核電站棒電源系統(tǒng)繼電保護設計

崔晨光　尹小龍　張前平　何力

（中國核動力研究設計院，四川成都　610041）

核電站棒電源系統(tǒng)繼電保護設計

崔晨光尹小龍張前平何力

（中國核動力研究設計院，四川成都610041）

本文介紹了針對改進型壓水堆核電廠控制棒驅(qū)動機構電源系統(tǒng)的電動發(fā)電機組繼電保護設計。本設計中，在對棒電源系統(tǒng)特點進行了分析的基礎上，確定了棒電源系統(tǒng)繼電保護的設計原則、故障類型，最終形成了該系統(tǒng)繼電保護配置方案并對保護參數(shù)進行了整定。該保護方案經(jīng)過了工程樣機的全面測試，可以滿足棒電源系統(tǒng)中電動發(fā)電機組的繼電保護要求，保障電動發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行。

棒電源系統(tǒng)繼電保護整定計劃

控制棒驅(qū)動機構（CRDM）是核反應堆的主要控制環(huán)節(jié)，對核電站的安全及經(jīng)濟運行有著關鍵性作用。我國現(xiàn)有的壓水堆核電站均采用電磁力提升的控制棒驅(qū)動機構，一座改進型核電站的反應堆通常有幾十套驅(qū)動機構。棒電源系統(tǒng)的作用就是為控制棒驅(qū)動機構提供可靠的電力供應。棒電源系統(tǒng)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(wěn)定性、長期運行可靠性、良好的動態(tài)響應性能以及維修管理性都有著非常高的要求。由于驅(qū)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(qū)動機構電源系統(tǒng)是獨立的260V/50Hz三相交流電源，因此控制棒驅(qū)動機構電源系統(tǒng)設計上一直沿用雙組機械儲能的“電動機-飛輪-發(fā)電機”方案，并配備必要的控制保護系統(tǒng)以保證機組的正常運行。系統(tǒng)的組成圖如圖1所示。

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(guī)范》規(guī)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(tǒng)的繼電保護設計基于棒電源系統(tǒng)的運行特點以及繼電保護設計的基本要求，棒電源系統(tǒng)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(tǒng)中切除，保證系統(tǒng)無故障功能部分繼續(xù)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(tǒng)并列運行的穩(wěn)定性；（3）靈敏性原則：對保護范圍內(nèi)發(fā)生的故障或不正常工作狀態(tài)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(fā)生故障或不正常狀態(tài)時，繼電保護可靠動作，即不出現(xiàn)拒動作和誤動作。

圖1　棒電源系統(tǒng)組成圖

根據(jù)以上原則以及棒電源系統(tǒng)的特點，進行保護方案的設計，實現(xiàn)機組的保護配置，從而實現(xiàn)棒電源系統(tǒng)可靠的控制、運行與保護。

2　發(fā)電機的故障類型［1］

發(fā)電機的安全運行對保證電力系統(tǒng)的正常工作和電能質(zhì)量起著決定性的作用，同時發(fā)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(tài)配置性能完善的繼電保護裝置。

發(fā)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(zhuǎn)子繞組一點接地或兩點接地；轉(zhuǎn)子勵磁回路勵磁電流異常下降或完全消失。

發(fā)電機的不正常運行狀態(tài)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(fā)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(fā)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(zhuǎn)子繞組過負荷；由于發(fā)電機組驅(qū)動源突然失效引起的發(fā)電機逆功率等。

3　棒電源系統(tǒng)繼電保護配置設計

3.1棒電源系統(tǒng)的運行特點

棒電源系統(tǒng)的保護方案采用電力裝置的繼電保護原理實現(xiàn)，但是棒電源系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)，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(tǒng)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。

表1　棒電源系統(tǒng)保護定值清單

3.2棒電源系統(tǒng)繼電保護設計原則

由于棒電源系統(tǒng)的失效與否直接關系到核電站運行的經(jīng)濟性，同時出于系統(tǒng)自身設備保護的考慮，在棒電源系統(tǒng)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(xiàn)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(xù)運行；（3）當棒電源系統(tǒng)出現(xiàn)不正常工作狀態(tài)時，保護裝置采取相應的保護動作，同時發(fā)出指示和報警信號；（4）探測和處理發(fā)電機和260V母線故障；

