張　奇，孔　靜，陳子溪

國(guó)內(nèi)M310核電廠廠外220 kV備用電源單相斷線故障對(duì)核電廠安全級(jí)電氣系統(tǒng)的影響分析

張奇，孔靜，陳子溪

（生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 102400）

核電廠電氣系統(tǒng)單相斷線故障由于不易探測(cè)，繼電保護(hù)裝置應(yīng)對(duì)不靈敏且其導(dǎo)致的核安全風(fēng)險(xiǎn)極大等原因已成為國(guó)際核安全監(jiān)管當(dāng)局研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)M310堆型核電廠電氣系統(tǒng)的特點(diǎn)并結(jié)合單相斷線故障特點(diǎn)，指出核電廠廠外220 kV備用電源輸電線路單相斷線故障是引發(fā)核安全風(fēng)險(xiǎn)最為嚴(yán)重的電氣系統(tǒng)。本文結(jié)合M310核電廠電氣系統(tǒng)特點(diǎn)，運(yùn)用對(duì)稱分量法對(duì)廠外220 kV備用電源輸電線路單相斷線故障展開分析，并根據(jù)分析結(jié)果闡述了核電廠廠外備用220 kV輸電線路的保護(hù)系統(tǒng)，無法完全應(yīng)對(duì)該故障的原因。同時(shí)，詳細(xì)分析了該故障對(duì)于核電廠廠內(nèi)安全級(jí)電氣系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來的風(fēng)險(xiǎn)及危害。最后，本文針對(duì)發(fā)現(xiàn)的可能存在的核安全風(fēng)險(xiǎn)提出了建議的應(yīng)對(duì)措施。

核電廠；安全級(jí)；220 kV備用電源；單相斷線；電動(dòng)機(jī)

電力系統(tǒng)非全相運(yùn)行是指單相或者兩相斷開的運(yùn)行狀態(tài)，而其中以單相斷開故障居多[1,2]。在高壓電網(wǎng)（如220 kV輸電線路）中，由于自然條件、外力損壞、設(shè)備老化等原因?qū)е聠蜗鄶嗑€的情況是存在的。我國(guó)目前在運(yùn)核電機(jī)組以M310堆型及其改進(jìn)型核電廠等二代核電為主[3,4]，國(guó)內(nèi)M310堆型及其改進(jìn)型核電廠廠外電源分別為500 kV優(yōu)先電源和220 kV備用電源。當(dāng)前我國(guó)核電廠廠外電源單相斷線故障對(duì)于核電廠安全穩(wěn)定的影響并未得到充分的研究。

由于我國(guó)核電廠500 kV線路普遍為多回出線送出電力，其一回線路發(fā)生斷線之后對(duì)于核電廠的影響并不明顯。而我國(guó)核電廠220 kV輔助電源普遍以兩回220 kV線路互為備用的方式與核電廠的220 kV輔助開關(guān)站相連。在500 kV廠外電源不可用時(shí)，220 kV輔助開關(guān)站可作為備用電源，以保證反應(yīng)堆的安全，而220 kV輔助電源運(yùn)行時(shí)僅通過一回線路向核電廠廠內(nèi)電力系統(tǒng)供電，因此在220 kV輸電線路發(fā)生單相斷線故障后對(duì)核電廠安全運(yùn)行所產(chǎn)生影響需要進(jìn)行充分的研究和分析。國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）及各國(guó)主要核安全監(jiān)管當(dāng)局對(duì)于能動(dòng)型核電廠電力系統(tǒng)發(fā)生單相斷線故障的影響也處于初步研究階段，如美國(guó)Byron核電廠曾由于廠外輸電線路缺相運(yùn)行而導(dǎo)致核安全級(jí)電氣設(shè)備的故障，而現(xiàn)場(chǎng)操作人員并未及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除故障影響最終引發(fā)停機(jī)跳堆。

本文針對(duì)以上情況，對(duì)核電廠220 kV輸電線路單相斷線故障展開定量分析，并結(jié)合國(guó)內(nèi)核電廠實(shí)際情況，對(duì)于核電廠廠外輸電線路單相斷線故障對(duì)核電廠的安全運(yùn)行進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果結(jié)合國(guó)內(nèi)M310核電廠實(shí)際，提出了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

1　核電廠廠外220 kV電力系統(tǒng)單相斷線故障分析

1.1　利用對(duì)稱分量法分析單相斷線故障

假設(shè)在中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中XY處發(fā)生A相斷線，如圖1所示斷線故障處的邊界公式如公式（1）所示。

