秦山核電一廠發(fā)變組保護(hù)系統(tǒng)更新研究與實(shí)踐

孫玉朋，張 旭，王東博,蔣 軍，李戈超，張曉偉，錢厚軍

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

秦山核電廠320 MWe機(jī)組是中國大陸第一臺自行設(shè)計建造、自主運(yùn)營管理的核電機(jī)組。自1991年12月15日首次并網(wǎng)投運(yùn)以來，運(yùn)行狀況穩(wěn)定，各項指標(biāo)優(yōu)良。

到2021年底，機(jī)組將達(dá)到其設(shè)計使用壽期。為了滿足許可證延續(xù)20年的要求，秦山核電計劃在第十八次換料大修期間針對汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)及其輔助系統(tǒng)中不滿足安全運(yùn)行要求的設(shè)備或部件進(jìn)行技術(shù)升級和更新，同時改造為提高電廠經(jīng)濟(jì)性，發(fā)電機(jī)容量增加至350MWe。為適應(yīng)發(fā)電機(jī)增容后的技術(shù)要求以及考慮原發(fā)變組保護(hù)系統(tǒng)使用年代較長，保護(hù)系統(tǒng)配置已不滿足《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點(diǎn)要求》的最新要求，秦山核電廠在第十八次換料大修期間進(jìn)行了發(fā)變組保護(hù)改造。

1 主接線方式及設(shè)計思路

1.1 電氣主接線方式

如圖1所示，秦山核電廠的主接線方式為雙母線分段帶母聯(lián)，母線的電壓等級為220 kV，兩條母線可由母聯(lián)開關(guān)2012聯(lián)絡(luò)。兩條220 kV出線，兩條220 kV進(jìn)線作為備用電源。

圖1 電氣主接線方式Fig.1 Main electrical connection

廠內(nèi)發(fā)電機(jī)的容量為350 MW。設(shè)置有高壓廠變、高壓啟備變以及一臺主變壓器以及發(fā)電機(jī)出口斷路器2001B、2001M。

1.2 發(fā)變組保護(hù)設(shè)計思路

為適應(yīng)發(fā)電機(jī)功率增容、發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)勵磁方式的改變以及原發(fā)變組保護(hù)不滿足最新的《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點(diǎn)要求》要求，對下列內(nèi)容進(jìn)行了重新設(shè)計：

1)根據(jù)發(fā)電機(jī)增容改造，調(diào)整保護(hù)整定值；

2)勵磁系統(tǒng)由三機(jī)勵磁系統(tǒng)改造為自并勵靜態(tài)勵磁系統(tǒng)，需對勵磁系統(tǒng)進(jìn)行適應(yīng)性改造；

3)電量保護(hù)雙重化配置原則，雙重化保護(hù)的出口繼電器也應(yīng)獨(dú)立裝設(shè)；

4)220 kV雙斷路器設(shè)分相操作箱對220 kV斷路器的控制電源、跳閘回路和線圈設(shè)置監(jiān)視，提供合分閘閉鎖回路，防跳等功能，以監(jiān)視電源、斷路器跳閘回路和線圈狀態(tài)的完整性，并提供相關(guān)報警信號；

5)保護(hù)裝置的出口繼電器采用快速型輸出閉鎖(LOCKOUT)的繼電器；

6)根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗，對部分保護(hù)進(jìn)行優(yōu)化或新增；

7)為達(dá)到運(yùn)行許可證延續(xù)的相關(guān)抗震要求，本次改造中發(fā)變組保護(hù)屏柜需滿足抗震II類要求。

根據(jù)上述設(shè)計思路及綜合考慮，選用了南瑞繼保的PCS-985B系列保護(hù)裝置，配置兩面發(fā)變組電量保護(hù)屏、一面發(fā)變組非電量保護(hù)屏、一面發(fā)變組保護(hù)管理機(jī)屏。

2 保護(hù)特點(diǎn)及優(yōu)化

2.1 保護(hù)特點(diǎn)

