肖長歌 ，卓德勇，吳超峰

（1.國核電力規(guī)劃設計研究院，北京市 100095；2.華電滕州新源熱電有限公司，山東省滕州市 277500）

0 引言

AP1000第三代核電技術是當今世界上較為先進的核電技術，在儀表和控制系統(tǒng)方面應用了許多先進的技術，如全數(shù)字化分散控制系統(tǒng)（distributed control system，DCS）和現(xiàn)場總線技術等［1］。AP1000的標準設計中，全數(shù)字化的DCS系統(tǒng)主要是基于Common Q平臺和Ovation平臺，以實現(xiàn)安全系統(tǒng)和非安全系統(tǒng)的控制和保護［1］。另外，在非安全系統(tǒng)中大規(guī)模采用了現(xiàn)場總線技術，主要包括Hart、Profibus DP 和Modbus TCP／RTU等。全廠控制系統(tǒng)技術的先進性已經(jīng)達到了國內(nèi)同容量火電機組的水平。

基于這種控制水平，與DCS接口的所有現(xiàn)場設備須完全與之匹配，西屋公司也提供了與之相關的標準接口規(guī)范文件［2－3］，其中就包括10kV 電動機的繞組和軸承的溫度監(jiān)視、控制和保護策略。

作為核電廠的重要設備，10kV 電動機對核電廠的安全運行具有重要作用。在AP1000核電站的標準設計中，10kV 中壓電動機的溫度監(jiān)視和保護策略與我國已有核電站以及常規(guī)火電站的常規(guī)設計理念有較大差別，需要對其進行論證。本文從技術先進性、可靠性、經(jīng)濟性等幾個角度，闡述10kV 電動機溫度測量和保護方案。

1 10kV電動機溫度測量和保護方案

1.1 溫度測量元件的設置及功能

根據(jù)有關標準、技術規(guī)定和生產(chǎn)廠商的要求，10kV電動機本體需要進行溫度測量的部位主要為電動機繞組和電動機軸承金屬。

1.1.1 電動機繞組溫度測量

電動機繞組溫度測量的目的是監(jiān)視電動機在運行過程中的繞組溫度，在必要時采取保護措施，防止在電動機電流過大、散熱不良的情況下，由于繞組溫度過高導致電動機損壞，進而影響電廠系統(tǒng)運行。

電動機繞組溫度測量元件通常為Pt100雙支熱電阻或單支熱電阻，通常是由制造商根據(jù)各類電動機繞組熱點的分布情況，在制造時一次性埋入，在壽期內(nèi)一般不可更換。AP1000 核電站的設計壽命為60年，包括10kV 電動機在內(nèi)的主要設備的設計壽命應與之相匹配。因此，為保證在電動機壽期內(nèi)溫度監(jiān)視和保護不失效，繞組溫度測量元件的壽命或替代方案應與電動機壽命相匹配。眾所周知，儀表類設備的壽命通常為10～20年，單個溫度測量元件無法滿足60年壽命的要求，通常的做法是在電動機繞組內(nèi)1次埋入多個測溫元件，預留備用元件，通過壽命疊加的方式實現(xiàn)與主設備壽命周期相匹配。

本文推薦在中壓電動機每相繞組中至少埋置3個雙支熱電阻（相當于6個單支熱電阻），其中的2個獨立的單支接入到控制系統(tǒng)中實現(xiàn)監(jiān)視和保護，剩余的2個單支和1個雙支作為備用。這種“2用4備”方案的優(yōu)點在于接入控制系統(tǒng)的單支測量元件故障時，仍有1支可用，保證溫度測量的有效性，不會因為喪失對繞組溫度的監(jiān)視和保護而引發(fā)次生故障，導致設備損壞和停機檢修，提高了系統(tǒng)和設備的可用率。

