AP1000 機(jī)組主泵過載保護(hù)計(jì)算及校驗(yàn)優(yōu)化

任少義 徐曉玥 陳騰飛

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AP1000 機(jī)組主泵過載保護(hù)計(jì)算及校驗(yàn)優(yōu)化

任少義 徐曉玥 陳騰飛

（山東核電有限公司，山東煙臺 265116）

本文根據(jù)AP1000機(jī)組主泵電機(jī)過載保護(hù)定值的計(jì)算結(jié)果和校驗(yàn)方式，詳細(xì)闡述了SEL-710型綜合保護(hù)繼電器過載保護(hù)定值計(jì)算方法，分析了現(xiàn)行的主泵電機(jī)過載保護(hù)定值及其校驗(yàn)方式存在的缺陷與不足，提出了新的過載保護(hù)定值及校驗(yàn)方式，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了新的保護(hù)校驗(yàn)方式合理可行，為完善AP1000主泵電機(jī)及其他電機(jī)負(fù)荷的過載保護(hù)計(jì)算及校驗(yàn)提供了建議和參考。

AP1000機(jī)組；主泵；過載保護(hù)；保護(hù)校驗(yàn)

AP1000機(jī)組反應(yīng)堆冷卻劑泵（簡稱主泵、RCP）作為一回路的動力之源，通過建立強(qiáng)迫循環(huán)帶出反應(yīng)堆堆芯熱量，對維持壓力邊界、保持熱阱等安全相關(guān)功能的執(zhí)行有重要作用[1]。AP1000主泵采用屏蔽泵設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)壽命60年，一旦主泵出現(xiàn)故障需要解體檢修，考慮到主泵安裝復(fù)雜、工程量大等因素，就將嚴(yán)重降低電廠效益，甚至可能挑戰(zhàn)核電廠安全裕量。因此，完善的主泵保護(hù)對于提高AP1000機(jī)組運(yùn)行的可靠性及經(jīng)濟(jì)性有著重要意義。

1 主泵電源配置簡介

AP1000機(jī)組配置了4臺主泵，電源分別取自常規(guī)島四段10.5kV、50Hz中壓母線，通過主泵變頻器輸出6.9kV、60Hz電源，再經(jīng)兩個串聯(lián)的1E級斷路器連接至主泵電機(jī)[2]，如圖1所示。

兩列主泵斷路器均為主泵及其相連的電纜、安全殼貫穿件提供相關(guān)的電氣保護(hù)。其中，B列主泵斷路器配置了SEL-751A型綜合保護(hù)繼電器，設(shè)有欠/過壓、過頻、過流/速斷和逆功率等保護(hù)。C列主泵斷路器配置了SEL-710型綜合保護(hù)繼電器，設(shè)有欠壓、過載、過流/速斷等保護(hù)[3]。C列主泵斷路器配置的過載保護(hù)，主要為主泵電機(jī)的過載和堵轉(zhuǎn)等工況提供保護(hù)。

圖1 主泵電源主接線圖

2 主泵過載保護(hù)定值優(yōu)化

AP1000機(jī)組主泵電機(jī)過載保護(hù)選用了SEL-710繼電器過載（49）保護(hù)元件的標(biāo)準(zhǔn)熱曲線（Curve Thermal Method）方式，SEL-710繼電器提供了45條標(biāo)準(zhǔn)曲線供用戶使用。在相同的電流作用下，曲線數(shù)值越大，過載保護(hù)動作時間越長。

2.1 定值計(jì)算

過載保護(hù)定值計(jì)算需要如下主泵電機(jī)數(shù)據(jù)：

額定功率——5518kW（7400hp）；

額定電壓——6900V；

額定電流——781A；

堵轉(zhuǎn)電流——2769A；

堵轉(zhuǎn)時間（熱態(tài)）——14s；

服務(wù)系數(shù)——1.15。

根據(jù)SEL-710繼電器說明書，按照下述公式確定需要選用的標(biāo)準(zhǔn)熱保護(hù)曲線。

將主泵參數(shù)代數(shù)上式，得＜2.35。為了獲得更大的安全裕量，取=1。

需要說明的是，在實(shí)際的電機(jī)運(yùn)行中，當(dāng)＜＜2.5時，SEL-710繼電器熱態(tài)條件下的定子熱元件起主要作用，其電流-時間數(shù)學(xué)關(guān)系如下：

當(dāng)≥2.5時，SEL-710繼電器冷態(tài)條件下的轉(zhuǎn)子熱元件起主要作用，其電流-時間數(shù)學(xué)關(guān)系如下：

式中，為電機(jī)電流與額定電流之比；為跳閘時間。

2.2 配合校驗(yàn)

根據(jù)AP1000主泵電機(jī)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，其定子繞組運(yùn)行工況下過載限制、不同條件下堵轉(zhuǎn)限制數(shù)據(jù)見表1。