相較于傳統(tǒng)火電，秦山核電1號機(jī)組發(fā)變組保護(hù)根據(jù)核電廠特點(diǎn)，設(shè)置了保護(hù)(見表1)。

表1 保護(hù)說明表Table 1 Protection instruction

2.2 保護(hù)出口方式

針對本廠的主接線方式，本節(jié)介紹全停、半停1、解列的含義。

(1)全停

全停1：斷開發(fā)變組高壓側(cè)2001B出口斷路器，斷開主變高壓母線側(cè)2001M斷路器，斷開高壓廠用變壓器低壓側(cè)各分支斷路器，啟動快切、滅磁、關(guān)閉主汽門，啟動主變高壓側(cè)出口斷路器2001B和母線失靈保護(hù)。

全停2：跳高壓側(cè)各斷路器、停發(fā)電機(jī)、跳低壓各分支、啟動快切、發(fā)信。

(2)半停1

斷開發(fā)變組高壓側(cè)2001B出口斷路器、滅磁、關(guān)閉主汽門，啟動2001B斷路器失靈保護(hù)。

(3)解列

斷開發(fā)變組高壓側(cè)母線側(cè)200M斷路器，汽輪機(jī)甩負(fù)荷，啟動母線失靈保護(hù)。

2.3 保護(hù)出口優(yōu)化

根據(jù)保護(hù)多年的運(yùn)行經(jīng)驗、廠內(nèi)主接線情況以及現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，對下列保護(hù)出口進(jìn)行了優(yōu)化：

1)失步保護(hù)：一回路低頻，2001M非全相T1，功率突降，主變高壓側(cè)零序過流保護(hù)Ⅰ段T2(外部系統(tǒng)故障)，保護(hù)動作出口跳2001M進(jìn)入發(fā)電機(jī)帶廠用電運(yùn)行，不啟動廠用電切換，待機(jī)組穩(wěn)定和系統(tǒng)電源恢復(fù)后通過2001M第二個并網(wǎng)點(diǎn)恢復(fù)并網(wǎng)發(fā)電。如果機(jī)組無法穩(wěn)定運(yùn)行，則通過惰走開始邏輯出口切換廠用電。

2)2001B非全相：T1出口跳2001B，考慮到可能存在斷路器操作機(jī)構(gòu)故障等原因的非全相，增加T2出口全停。

3)2001M非全相：T1出口跳2001M，考慮到可能存在斷路器操作機(jī)構(gòu)故障等原因的非全相，增加T2出口全停。

4)根據(jù)現(xiàn)行保護(hù)配置標(biāo)準(zhǔn)，逆功率保護(hù)增設(shè)經(jīng)機(jī)組允許的逆功率時間T1長延時出口(不含主汽門閉鎖信號)，以免主汽門關(guān)閉信號故障未獲得等原因而導(dǎo)致逆功率保護(hù)無法動作。

5)因勵磁系統(tǒng)勵磁方式改變，保護(hù)滅磁不再斷開勵磁電源。

3 增設(shè)及優(yōu)化的保護(hù)

3.1 閃絡(luò)保護(hù)

發(fā)電機(jī)出口斷路器2001M開關(guān)，為發(fā)變組第二個并網(wǎng)點(diǎn)，為保護(hù)發(fā)電機(jī)在同步過程中，由于斷路器斷口兩側(cè)電壓周期性升高，使斷口一相或兩相擊穿造成故障，因此增設(shè)2001M的閃絡(luò)保護(hù)。

其中負(fù)序電流定值按躲過變壓器正常運(yùn)行時的最大不平衡電流整定，取0.15Ie。

根據(jù)DLT684—2012《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計算導(dǎo)則》規(guī)定，延時定值按躲過斷路器三相不一致時間整定，第一時限按0.1 s，2001B開關(guān)閃絡(luò)出口滅磁；2001M開關(guān)閃絡(luò)出口半停1。第二時限0.2 s，2001B閃絡(luò)出口全停1；2001M閃絡(luò)出口啟母線失靈。

3.2 功率突降保護(hù)

當(dāng)機(jī)組功率運(yùn)行情況下發(fā)生正功率突降時，發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速迅速上升、主變高壓側(cè)電壓迅速升高；此時由于機(jī)組保護(hù)不能動作，主變高壓側(cè)斷路器2001M開關(guān)不能跳閘，無法使機(jī)組轉(zhuǎn)入孤島運(yùn)行模式，只能由汽輪機(jī)超速保護(hù)動作停機(jī)。