1.1.2 電動機軸承金屬溫度測量

電動機軸承金屬溫度測量的目的是監(jiān)視電動機在運行過程中的軸承溫度，必要時采取保護措施，防止軸承溫度過高造成軸磨損和設備損壞。

軸承的溫度測量元件可以在檢修期間進行更換，即使在溫度監(jiān)視喪失的情況下，仍有振動測量作為設備保護的后備手段，因此，每個軸承配置3個溫度測量元件并接入控制系統(tǒng)即可。

1.1.3 電動機溫度測量的主要功能

（1）在電動機運行期間，在主控室實現(xiàn)對其繞組和軸承溫度的連續(xù)監(jiān)視功能。

（2）在電動機運行期間，當繞組或軸承溫度達到報警值時，觸發(fā)報警功能，提醒操縱員注意。

（3）在電動機運行期間，當繞組或軸承溫度達到跳閘值時，根據(jù)系統(tǒng)運行的要求，觸發(fā)跳閘功能，進行設備保護，同時提醒操縱員注意，并采取必要的措施［4］。

1.2 中壓電動機溫度監(jiān)視和保護的可靠性分析

1.2.1 中壓電動機溫度監(jiān)視和保護常規(guī)方案

中壓電動機溫度監(jiān)視和保護的常規(guī)方案：控制系統(tǒng)的控制器通過熱電阻溫度探測器（resistance temperature detector，RTD）類型I／O 卡件對現(xiàn)場溫度儀表測量的電動機繞組和軸承的溫度信號進行周期掃描，獲取電動機的溫度信息，在控制系統(tǒng)的人機接口設備視頻顯示裝置（visual display unit，VDU）上顯示。同時，通過邏輯運算對測量值與設定值進行比較，如果達到報警值則在VDU 上報警；如果達到保護值，則在觸發(fā)跳閘邏輯中通過I／O 卡件將跳閘電平信號傳輸?shù)诫妱訖C控制回路（開關柜），實現(xiàn)斷路器分閘，最終實現(xiàn)電動機跳閘保護?，F(xiàn)場測溫儀表、控制系統(tǒng)和開關柜之間的信號傳輸都是通過常規(guī)的銅質(zhì)硬接線電纜實現(xiàn)。

溫度的監(jiān)視和保護基本經(jīng)歷了：溫度測量元件→RTD 輸入卡件→控制器邏輯運算→數(shù)字量輸出（digital output，DO）卡件→開關柜跳閘繼電器等5個環(huán)節(jié)。溫度信號是否跳閘的邏輯判斷在控制系統(tǒng)中實現(xiàn)，一旦控制系統(tǒng)，包括RTD 卡件、數(shù)據(jù)處理單元（distributed process unit，DPU）、DO卡件等環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，電動機的溫度保護功能將會喪失，監(jiān)視功能也將喪失。

這種保護方案的實時性主要取決于控制系統(tǒng)DPU 的邏輯運算能力和I／O 卡件的掃描周期，硬接線的傳輸時間可忽略不計。實時性計算公式為

式中：T 為回路響應時間，ms；TRTD為RTD 卡件掃描時間，ms；TCPU為CPU 的邏輯運算時間，ms；TDO為DO 卡件輸出時間，ms。

通常在保證DPU 負荷率的情況下，用于監(jiān)視的模擬量輸入變量，最快掃描周期至少為500ms［5］；參與控制的模擬量輸入點，最快的掃描周期至少為100ms［5］；模擬量計算點最快的計算周期為500ms［2］。從輸入變量超限被掃描到DPU進行邏輯運算，保護動作通過DO卡件輸出的時間為500ms＋500ms＋50ms＝1 050ms。如果是犧牲DPU的負荷率，按照快速響應回路處理，其響應時間為100ms＋500ms＋50ms＝650ms。