表1 主泵電機(jī)過載、堵轉(zhuǎn)限制數(shù)據(jù)

根據(jù)SEL-710繼電器過載保護(hù)特性曲線= 1的電流-時間數(shù)學(xué)關(guān)系，結(jié)合主泵電機(jī)限制數(shù)據(jù)，可以得出主泵電機(jī)過載保護(hù)配合關(guān)系如圖2所示。

圖2 主泵過載保護(hù)配合

由圖2可以看出，選用SEL-710繼電器過載保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)曲線=1，對于主泵電機(jī)定子繞組過載及高電壓、大堵轉(zhuǎn)電流工況保護(hù)靈敏度很高、動作較迅速，但是對于低電壓、堵轉(zhuǎn)電流較小時的工況則靈敏度較低，甚至無法動作。需要另外通過過流/速斷保護(hù)，以實(shí)現(xiàn)對主泵電機(jī)的全范圍的電流保護(hù)。

2.3 定值優(yōu)化

過載保護(hù)特性曲線無法完全包絡(luò)主泵電機(jī)定子過載限制、堵轉(zhuǎn)限制曲線，不能實(shí)現(xiàn)對主泵電機(jī)全面的過載、堵轉(zhuǎn)保護(hù)。雖然針對此問題設(shè)計(jì)方增設(shè)了反時限過流和速斷保護(hù)，但是這些過流元件既無法累計(jì)主泵電機(jī)的歷史發(fā)熱量，也不能緊密跟蹤電機(jī)溫度驟變的工況[4-5]，而SEL-710繼電器過載保護(hù)元件在這些方面較電流元件優(yōu)勢顯著。如果能改善過載保護(hù)的特性曲線，使其完全包絡(luò)主泵電機(jī)的限制曲線，結(jié)合過流/速斷保護(hù)，就會對主泵電機(jī)實(shí)現(xiàn)更靈敏、更可靠的電氣保護(hù)。

=1已經(jīng)是SEL-710繼電器過載保護(hù)所能提供的最小標(biāo)準(zhǔn)曲線，故標(biāo)準(zhǔn)的熱保護(hù)曲線已無法為主泵電機(jī)提供更全面的過載保護(hù)。

當(dāng)選取=46時，SEL-710繼電器允許用戶自定義一條符合實(shí)際主泵電機(jī)過載限制的保護(hù)曲線。自定義曲線需要輸入至少5個、最多28個電流—跳閘時間信息。根據(jù)主泵電機(jī)定子過載、堵轉(zhuǎn)限制數(shù)據(jù)，結(jié)合SEL-710繼電器過載自定義跳閘曲線電流數(shù)據(jù)，確定輸入的10個跳閘時間，見表2。

原則上，這些跳閘時間要比主泵電機(jī)過載限制允許時間小，留出足夠的裕度以避免對主泵電機(jī)造成損傷。剩余點(diǎn)跳閘時間設(shè)置為AUTO，由SEL-710繼電器自行計(jì)算。

表2 自定義過載保護(hù)Curve=46數(shù)據(jù)

根據(jù)=46的自定義、自整定數(shù)據(jù)，主泵電機(jī)新的過載保護(hù)特性曲線及其配合關(guān)系如圖3所示。

從圖3中可以看出，新的過載保護(hù)曲線可以完全包絡(luò)主泵電機(jī)的定子繞組過載和堵轉(zhuǎn)限制曲線，實(shí)現(xiàn)對主泵電機(jī)更全面的保護(hù)。

3 過載保護(hù)定值校驗(yàn)優(yōu)化

3.1 過載保護(hù)定值校驗(yàn)存在的問題

根據(jù)前文計(jì)算可知，SEL-710繼電器過載保護(hù)特性曲線分為兩段：①＜＜2.5時的熱態(tài)定子過載保護(hù)特性曲線；②≥2.5時的冷態(tài)堵轉(zhuǎn)保護(hù)特性曲線。但目前的AP1000主泵過載保護(hù)校驗(yàn)程序只驗(yàn)證了冷態(tài)條件下的動作曲線，而未對更貼近實(shí)際運(yùn)行條件的熱態(tài)定子過載保護(hù)動作特性做校驗(yàn)。

對比電機(jī)熱態(tài)與冷態(tài)工況，兩者初始條件不同，電流-時間關(guān)系也不相同。以2.2倍主泵額定電流條件為例，冷態(tài)條件下約110s過載保護(hù)動作跳閘，而熱態(tài)條件下僅不到24s即跳閘，時間差距較大。顯然，僅驗(yàn)證冷態(tài)條件下的定子過載保護(hù)動作特性，對于主泵過載保護(hù)定值配合校驗(yàn)來說是不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模矡o法全面驗(yàn)證SEL-710繼電器過載保護(hù)元件數(shù)據(jù)合格、可靠，這將給主泵運(yùn)行帶來安全隱患[6-7]。