3.3棒電源系統(tǒng)故障類型和不正常運行狀態(tài)的確定

通過對棒電源系統(tǒng)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(tǒng)的典型故障類型和不正常運行狀態(tài)。

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

棒電源系統(tǒng)的不正常運行狀態(tài)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(fā)電機逆功率。

3.4棒電源系統(tǒng)繼電保護配置

通過以上分析，我們可以確定棒電源系統(tǒng)的繼電保護配置以及其實現(xiàn)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(fā)電機內(nèi)部相間短路的保護，橫差保護是對于發(fā)電機定子繞組匝間短路的保護。由于棒電源系統(tǒng)的發(fā)電機容量為500KVA，定子繞組為單繞組，因此棒電源系統(tǒng)采用縱差保護實現(xiàn)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(jiān)視，在發(fā)電機的勵磁突然消失或部分消失是對發(fā)電機進行保護，其主要原因可能有勵磁機故障、轉(zhuǎn)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(fā)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(jiān)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(fā)電機逆功率保護是指電動發(fā)電機組在失去電動機側(cè)的驅(qū)動電源后，發(fā)電機并未從系統(tǒng)解列時，此時發(fā)電機就變成了同步電動機運行，從另一臺電動發(fā)電機組吸收有功功率，發(fā)電機不允許此種狀態(tài)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(tài)解列。

（4）過流保護。過流保護主要是針對發(fā)電機負載短路引起的定子繞組過電流，在本方案中，發(fā)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(xiàn)，可以根據(jù)棒電源系統(tǒng)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(fā)電機出口斷路器的分閘曲線構成，即根據(jù)棒電源系統(tǒng)的工作特點，合理的設置發(fā)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(tǒng)的過流保護設置。

（5）接地故障保護。根據(jù)安全要求，發(fā)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(tǒng)屬于三相五線制接法，因此在本系統(tǒng)中對保護地和中性線之間的電阻值進行監(jiān)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(tǒng)設計要求，棒電源系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的所有保護方式，均需要進行保護參數(shù)的整定工作，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)各種繼電保護的有機協(xié)調(diào)配合，從而保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)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(shù)整定，在此選取差分保護進行參數(shù)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(fā)電機組，同時為了保證系統(tǒng)長期有效的運行，在系統(tǒng)設計中已經(jīng)考慮機組的冗余運行，因此當電流互感器出現(xiàn)二次回路斷線時，需要及時的給出保護動作，因此在本系統(tǒng)中差分保護只考慮發(fā)電機出現(xiàn)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：

Iset=KrelKapKstKerIkmax

式中：setI——差分保護設定值

Krel——可靠系數(shù)

Kap——非周期分量影響系數(shù)

Kst——電流互感器同型系數(shù)

Ker——電流互感器比誤差

Ikmax——發(fā)電機故障電流

各個參數(shù)的具體參數(shù)如下［3］：

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

Kst=0.5（型號、變比一致時，同型系數(shù)為0.5，否則為1）

Ker=0.05（電流互感器采用0.5級計量互感器，比誤差采用0.05）

Ikmax=5A（此值為按照電流互感器額定滿量程計算）

可以計算得出

Iset=1.2×1.5×0.5×0.05×5=0.225A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(qū)動機構電源系統(tǒng)的運行特點進行了分析，設計了針對棒電源系統(tǒng)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(tǒng)完整的繼電保護配置方案及定值，該保護方案經(jīng)過了試驗的最終驗證，可以滿足棒電源系統(tǒng)中電動發(fā)電機組的繼電保護要求，保障電動發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行，從而為核電站的安全經(jīng)濟運行提供保障。該繼電保護方案經(jīng)過實際運行的考驗，可以應用在同類型發(fā)電機組的繼電保護中。

［1］賀家禮，宋叢矩主編.電力系統(tǒng)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(tǒng)繼電保護整定計算原理與算例.