為了在機(jī)組功率運(yùn)行情況下發(fā)生正功率突降時，發(fā)電機(jī)組能及時轉(zhuǎn)入孤島運(yùn)行模式，需要配置發(fā)電機(jī)功率突降保護(hù)，在發(fā)生正功率突降時，由發(fā)電機(jī)功率突降保護(hù)發(fā)出跳閘信號，跳主變高壓側(cè)斷路器2001M，使機(jī)組轉(zhuǎn)入孤島運(yùn)行模式。

3.3 勵磁變保護(hù)

勵磁變?yōu)閯畲畔到y(tǒng)改造后新增設(shè)備，勵磁變保護(hù)同樣采用了雙重化保護(hù)的原則，勵磁變高、低壓側(cè)CT電流經(jīng)勵磁變高低壓電流互感器接線端子盒轉(zhuǎn)接至發(fā)變組電量保護(hù)屏。主要包括下列保護(hù)：

1)勵磁變差動保護(hù)：勵磁變差動保護(hù)取勵磁變高壓側(cè)CT電流，動作于半停1。

2)勵磁變速斷保護(hù)：保護(hù)的動作電流按躲過變壓器低壓側(cè)出口三相短路時流過的最大短路電流整定，動作時限T=0.05 s，出口發(fā)電機(jī)半停1。

3)勵磁變過流保護(hù)：按躲過發(fā)電機(jī)強(qiáng)勵電流整定，動作延時按躲過下級功率柜分支快熔熔斷時間，取T=0.5 s，出口發(fā)電機(jī)半停1。

3.4 啟停機(jī)保護(hù)

為保護(hù)發(fā)電機(jī)在啟動或停機(jī)，定子電壓處于頻率較低的狀態(tài)下，反映定子接地故障和相間故障，新增啟停機(jī)保護(hù)。

為提高可靠性，發(fā)電機(jī)啟動過程保護(hù)經(jīng)低頻閉鎖，低頻閉鎖定值根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗，取略大于0.9fn，取46 Hz。

零序電壓啟停機(jī)保護(hù)反映啟動過程中的定子接地故障，采用中性點(diǎn)零序電壓的過電壓保護(hù)，按躲過啟動過程中的最大不平衡零序電壓整定。

低頻過電流保護(hù)按正常額定電流的20%計算：Iop=0.2IGN=0.83 A，延時0.3 s，出口于半停1。

3.5 高壓廠變差動保護(hù)覆蓋原廠用分支差動保護(hù)

廠用分支差動用于保護(hù)2001B斷路器至高壓廠用變壓器高壓側(cè)電纜，本次改造由高壓廠變差動保護(hù)覆蓋原廠用分支差動保護(hù)。

3.6 優(yōu)化并網(wǎng)信號

優(yōu)化了送DEH的并網(wǎng)信號方案，將2001B和2001M的常開、常閉接點(diǎn)同時后送DEH，兩路信號同時翻轉(zhuǎn)為真信號，同時再結(jié)合廠內(nèi)外送線路實(shí)際情況，即外送線路開關(guān)均在分閘狀態(tài)下邏輯判斷為解列狀態(tài)，確保能夠真實(shí)反映機(jī)組并網(wǎng)狀態(tài)，避免了DEH波動。

3.7 完善機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)判斷邏輯

完善機(jī)組進(jìn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)判別，優(yōu)化發(fā)電機(jī)惰走保護(hù)啟動快切邏輯。

4 結(jié) 論

本次改造完成后，重新設(shè)計保護(hù)邏輯及配置，滿足了機(jī)組增容及發(fā)電機(jī)勵磁方式的改變的要求，同時各項系統(tǒng)配置均滿足了《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點(diǎn)要求》的最新要求。項目改造后，經(jīng)過近四年的現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行表明：更新改造后的發(fā)變組保護(hù)系統(tǒng)性能優(yōu)良、成熟可靠、運(yùn)維方便，達(dá)到了本次改造的目的，相關(guān)改造經(jīng)驗可供其他電廠參考。