這種方案在國內(nèi)各類大型常規(guī)火電廠和二代核電站中得到廣泛的應用，實踐證明這種方案的實時性和可靠性是能夠滿足要求的。

1.2.2 AP1000中壓電動機溫度監(jiān)視和保護方案

AP1000中壓電動機溫度監(jiān)視和保護方案：開關柜內(nèi)保護模塊（SEL－710）通過熱電阻（RTD）采集通道獲取現(xiàn)場溫度儀表測得的電動機繞組和軸承信號，在SEL－710中進行運算比較，當現(xiàn)場溫度值達到報警值時，可在就地報警，巡檢人員可就地查詢；當現(xiàn)場溫度值達到跳閘值時，在SEL－71中可以做Vote邏輯判斷，直接在開關柜內(nèi)完成電動機跳閘；SEL－710采集的連續(xù)溫度信號通過Modbus TCP 通訊網(wǎng)絡傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)的控制器中，實現(xiàn)溫度信息在VDU 上的顯示，同時在DPU 內(nèi)完成現(xiàn)場信號與報警設定值的比較，當達到報警值時，在VDU 上觸發(fā)報警。另外，還可以考慮保護的多樣性和備用方案，可在DPU中對現(xiàn)場溫度信號與跳閘值進行比較，如果達到跳閘設定值，通過邏輯觸發(fā)跳閘信號，利用DO 卡件將跳閘電平信號發(fā)送到開關柜內(nèi)的跳閘繼電器實現(xiàn)跳閘。

現(xiàn)場測溫儀表和開關柜之間的信號傳輸通過銅質(zhì)硬接線電纜實現(xiàn)，開關柜至控制系統(tǒng)之間的信號傳輸通過Modbus TCP 通訊網(wǎng)絡實現(xiàn)，開關柜內(nèi)SEL－710與跳閘繼電器之間的信號傳輸通過集成電纜實現(xiàn)。如果考慮多樣性和備用方案，控制系統(tǒng)跳閘輸出到開關柜的信號傳遞同常規(guī)方案。

溫度的監(jiān)視和報警基本經(jīng)歷了：溫度測量元件→SEL－710RTD 輸入通道→Modbus TCP 網(wǎng)絡（含Gateway）→DPU 邏輯運算→VDU 顯示等5個環(huán)節(jié)。

溫度的保護基本經(jīng)歷了：溫度測量元件→SEL－710RTD 輸入通道→SEL－710 邏輯運算→開關柜跳閘繼電器等4個環(huán)節(jié)。

溫度信號是否跳閘的邏輯判斷在開關柜內(nèi)的SEL－710和控制系統(tǒng)備用方案（可選）中實現(xiàn)，可根據(jù)設備的保護要求，選擇開關柜保護或者開關柜＋控制系統(tǒng)備用方案，以提高保護的可靠性。

通過SEL－710實現(xiàn)保護的實時性計算公式為

式中TSEL為SEL－710的邏輯運算時間，ms。

因為SEL－710模塊僅采集10個RTD點，其掃描更新周期TRTD小于3s，可取500ms，SEL邏輯運算周期TSEL為8ms，總的回路響應時間T＝500ms＋8ms＝508ms，優(yōu)于主控制系統(tǒng)的能力，因此保護的實時性要優(yōu)于常規(guī)方案。當然，跳閘是否延時也可在開關柜內(nèi)進行組態(tài)。

這種方案的主控室報警和顯示功能的響應時間主要取決于Modbus TCP網(wǎng)絡的響應時間。通常情況下，每個ModbusTCP網(wǎng)絡的Gateway上只掛接8個開關柜，且通訊介質(zhì)是多模通訊光纜，因此其傳輸速度基本可以滿足報警和顯示要求。這一點可通過國內(nèi)應用廣泛的輔助車間集中監(jiān)控網(wǎng)絡的應用業(yè)績來印證。

