AP1000機組孤島模式下廠用電切換的現狀與改進方式

浙江省三門縣三門核電有限公司 張 超

1 背景

AP1000廠用電有六段中壓母線，中壓1段和中壓2段具有縱深防御功能，配有備用柴油發電機，具備自動帶載功能。中壓3段至6段為主泵及常規島負荷供電。六段中壓母線與廠變、輔變低壓繞組相連。廠變高壓側與主變低壓側、主發電機相連，并裝設發電機出口斷路器，主變高壓側與500kV 開關站相連。輔變高壓側與220kV 開關站相連。500kV 開關站采用3/2接線，兩個完整串，兩回線路與電網相連。220kV 開關站采用雙母線接線，有一回線路與電網相連。

廠用電電源包括正常電源、優先電源、輔助電源和備用電源。正常電源來自主發電機；主發電機未并網由主變為廠用電供電時為優先電源；主變檢修期間，廠用電由輔變供電稱為輔助電源；核島中壓母線由備用柴油發電機供電時稱為備用電源，此時常規島中壓母線失電。

2 問題的引出

2.1 廠用電運行方式

優先電源與輔助電源之間通過快速切換（以下記為快切）、殘壓切換（以下記為殘切）與手動并聯切換來實現，其中快切和殘切由主變、廠變故障后由保護裝置觸發，只能用于優先電源切換至輔助電源，手動并聯切換是雙向的；優先電源與輔助電源均失去，記錄為廠外電事故，備用柴油發電機會自動啟動并為該島中壓母線供電。四種電源的使用順序是：正常電源→優先電源→輔助電源→備用電源。

2.2 主發電機孤島模式的產生

主發電機運行期間，主變高壓側中性點零序電流過流、主發電機失步等異常，保護會斷開主變高壓側500kV 斷路器，使主發電機進入孤島運行模式。發電機出口斷路器不斷開，只帶廠用電運行。當電網異常恢復并具備主變并網條件時，500kV 開關站斷路器通過同期重新并網。廠用電使用正常電源時有并網和孤島兩種模式。孤島模式后的廠用電運行方式如圖1所示。

圖1 孤島模式后的廠用電運行方式（部分）

孤島模式下如果關鍵敏感設備（SPV）無法運行，主發電機將解列，廠用電喪失正常電源。從圖1中看出，目前沒有合適的廠用電切換至輔助電源的措施，期間會造成廠用電失電，對機組的停堆響應、汽輪機打閘惰轉運行產生干擾。為此，本文將著重探討如何解決孤島模式下的廠用電切換。

3 廠用電切換方式

AP1000廠用電從優先電源至輔助電源之間，有快切、殘切與并聯切換三種方式。本節將通過分析影響切換成功的判據，找到廠用電切換的改進方法，為孤島模式下廠用電切換提供解決方案。

3.1 同期切換的判據

3.1.1 快切判據

快切與殘切都是自動切換，當主變、廠變及其高低壓側電氣設備發生故障時，由發電機保護或主變保護動作后觸發，將廠用電切換至輔變。殘切作為快切的備用，當快切失敗，中壓母線由殘切恢復供電。兩種切換方式均無法手動觸發，只能從優先電源切換至輔助電源。核島中壓母線接線如圖2所示。

圖2 核島中壓母線接線

快切過程中斷路器M1與斷路器M2分別接到保護裝置的觸發信號，同時執行分閘、合閘，間隔為100ms，不會導致廠用電失電。允許快切的同期判據為：兩個電源測量PT1 與PT2 之間的電壓差＜10%Un，頻差＜0.05Hz，相位差＜20°。機組滿功率并網運行期間，機組頻率與電網一致，相位角約為14°，滿足快切條件。切換后，電壓恢復為額定電壓，中低壓母線帶載電動機能繼續運行。

3.1.2 手動切換判據

主變計劃停電前將廠用電從主變帶載切換至輔變帶載。主變與輔變雖然電壓等級不同，但輔變所在電網與主變所在電網通過變壓器產生了電磁聯系，屬于同源網絡。能滿足同期判別的電壓差、頻差與相位差條件。

