核電機組網源協調的參數設定原則

高 鑫

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

2015年9月19日，800kV四川錦屏-蘇南特高壓直流發生雙極閉鎖。故障發生后，華東電網出現較大功率缺額，12s后全網頻率最低跌至49.56Hz，電網動態區域控制偏差（ACE）動作，進行全網旋轉備用容量緊急調用。但此次華東電網的頻率下降幅度極大地超越了預計值，其中一個重要原因為部分機組未發揮應有的一次調頻能力，且一次調頻參數設置達不到國家和電力行業的相關標準和要求，給電網的安全穩定運行帶來較大的風險和隱患。

由此引出“網源協調”的概念，網源協調是發電設備與輸電設備之間相互作用與相互協調配合技術領域的總稱。網源協調涉及的涉網設備主要包括發電機、勵磁系統及電力系統功率穩定器（PSS）、原動機及調節系統、發變組保護、自動電壓控制（AVC）、自動發電控制（AGC）、無功補償裝置（SVC/SVG）、風電與光伏的控制系統與保護裝置、發電廠一類輔機變頻器，網源協調監測裝置等。

在中國倡導的低碳環保、助力能源結構轉型的原則下，核電機組作為清潔能源具有先天的優勢。但國內核電機組的多堆型、不同容量、新老技術并存的結構布局，使得核電機組運行時存在眾多關于網源協調的難題。本文將核電機組在運行中發現的關于網源協調的實際設定原則整理為3類，并分別予以分析和說明，最后給出意見。

表1 秦二廠頻率異常保護定值（修改前）Table 1 Fixed value of frequency anomaly protection in Qin II plant (before modification)

表2 秦二廠頻率異常保護定值（修改后）Table 2 Fixed value of frequency anomaly protection in Qin II plant (modified)

圖1 葉片壽命期內允許運行時間限定圖Fig.1 Allowed run time limit diagram during blade life

1 設定值不合理，經網源協調審查后及時修改

隨著時間的發展，電力系統一次二次設備也在不斷推陳更新，以往的設備在功能設計、結構設計優化上往往存在不足；而電廠往往秉承著保守決策的原則，對已經投入生產且穩定運行的設備參數變更持保守態度。因此，在機組運行很多年之后，設備采用的依然是機組最初設計調試階段使用的參數。隨著機組運行時間增加，設備自身狀態有所改變，國家和行業標準的要求也在不斷更新。因此，部分設定值就不再適用于電網和機組當前的狀態。對于這些情況，電廠必須予以重視，及時核查修改。以秦二廠1、2號機組頻率異常保護（見表1）為例，發電機組低頻保護定值可按汽輪機和發電機制造廠有關規定進行整定，低頻保護定值應低于系統低頻減載的最低一級定值（47.5Hz，0.3s），機組低電壓保護定值應低于系統（或所在地區）低壓減載的最低一級定值。

秦二廠1、2號機組頻率異常保護定值設定明顯不符合要求，根據廠家的汽輪機偏離運行時葉片壽命期內允許運行時間限定圖（見圖1）可知，汽輪機在48Hz～51.5Hz時可以長期連續運行，在46Hz～48Hz內可以運行10min。因此，上述定值既不符合行業規定又不滿足廠家要求。

因此在此次網源協調核查工作中予以修改，修改后定值見表2，使得其既運行在圖2的限制范圍內，又滿足國家及行業標準。

2 設定不滿足要求，但是受制于設備承受能力而無法更改

網源協調核查工作中，部分問題確實無法滿足國家及行業標準，主要原因是設備的設計承受能力制約其無法滿足要求。此類設備通常生產日期較早，設計能力有所欠缺?；蛘咂渖a廠家位于國外，設計時采用了不同于國內的標準。對于此類情況，必須嚴格參照廠家的出廠要求，不能單純地為了滿足標準而突破設備能力的底線。下面通過兩個實例分析予以說明。

2.1 秦三廠機組發電機過電壓能力

秦三廠的發電機廠家為日本日立公司，發電機型號TFLQQ-KD，額定電壓22KV，其過電壓保護的定值見表3，其中過電壓Ⅰ段定值105V，延時10s動作于跳閘。

此定值不滿足DL/T684-2012中關于發電機過電壓保護定值1.3pu/0.5s的要求，并在華東電網2016年并網機組涉網保護專項核查自查中列出此整改項，隨后電廠委托華東設計院進行評估，設計院認為可按照絕緣過電壓水平加以設定，即1.3pu/0.5s。

表3 秦三廠過電壓保護的定值Table 3 Fixed value of overvoltage protection in Qin three plant

圖2 短時U/F能力曲線Fig.2 Short-time U/F capability curve

但是查閱發電機廠家技術手冊中提供的短時U/F能力曲線（見圖2），發電機不應工作在高于1.2pu的過激磁（U/F）環境下，否則會引起鐵芯過熱等問題，在極端情況下可導致發電機鐵芯燒毀。因此，秦三廠兩臺機組發電機過電壓保護定值無法按照電網的要求進行整改，只能繼續延用原來的定值。