AP1000方案的特點是：溫度保護直接由開關柜實現(xiàn)，實時性較高；監(jiān)視和報警信號則很大程度上取決于Modbus總線傳輸?shù)膶崟r性，且監(jiān)視和報警信號對實時性的要求不高，如果合理規(guī)劃總線網(wǎng)段和網(wǎng)段設備數(shù)量，這種方案也是可以滿足要求的。

1.3 控制系統(tǒng)及電纜的投資分析

設備和材料投資主要集中在控制系統(tǒng)卡件、開關柜保護裝置以及電纜等方面。以某工程的實際情況為例進行經(jīng)濟分析，主要條件如下［6－10］：

（1）3臺凝結水泵、3臺給水泵、2臺閉式循環(huán)水泵。

（2）開關柜間集中布置于主廠房7.5m 層，主控制系統(tǒng)的機柜集中布置于主廠房16m 運轉層的電子設備間。

（3）中壓電動機與主控制系統(tǒng)機柜的橋架距離約150m；中壓電動機與開關柜間的橋架距離約100m；開關柜間與主控制系統(tǒng)的機柜橋架距離約為50m。

（4）主控制系統(tǒng)的RTDI／O模件按照8點［7－8］計算。

（5）每8個電動機開關柜劃為1個Modbus網(wǎng)段［9－10］。

（6）常規(guī)電纜采用接線盒合并的方式。

AP1000方案和常規(guī)方案對比經(jīng)濟分析如表1所示，綜合比較如表2所示。由表1、2可知，AP1000方案和常規(guī)方案都是可行的，但前者的整體性能優(yōu)于后者。

表1 控制系統(tǒng)硬件投資分析（單臺電動機）Tab.1 Analysis of hardware investment of control system（single motor）

表2 綜合硬件投資定性分析（單臺電動機）Tab.2 Qualitative analysis of comprehensive hardware investment（single motor）

2 循環(huán)水泵電動機溫度監(jiān)視和保護方案

常規(guī)方案：循環(huán)水泵電動機的所有溫度信號，包括繞組溫度和軸承溫度均通過硬接線接入到循環(huán)水泵房的遠程I／O柜，監(jiān)視、報警功能在DCS中實現(xiàn)，跳閘保護功能通過DCS的DO輸出送至開關柜實現(xiàn)。

AP1000方案：循環(huán)水泵電動機的所有溫度信號，包括繞組溫度和軸承溫度通過開關柜的遠程溫度采集模塊SEL－2600實現(xiàn)；然后通過光纖通訊（可達1 000 m）傳送至開關柜，實現(xiàn)保護；然后通過Modbus總線接入DCS實現(xiàn)監(jiān)視和報警。

以某工程的實際情況為例進行技術經(jīng)濟分析，主要條件如下（其他條件同1.3節(jié)）：

（1）3臺循環(huán)水泵。

（2）循環(huán)水泵房設遠程I／O 柜。

（3）中壓電動機與主控制系統(tǒng)機柜的橋架距離約為750 m；中壓電動機與開關柜間的橋架距離約為750 m；中壓電動機與遠程I／O的橋架距離約為30 m；開關柜間與主控制系統(tǒng)的機柜橋架距離約為50 m。

（4）SEL－2600 可布置在就地采集電動機溫度信號，可采集12點。

常規(guī)方案和AP1000方案技術經(jīng)濟分析對比如表3所示。由表3可知，對于循環(huán)水泵來說2個方案都是可行的，投資的規(guī)模也相當。

3 結論

（1）在實時性和可靠性方面，中壓電動機溫度測量和保護的常規(guī)方案和AP1000標準設計方案都滿足相關要求，都是可行的。

（2）技術經(jīng)濟分析表明，AP1000 標準設計方案要明顯優(yōu)于常規(guī)方案。

表3 技術經(jīng)濟分析（單臺循環(huán)水泵）Tab.3 Technical and economic analysis（single circulating water pump）

（3）在具體工程中，設計方和用戶可根據(jù)設計理念和運行檢修習慣來選擇中壓電動機溫度測量和保護方案。

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