核電站棒電源系統繼電保護設計

崔晨光　等

【摘 要】本文介紹了針對改進型壓水堆核電廠控制棒驅動機構電源系統的電動發電機組繼電保護設計。本設計中，在對棒電源系統特點進行了分析的基礎上，確定了棒電源系統繼電保護的設計原則、故障類型，最終形成了該系統繼電保護配置方案并對保護參數進行了整定。

該保護方案經過了工程樣機的全面測試，可以滿足棒電源系統中電動發電機組的繼電保護要求，保障電動發電機組的安全穩定運行。

【關鍵詞】棒電源系統 繼電保護 整定計算

控制棒驅動機構（CRDM）是核反應堆的主要控制環節，對核電站的安全及經濟運行有著關鍵性作用。我國現有的壓水堆核電站均采用電磁力提升的控制棒驅動機構，一座改進型核電站的反應堆通常有幾十套驅動機構。棒電源系統的作用就是為控制棒驅動機構提供可靠的電力供應。棒電源系統置于安全殼外工作，其特點是在反應堆整個運行期間不間斷運行，因此對其工作穩定性、長期運行可靠性、良好的動態響應性能以及維修管理性都有著非常高的要求。由于驅動機構設計上一直沿用“三相可控整流”供電方案，要求控制棒驅動機構電源系統是獨立的260V/50Hz三相交流電源，因此控制棒驅動機構電源系統設計上一直沿用雙組機械儲能的“電動機-飛輪-發電機”方案，并配備必要的控制保護系統以保證機組的正常運行。系統的組成圖如圖1所示。

圖1 棒電源系統組成圖

1 繼電保護的基本原則

GB50062-1992《電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規范》規定：繼電保護裝置應，滿足可靠性、選擇性、靈敏性和速動性的原則。

因此棒電源系統的繼電保護設計基于棒電源系統的運行特點以及繼電保護設計的基本要求，棒電源系統的繼電保護設計采用以下保護原則：（1）選擇性原則：當保護動作時，僅將故障元件從系統中切除，保證系統無故障功能部分繼續運行；（2）速動性原則：繼電保護動作要快速，從而提高棒電源系統并列運行的穩定性；（3）靈敏性原則：對保護范圍內發生的故障或不正常工作狀態反應靈敏；（4）可靠性原則：在電力裝置正常運行時，繼電保護應可靠地不動作；發生故障或不正常狀態時，繼電保護可靠動作，即不出現拒動作和誤動作。

根據以上原則以及棒電源系統的特點，進行保護方案的設計，實現機組的保護配置，從而實現棒電源系統可靠的控制、運行與保護。

2 發電機的故障類型[1]

發電機的安全運行對保證電力系統的正常工作和電能質量起著決定性的作用，同時發電機本身也是一個十分重要的電氣設備，因此應該針對各種不同的故障和不正常的運行狀態配置性能完善的繼電保護裝置。

發電機主要故障類型由：定子繞組相間短路；定子繞組一相的匝間短路；定子繞組單相接地；轉子繞組一點接地或兩點接地；轉子勵磁回路勵磁電流異常下降或完全消失。

發電機的不正常運行狀態主要有：由于外部短路引起的定子繞組過電流；由于負荷超過發電機額定容量而引起的三項稱過負荷；由于外部不對稱短路或不對稱負荷（如單相負荷，非全相運行）而引起的發電機負序電流和過負荷；由于突然甩負荷而引起的定子繞組過電壓；由于勵磁回路故障或強勵時間過長而引起的轉子繞組過負荷；由于發電機組驅動源突然失效引起的發電機逆功率等。

3 棒電源系統繼電保護配置設計

3.1 棒電源系統的運行特點

棒電源系統的保護方案采用電力裝置的繼電保護原理實現，但是棒電源系統相對于普通的電力裝置而言具有特殊性，因此其主要的運行特點表現在以下幾個方面：（1）勵磁方式為無刷勵磁；（2）負載為半波整流的棒控棒位系統，三相對稱運行且中線上具有kA量級的直流分量；（3）輸出電壓為260VAC/150VAC/50Hz三相四線制；（4）棒電源系統的特征負載為：

額定負載：100kW，cosφ=0.25；

平均功率： 79kW，cosφ=0.25；

最小功率： 22kW，cosφ=0.25；

最大功率：124kW，cosφ=0.25；

3.2 棒電源系統繼電保護設計原則

由于棒電源系統的失效與否直接關系到核電站運行的經濟性，同時出于系統自身設備保護的考慮，在棒電源系統繼電保護設計過程中需要考慮以下原則：（1）在短時間瞬變造成的電動機電源喪失事件中仍可維持正常運行；（2）在出現只影響一臺電動機工作的電源失效或故障事件時，切除受影響的MG機組，不受影響的機組繼續運行；（3）當棒電源系統出現不正常工作狀態時，保護裝置采取相應的保護動作，同時發出指示和報警信號；（4）探測和處理發電機和260V母線故障；