故在考慮發電機過電壓能力設定的時候，應按照發電機在初始設計時所承受過電壓能力進行整定，而不可盲目地按照其他標準。但值得注意的是定子過電壓保護的整定值應在不超出發電機過電壓能力的前提下，采用較高的定值。

2.2 方家山發電機低頻保護

頻率異常保護主要用于保護汽輪機。當汽輪機處于低轉速運行時頻率降低，若發電機輸出功率不變，使得機械轉矩增加，葉片將過負荷運行；當葉片嚴重過負荷時，機組將產生較大的振動，影響葉片壽命，甚至發生葉片及其拉金斷裂。

但較低的頻率設置對電網安全也有嚴重影響。當電網因為故障損失大量電源時，頻率會迅速下降，倘若系統低頻減載實際容量遠低于計劃容量，且一次調頻效果有限的情況下，不能有效遏制頻率下降，此時發電機的低頻跳閘整定值較高，大量發電機將低頻保護跳閘，引發連鎖反應，使得系統頻率惡性下降，直至電網崩潰。

方家山核電的頻率保護設定如表4所示，低頻保護Ⅳ段（47Hz，3s）不滿足標準DL/T 1309-2013附錄B中汽輪發電機組頻率異常運行能力的要求（47Hz，5s），高于系統低頻減載的最低一級定值（47.5Hz，0.3s）。但根據廠家提供的《4級核能發電機保護要求》，當頻率小于47Hz時，需延時3s跳閘。同時參考DL/T684中大機組頻率異常運行允許時間建議值47Hz，每次10s，所以本工程低頻IV段低于47Hz，考慮帶一定動作延時，取3s，動作于跳閘。

3 通過設備變更改造的方式以滿足相關標準

當采用老舊的保護裝置時，可能由于其設計落后或受制于生產工藝，無法實現部分功能。但隨著設備的運行及電網結構的變化，對一次設備的運行要求也在逐漸提高。因此，與之配合的保護裝置也必須滿足相對應的要求。此時，對這些陳舊設備的改造變更就勢在必行。

以秦三廠的發電機失磁和失步保護為例分析如下：

發電機在失步時，其振蕩電流的大小接近甚至超越三相短路電流，而不同于三相短路的是，振蕩電流會在一段時間內反復出現，這就使得發電機同時受到機械力和過熱的破壞。尤其是周期性的作用在汽輪機主軸上的振蕩扭矩，可能使得大軸受損，影響其壽命。因此，區內和區外的滑極次數必須有嚴格的要求，同時主變阻抗定值和透鏡內角也不可或缺。但秦三廠現有的發電機失步保護為ABB的RXZK23H保護裝置，型號較老，只有X、R、Is、α和Zt 5個定值設定項（見表5），行業標準中要求的低頻累積、失步滑極次數等功能都無法在此裝置中實現，因而暫無法整改。

表4 方家山核電的頻率保護定值Table 4 Frequency protection of square mountain nuclear power fixed value

表5 秦三廠發電機失步保護定值Table 5 Fixed value of generator lost step protection in Qin three plant

表6 秦三廠發電機失磁保護定值Table 6 Fixed value of generator magnetic loss protection in Qin three plant

與此類似的情況還有發變組失磁保護，通常其主判據有三相同時低電壓、異步邊界阻抗動作判據、靜穩極限勵磁電壓動作判據等。其中，三相同時低電壓判據是為了防止發電機失磁故障轉化為局部系統的電壓崩潰，擴大了故障范圍；異步邊界阻抗動作判據屬于最廣泛使用的一種判據，當發電機失磁后會進入異步區，此時裝設在機端的失磁阻抗繼電器會動作；靜穩極限勵磁電壓動作判據是發電機在發出有功功率的情況下，根據靜穩極限的要求所必需的最低勵磁電壓，如實際值小于最低值，失磁保護就會動作。秦三廠采用的是ALSTOM的LGPG111型裝置，裝置中只有-Xa（Offset）、Xb（Diameter）、t和tDO 四個定值設定項（見表6），而轉子電壓判據、母線電壓判據等功能都無法在裝置中實現，因此目前無法整改。

根據秦三廠變更改造安排，計劃在2020年4月和2021年4月完成兩臺機組發變組保護國產化改造，采用國內通用設備后即可以滿足現有的國家和行業標準，為機組的穩定運行增加了保障。

4 結論

當前電網運行呈現交直流互聯電網相互影響、相互作用的特點，對并網機組安全穩定運行提出了更高要求。近年來大批高參數、大容量新建核電機組接入電網運行，大批在運核電機組也采取了各種增容、技改措施，使得電源的動態特性品質也發生了較大變化，直接影響到通道輸送能力及穩定水平。電網與電源在安全穩定運行方面的相互影響、相互依存關系愈加突出，網源協調管理工作中涉網保護相關任務也愈加重要。

對于已建成機組的網源協調管理中的參數設置暴露的問題，分析歸納為3個方面。首先，當運行的參數設定滿足標準，且具備修改條件時，必須及時修改；其次受制設備實際的承受能力而無法滿足標準時，必須堅持以設備能力為基礎來整定，在不突破設備能力的前提下最大限度的滿足標準；最后對于可以通過改造變更來滿足標準的情況，應該積極推動設備改造，盡早達到要求。