無論是自動切換還是手動切換，影響同期判別的因素只在于頻差與相位差，并且這種同期與主發電機并網、備用柴油發電機并網不同，不依賴調速系統調節轉速或電壓滿足壓差、頻差和相位差。只要屬于同一電網，兩個電源點就能滿足頻差。通過變壓器的調壓裝置能滿足壓差。而相位差是在設計階段根據電網潮流計算確定的判據，屬于不可控制的。優先電源與輔助電源之間的快切與手動切換能否滿足同期判據，只依賴于兩個電源點是否同源。

3.2 殘切動作方式

快切失敗時斷路器M1因保護觸發動作斷開，母線電壓持續下降，達到75%額定電壓時，會延時3s觸發中壓母線掃負荷，將所有中壓母線、負荷中心母線帶載電動機跳開，當母線電壓達到30%額定電壓時，保護裝置觸發斷路器M2合上，母線電壓恢復。此時核島中壓母線使用柴油機帶載邏輯，觸發負荷自動帶載。而常規島中壓母線只有斷路器M2與斷路器LBK 合閘，其余斷路器M1、電動機斷路器MBK 及負荷中心母線斷路器LMBK 均斷開。

核島中壓母線電壓低于75%額定電壓時，會觸發備用柴油發電機自動啟動。當殘切成功后，受測量PT2有電閉鎖，備用柴油發電機保持空載運行。只有當測量PT1與PT2均無電時，備用柴油發電機出口斷路器DBK 才允許合閘并執行自動帶載程序。儀控系統中有允許快切投運的軟操按鈕，當快切退出時，殘切也一并退出。確保了殘切在設計上作為快切的備用。

4 孤島模式下電源切換方式

4.1 同期判據在孤島模式下的狀態

孤島模式下，主發電機輸出功率由廠用電決定，各中壓母線所帶負荷不同，導致各中壓母線的潮流分布產生差異。此時輔變依然處于空載狀態，各中壓母線PT2測量點的相位是相同的。廠用電與輔變此時不是同一電網，因此頻差與相位差必然不能滿足要求。將主發電機轉速調節至同步轉速后，電網頻率波動較小，可以認為頻差也滿足要求。

孤島運行期間，同期允許信號小于700ms，周期長度也會隨著頻差的變化而發生變化，這個過程是無法進行控制的。進入孤島運行且出現故障使優先電源喪失時，一定會出現快切觸發命令，如果此時同期允許信號正好存在，將會允許M2斷路器合閘，而信號觸發及斷路器合閘時間共計160ms，也就導致斷路器合閘時相位差已不滿足要求，此時會造成斷路器M2因相位差過大而產生過電流，對母線帶載電動機造成電流沖擊。最嚴重的情況是180°反相位合閘，此時會導致進線斷路器M2跳閘，使母線失電。

4.2 孤島模式下的人為干預

機組進入孤島模式后，根據分析，快切功能需要閉鎖，導致殘切功能同時被閉鎖。因機組停運導致母線失電，而輔變測量點PT2處有電，備用柴油發電機會自動啟動，但出口斷路器DGBK 無法合閘。如不采取人為干預，會導致母線失電且備用柴油發電機無法并網帶載的全廠失電工況。此時反應堆將喪失強迫循環及自然循環，只能依靠非能動冷卻系統將反應堆置于安全狀態。在輔變仍有電的情況下，這是不合理的。

目前應對孤島運行的異常運行規程中，主控室人員需要第一時間安排運行值班員將核島中壓母線測量點PT2的二次回路斷開，防止備用柴油發電機無法自動帶載。然后將6段中壓母線的快切允許信號置于閉鎖狀態。此時如果發生機組無法運行的工況，核島中壓母線仍能通過低電壓信號啟動備用柴油發電機并進行帶載，常規島中壓母線失電后通過輔變斷路器M2手動恢復供電。

