的電壓特征分析

1.2.1 序電壓特征分析

由圖2復合序網可得到斷相故障后各序電壓為：

斷相的斷口處、間電壓為：

斷相故障發生前輔助變壓器高壓繞組上的電壓為：

斷相故障后輔助變壓器高壓繞組上的正序電壓為：

斷相故障后輔助變壓器高壓繞組上的負序電壓為：

對于變壓器A相高壓繞組上的正序電壓，令

對于變壓器A相高壓繞組上的負序電壓，令

所以，斷相故障后變壓器高壓側繞組上的零序電壓為：

1.2.2 相電壓特征分析

綜上所述，聯結組別為YNd11的輔助變壓器在高壓側發生單相斷相時，斷相相的電壓會被重建，即與斷相前的電壓相同。

2 輔變空載運行斷相故障仿真分析

本文根據某核電廠的現有數據，利用ETAP軟件建立了某核電廠廠用電系統的仿真模型，在不影響仿真結果的情況下，對系統進行了簡化和等效，在此模型基礎上對輔助變壓器空載狀態高壓側發生斷相故障進行仿真分析。

2.1 仿真建模

現對該仿真模型的參數進行簡要說明。仿真模型的電源參數如表2所示。

表2 電源參數表

仿真模型的變壓器參數如表3所示。

表3 變壓器參數表

每段中壓母線的負荷采用等效負荷模型，功率因數為0.85，等效負荷模型的參數如表4所示。

表4 等效負荷模型參數表

利用ETAP軟件對某核電廠廠用電系統建立仿真模型，如圖7所示。

圖7 核電廠仿真模型

2.2 仿真分析

在核電廠正常運行時，輔助變壓器處于空載狀態，對此工況下的仿真模型進行仿真分析。以1#輔助變壓器為例，空載運行時高壓側的電氣參數如表5和表6所示。

表5 輔助變壓器空載運行時高壓側的相電壓

表6 輔助變壓器空載運行時高壓側的相電流

現對1#輔助變壓器高壓側A相在不同位置發生斷相故障進行仿真分析，位置1在變壓器高壓套管及相近位置，位置2在架空線進線處。斷相仿真后高壓側相電流和序電流如表7和表8所示。

表7 輔助變壓器空載運行高壓側發生A相斷相的高壓側相電流

表8 輔助變壓器空載運行高壓側發生A相斷相的高壓側序電流

1#輔助變壓器高壓側發生A相斷相故障后的相電壓和序電壓如表9和表10所示。

表9 輔助變壓器空載運行高壓側發生A相斷相的高壓側相電壓

表10 輔助變壓器空載運行高壓側發生A相斷相的高壓側序電壓

通過以上仿真結果可以看出，電氣參量的幅值和變化范圍均在上述理論分析范圍內。在輔助變壓器高壓側不同位置進行斷相故障仿真，電氣參量數值不同，說明斷相后的電氣參量與斷相所發生的位置及系統的正序阻抗與零序阻抗比值有關。

分別改變系統的正序阻抗、負序阻抗、零序阻抗、輔助變壓器容量、斷相位置，進行多次仿真，均與本文的理論分析一致。

3 應對措施

（1）采用高精度的電流檢測裝置。空載運行狀態下的輔助變壓器，發生斷相故障前后電流的變化量以及故障后的電流均為毫安級，普通電流互感器無法檢測，可以采用小電流光學電流互感器，其最小檢測電流達到50 mA級別，檢測精度也可以滿足要求，可以檢測出故障前后的電流變化，以此判斷斷相故障的發生。另外，可以根據本文研究的電氣參量變化范圍研制新的電流檢測裝置。

（2）在輔助變壓器接地中性點注入非工頻的電流信號，通過注入電流互感器將該信號注入到變壓器的零序回路中，通過檢測非工頻電流信號的變化特征，并結合故障前后電壓等特征做復合判據，實現斷相故障的判別。

（3）可以結合電壓、電流兩種參數綜合考慮，即通過功率的變化來檢測斷相故障的發生。斷相故障發生后，輔助變壓器高壓側故障相相電壓不變，電流降為零，即有功功率呈下降趨勢。同時，非故障兩相電壓不變，電流升高，有功功率呈上升趨勢。因此，可以以故障前后功率的變化及故障前后電壓的特征作為復合判據提出新的判斷邏輯，來辨別斷相故障。