3.2 過載保護(hù)校驗(yàn)改進(jìn)方案

對于SEL-710繼電器過載保護(hù)，如果能驗(yàn)證熱態(tài)條件下的定子過載保護(hù)特性曲線、冷態(tài)條件下的堵轉(zhuǎn)保護(hù)特性曲線，嚴(yán)格模擬實(shí)際的主泵電機(jī)過載保護(hù)運(yùn)行特性，就會更為直接、準(zhǔn)確地確認(rèn)SEL-710繼電器過載元件性能是否合格、可靠。這也會降低主泵安全隱患，對于核電廠運(yùn)行的安全和效益有著重要意義。

對于熱態(tài)條件下定子過載保護(hù)特性校驗(yàn)，最大的難點(diǎn)在于，如何在離線的條件下模擬SEL-710繼電器初始的熱態(tài)工況。根據(jù)研究SEL-710繼電器過載保護(hù)發(fā)熱量數(shù)學(xué)計(jì)算模型及相關(guān)條件，可知其過載保護(hù)元件在發(fā)熱量達(dá)到81%時，即判定電機(jī)處于熱態(tài)工況（達(dá)到100%后過載保護(hù)即動作跳閘）。所以，校驗(yàn)方案可以先施加較大的電流（如1.1倍額定電流），時刻觀察定子發(fā)熱量（Stator TCU）的變化。當(dāng)其增至81%左右時，迅速施加預(yù)先計(jì)算好的電流量以測得相應(yīng)的跳閘時間，與理論計(jì)算結(jié)果對比、分析。

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)SEL-710繼電器過載保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)曲線，熱態(tài)條件下定子過載保護(hù)電流—時間數(shù)學(xué)關(guān)系：

首先，對SEL-710施加1.1倍額定電流，觀察Stator TCU增加至81%左右；然后迅速施加2.2倍額定電流，測得相應(yīng)的跳閘時間。重復(fù)以上步驟，分別測得2.3、2.4倍額定電流下熱態(tài)定子過載保護(hù)的跳閘時間，試驗(yàn)結(jié)果及誤差見表3。

表3 過載保護(hù)定值熱態(tài)校驗(yàn)數(shù)據(jù)

考慮到測量時間包括了SEL-710繼電器熱過載元件、出口節(jié)點(diǎn)的動作時間，加之試驗(yàn)的關(guān)鍵步驟需要人為判斷、手動操作，這不可避免地增加了人因誤差。綜合考慮以上因素，筆者認(rèn)為10%的誤差是可接受的。

4 結(jié)論

主泵是AP1000機(jī)組的核心部件之一，對于整個機(jī)組的重要性不言而喻。目前，主泵過載保護(hù)及其校驗(yàn)方式存在以下問題：

1）過載保護(hù)無法對小堵轉(zhuǎn)電流工況做出響應(yīng)，需要增加過流/速斷保護(hù)。

2）主泵過載保護(hù)校驗(yàn)未對更符合實(shí)際運(yùn)行工況的熱態(tài)定子過載保護(hù)特性做校驗(yàn)，僅驗(yàn)證冷態(tài)定子保護(hù)特性無法保證SEL-710繼電器過載保護(hù)元件參數(shù)合格、運(yùn)行可靠。

以上兩個問題對于主泵的安全運(yùn)行具有較大的安全隱患，尤其后一問題，筆者了解到行業(yè)范圍內(nèi)對于熱態(tài)條件下的電機(jī)過載保護(hù)校驗(yàn)均存在此類問題。希望業(yè)界同仁們能夠制定更多、更詳盡方案和措施，完善大型電機(jī)類負(fù)荷的保護(hù)及其校驗(yàn)規(guī)程，減小電機(jī)運(yùn)行安全方面的隱患和不確定性。

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Optimize for AP1000 RCP Overload Protection Calculation and Verifying

Ren Shaoyi Xu Xiaoyue Chen Tengfei

(Shandong Nuclear Power Company Ltd, Yantai, Shandong 265116)

According to calculation result and verifying test for AP1000 RCP overload protection setting, this paper demonstrates the calculation way of SEL-710 relay overload protection setting, analyzes the deficiencies of the RCP overload protection settings and verifying test, provides a new overload protection setting and verifying scheme, verifies rationality and feasibility for the verifying scheme by the improved test. It provides advice and instructions for AP1000 RCP and other motors overload protection calculation and setting verifying tests.

AP1000 Unit; RCP; overload protection; protection setting verifying

任少義（1986-），男，黑龍江巴彥縣人，碩士研究生，主要從事電廠繼電保護(hù)及電氣系統(tǒng)技術(shù)管理工作。