3.3棒電源系統故障類型和不正常運行狀態的確定

通過對棒電源系統的運行特點以及故障保護原則的分析，我們可以得出棒電源系統的典型故障類型和不正常運行狀態。

棒電源系統的故障類型包括：定子繞組相間短路；定子繞組單相接地；轉子勵磁回路勵磁電流異常下降或完全消失。

棒電源系統的不正常運行狀態包括：由于外部短路引起的定子繞組過電流；由于單臺電動機電源失電導致的發電機逆功率。

3.4 棒電源系統繼電保護配置

通過以上分析，我們可以確定棒電源系統的繼電保護配置以及其實現的功能：

（1）差分保護。差分保護分為縱差保護橫差保護，縱差保護是對發電機內部相間短路的保護，橫差保護是對于發電機定子繞組匝間短路的保護。由于棒電源系統的發電機容量為500KVA，定子繞組為單繞組，因此棒電源系統采用縱差保護實現定子繞組以及引出線的相間短路故障保護。

（2）失磁保護。失磁保護就是對對勵磁回路的電流進行監視，在發電機的勵磁突然消失或部分消失是對發電機進行保護，其主要原因可能有勵磁機故障、轉子繞組故障、勵磁回路元器件損壞等情況[2]。由于本設計中發電機采用無刷勵磁，屬于兩級勵磁，在失磁保護的勵磁電流監視的是勵磁機的勵磁電流，勵磁機的勵磁電流和主勵磁電流成正比關系，因此選擇勵磁機的勵磁回路進行失磁保護。

（3）逆功率保護。發電機逆功率保護是指電動發電機組在失去電動機側的驅動電源后，發電機并未從系統解列時，此時發電機就變成了同步電動機運行，從另一臺電動發電機組吸收有功功率，發電機不允許此種狀態的長時間運行此時需要用逆功率保護將失電機組從并列運行狀態解列。

（4）過流保護。過流保護主要是針對發電機負載短路引起的定子繞組過電流，在本方案中，發電機的過電流保護由兩部分組成，第一部分是由過流保護繼電器實現，可以根據棒電源系統的負載特性，合理的設計過流保護定值點以及延時時間；第二部分由發電機出口斷路器的分閘曲線構成，即根據棒電源系統的工作特點，合理的設置發電機出口斷路器的分閘曲線。兩部分設置的組合構成整個棒電源系統的過流保護設置。

（5）接地故障保護。根據安全要求，發電機的外殼全部連接保護地，因此定子繞組因絕緣破壞而引起的單相接地故障比較普遍，棒電源系統屬于三相五線制接法，因此在本系統中對保護地和中性線之間的電阻值進行監測，當保護地和中心線之間的電阻值低于某個限值時進行報警及保護。

（6）母線欠壓和欠頻。由于系統設計要求，棒電源系統向下游負載供電的的電壓不能低于234V，頻率不能低于44Hz，因此對棒電源系統進行母線欠壓和母線欠頻保護。

4 保護定值確定

對于棒電源系統的所有保護方式，均需要進行保護參數的整定工作，從而實現整個系統各種繼電保護的有機協調配合，從而保證整個系統的穩定可靠的運行。對于以上所有保護，由于篇幅限制，此處不一一進行詳細的參數整定，在此選取差分保護進行參數整定計算，其余的只給出最終的整定值。

由于本機組屬于小容量發電機組，同時為了保證系統長期有效的運行，在系統設計中已經考慮機組的冗余運行，因此當電流互感器出現二次回路斷線時，需要及時的給出保護動作，因此在本系統中差分保護只考慮發電機出現定子繞組以及引出線的相間短路故障時的整定。具體整定計算如下：

式中： ——差分保護設定值

——可靠系數

——非周期分量影響系數

——電流互感器同型系數

——電流互感器比誤差

——發電機故障電流

各個參數的具體參數如下[3]：

=1.2（一般取值在1.0～1.5之間）； =1.5（一般取1.5～2.0之間）

=0.5（型號、變比一致時，同型系數為0.5，否則為1）

=0.05（電流互感器采用0.5級計量互感器，比誤差采用0.05）

=5A（此值為按照電流互感器額定滿量程計算）

可以計算得出

實際取值 =0.25A

最終本設計中給出的保護定值如表1所示。

5 結語

本文針對核電站控制棒驅動機構電源系統的運行特點進行了分析，設計了針對棒電源系統的機電保護配置，并對其中差分保護的定值進行了定值的確定，最終形成了棒電源系統完整的繼電保護配置方案及定值，該保護方案經過了試驗的最終驗證，可以滿足棒電源系統中電動發電機組的繼電保護要求，保障電動發電機組的安全穩定運行，從而為核電站的安全經濟運行提供保障。該繼電保護方案經過實際運行的考驗，可以應用在同類型發電機組的繼電保護中。

參考文獻：

[1] 賀家禮，宋叢矩 主編.電力系統繼電保護原理.

[2] 宋志明 主編.繼電保護原理與應用.

[3] 陳根永主編.電力系統繼電保護整定計算原理與算例.