4 結論

本文重點對輔助變壓器在空載狀態下高壓側發生斷相故障時的電氣參數特征開展定量分析，并運用ETAP軟件進行了仿真驗證，得出以下結論：

（1）輔助變壓器在空載運行狀態下高壓側發生斷相故障后，故障相的相電流、各序電流、非故障相的相電流與故障前相比，變化量十分微弱，為毫安級，傳統的電流檢測方案不能有效檢測。受變壓器的聯結組別影響，斷相故障后，故障相的相電壓將被重建，同時序電壓變化也十分微弱，傳統的電壓檢測方案也不能有效檢測。斷相故障將持續存在，不易被發現，給核電廠的安全運行帶來隱患。

（2）在輔助變壓器高壓側的不同位置發生斷相故障時，電氣參量數值不同。因此，在發生斷相故障時，電氣參量特征不僅與正序阻抗與零序阻抗的比值有關，還與斷相故障所發生的位置有關。

（3）針對輔助變壓器在空載運行狀態下高壓側發生斷相故障后特有的電氣參數特征提出了應對措施，以實現電氣參數變化量微弱前提下的故障判別。

（4）本文對輔助變壓器在空載運行狀態下高壓側發生斷相后各電氣參數進行了定量分析，該研究分析結果對后續斷相保護方案的配置和斷相保護設備的研發都具有指導意義。

［1］ 魏巍，孟佳，劉愛芬，等. 國內外核電廠斷相事件經驗反饋分析總結及改進建議［J］. 有色設備，2020，34（06）：59-62.

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［4］ REACTOR SAFETY COMMISSION，Faults in One or Two Phases of the Main，Standby or Emergency Grid Connection［EB/ OL］. (2018-04-03). http://www.rskonline.de/sites/default/ files/reports/epanlagersk467hpen.pdf.

［5］ 張奇，孔靜，陳子溪. 國內M310核電廠廠外220 kV備用電源單相斷線故障對核電廠安全級電氣系統的影響分析［J］. 核科學與工程，2021，41（3）：527-532.

［6］ 李光琦. 電力系統暫態分析［M］. 北京：中國電力出版社，1995.

Characteristic Analysis and Countermeasures of Single-phase Open Phase Fault of Auxiliary Power Supply during No-load Operation of Auxiliary Transformer in Nuclear Power Plant

WEI Wei1，PENG Yu2

（1. Hualong Nuclear Power Technology Co.，Ltd.，Beijing 100037，China；2. China University of Mining and Technology - Beijing，Beijing 100070，China）

At present, the design basis of nuclear power plants at home and abroad only considers the impact of the complete voltage loss during the operation of the nuclear power plant, while ignoring the challenge of open phase failure to nuclear safety. When the auxiliary transformer has a phase failure under no-load state, the electrical quantity is very weak, so it is the most concerned open phase problem in nuclear power plant. This paper focuses on the open phase fault of the auxiliary transformer under no-load condition. Combined with the symmetrical component method and transformer principle, the electrical parameter characteristics of single-phase open phase on the high-voltage side of the auxiliary transformer under no-load condition are analyzed. Using the ETAP software, the simulation model of the power system of HPR1000 nuclear power plant was established and the simulation analysis was carried out. Based on the results of theoretical analysis and simulation analysis, the countermeasures of single-phase open phase fault on the high-voltage side of the auxiliary transformer are put forward, which improves the power supply reliability of the auxiliary power supply outside the plant and is conducive to the safe and orderly operation of nuclear power plant. The study and analysis results of the electrical parameter characteristics of the open phase fault on the high voltage side of the auxiliary transformer under the no-load state have guiding significance for the configuration of the open phase protection scheme of the auxiliary transformer, and the R&D of the open phase protection equipment.

Nuclear power plant; Auxiliary transformer; Open phase fault; Electrical parameter characteristics; Countermeasures

TL48TL421

AA

0258-0918（2023）03-0686-09

2022-04-07

魏 巍（1987—），女，吉林遼源人，高級工程師，碩士研究生，主要從事核電廠核島電氣設計方面研究