5 廠用電切換功能待改進方式

5.1 斷路器M2增加同期裝置

孤島運行期間，斷路器M2屬于電網并網點，通過增加專設的同期裝置，調節汽輪機轉速和發電機機端電壓，使斷路器M2兩側的壓差、頻差和相位差滿足同期條件，然后再執行手動并聯切換，在斷路器M2合閘后200ms 后自動斷開斷路器M1。主發電機在200ms 內與220kV 電網并聯，但汽輪機控制系統此時仍判斷汽輪發電機機處于空載狀態，氣門開度會維持固定開度。不會發生主發電機通過中壓母線向220kV 電網發電的可能性。增加同期裝置后，確保孤島模式下的廠用電切換不會導致中壓母線失電，主泵不停運，仍能維持一回路強迫循環將反應堆熱量導出至二回路，有利于反應堆的安全運行。

5.2 修改殘切功能

快切的觸發判據：變壓器保護動作與同期條件滿足與測點PT2有電與快切軟操按鈕置于可用。殘切的觸發判據：母線電壓低于30%額定電壓與測點PT2有電與完成掃負荷與快切軟操按鈕置于可用。

孤島模式下，快切功能必然不能使用，但通過殘切將核島中壓母線恢復至自動帶載狀態，有利于一回路建立自然循環，恢復核島及汽輪機安保電源，并且還有備用柴油發電機作為備用。有助于提高反應堆安全。從判據條件可以看出，將快切軟操按鈕置于可用從殘切的判據中取消，不影響殘切作為快切備用的功能。母線手動停電時，斷路器M2會在停電前置于試驗位，合閘回路電源會斷開，殘切觸發也無法合上。因此取消快切軟操按鈕的判據是可行的。

5.3 兩種方案的對比

增加同期裝置的方案需要增設一臺同期裝置，需要具備調節勵磁電壓和汽輪機轉速的功能，采集六段中壓母線的母線電壓及測量PT2處的電壓，可以向六段中壓母線斷路器M2發出合閘命令的接線，新增回路共需要40根電纜。優點是孤島模式下可以使用并聯切換，不會導致中壓母線失電。缺點是會產生設備費用，對現有設備的二次回路接線影響大，并且只在孤島模式下起作用。

修改殘切功能只需要對現有保護裝置內的邏輯進行修改，不會產生設備費用。既能確保孤島模式下機組能建立自然循環，減少常規島電源恢復的時間，又能減少事故工況下人為干預措施，使運行人員能專注于反應堆安全。同時，這種修改也適用于非孤島模式。缺點就是孤島模式下必然會經歷中壓母線失電。

對比兩種方案，增加同期裝置是維持孤島模式下將廠用電轉移至輔助電源的有效措施。孤島模式下SPV 設備發生故障后，修改殘切功能是防止全廠失電工況的有效措施。兩種方案是互為補充的。從變更實施的難易程度及產生費用的角度考慮，應先實施殘切功能修改，機組運行積累經驗后，再實施增加同期切換裝置。

6 結語

AP1000機組孤島模式下，因受限于非同源電網的同期不可用，殘切功能被閉鎖，廠用電缺少向輔助電源切換的功能，人為不干預的情況下，如果發生SPV 設備故障，將會導致全廠失電，喪失縱深防御功能，只能通過非能動堆芯冷卻系統將反應堆熱量導出。

通過分析現有廠用電的快速切換、殘壓切換與手動切換的實現方式，得出非同源電源無法在孤島模式下手動進行切換，提出了增設斷路器M2的同期裝置使廠用電能不停電的切換至輔助電源；分析出現有殘切功能被快切無法使用閉鎖，提出了修改殘切功能使孤島模式下發生機組無法運行時，使廠用電通過殘切切換至輔變帶載的方法。對比兩種互為補充的方案，根據實施的難易程度，提出了可行的改進方式，能有效解決孤島模式下廠用電無法向輔助電源切換的問題。