圖1　A相斷線

式中：A、B、C——斷相處A、B、C三相電流；

將A相斷線邊界條件用序分量表示為：

若計(jì)入斷相處的負(fù)荷電流LA，公式（1）可表示為：

11、22、00——斷相處X、Y兩點(diǎn)向系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的綜合正序、負(fù)序、零序阻抗。

代入公式（3），可得：

斷相處實(shí)際的正序電流應(yīng)加上斷相前的負(fù)荷電流，則斷相處實(shí)際各序電流如公式（6）所示：

由上式可以得出結(jié)論：電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)確定時(shí)，斷線相各序電流均與斷相前的負(fù)荷電流成正比，負(fù)荷電流越小，斷相后各序電流相應(yīng)也越小。

1.2　M310及其改進(jìn)型核電廠220 kV開關(guān)站現(xiàn)有保護(hù)裝置對(duì)于單相斷線故障的響應(yīng)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)核電廠220 kV輸電線路繼電保護(hù)裝置采用雙重配置，主保護(hù)普遍采用冗余配置的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)，后備保護(hù)普遍采用零序保護(hù)。然而，以上保護(hù)對(duì)于單相斷線故障的反應(yīng)并不靈敏，以下為原因分析：

（1）差動(dòng)保護(hù)不動(dòng)作：220 kV發(fā)生單相斷線且無接地的情況下，由于線路兩側(cè)無差流，則差動(dòng)保護(hù)不會(huì)動(dòng)作。

（2）零序保護(hù)動(dòng)作可能性較低：根據(jù)單相斷線故障分析結(jié)果，線路非全相運(yùn)行零序電流與線路負(fù)荷電流正相關(guān)，在線路輕載情況下，故障產(chǎn)生的零序電流值較小低于零序保護(hù)的整定值，導(dǎo)致零序保護(hù)無法動(dòng)作。

由于核電廠廠外220 kV輔助電源在電廠正常運(yùn)行時(shí)處于空載備用狀態(tài)，若此時(shí)220 kV輸電線路發(fā)生單相斷線，其相關(guān)繼電保護(hù)裝置無法切除故障，其監(jiān)控系統(tǒng)亦無法提供有效的故障判斷信息；若220 kV輸電線路在向核電廠廠內(nèi)配電系統(tǒng)供電時(shí)發(fā)生單相斷線故障，由于220 kV線路容量遠(yuǎn)大于單個(gè)核電機(jī)組廠用電負(fù)荷（約為4～10倍不等），此時(shí)220 kV線路處于輕載狀態(tài)，故障相零序電流依然較小，線路零序保護(hù)較大概率不會(huì)動(dòng)作。

2　核電廠廠外220 kV輸電線路單相斷線故障對(duì)于核電廠安全運(yùn)行的影響

通過以上分析計(jì)算可知，能動(dòng)型核電廠220 kV線路繼電保護(hù)裝置對(duì)于單相斷線故障無法正確靈敏應(yīng)對(duì)，且運(yùn)行人員不易察覺。故障發(fā)生后，220 kV輸電線路存在帶故障長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的可能性，因此分析220 kV輸電線路單相斷線故障情況下帶載對(duì)核電廠安全運(yùn)行產(chǎn)生的影響尤其必要。

2.1　220 kV輔助變壓器采用星形三角形聯(lián)結(jié)方式

對(duì)于220 kV輔變采用星形三角形聯(lián)結(jié)方式的情況，如圖2所示，由于變壓器低壓側(cè)為三角形，此時(shí)在高壓側(cè)輸電線路發(fā)生單相斷線故障且供廠用電的情況下，輔變低壓側(cè)依然是三相健全，即核電廠廠內(nèi)電力系統(tǒng)依然三相健全，但是此時(shí)廠內(nèi)配電系統(tǒng)引入了負(fù)序電流。

由于負(fù)序電流可以在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中感應(yīng)渦流，引起電動(dòng)機(jī)過熱并對(duì)電動(dòng)機(jī)帶來較大危害。然而，我國(guó)核電廠中壓安全級(jí)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)配置普遍為過電流保護(hù)和過負(fù)荷保護(hù)，缺少負(fù)序電流保護(hù)。因此在220 kV輸電線路發(fā)生單相斷線且輔助變壓器采用星形三角形的聯(lián)結(jié)方式下，核電廠現(xiàn)場(chǎng)操作人員無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，而安全級(jí)電動(dòng)機(jī)及變壓器因?yàn)槿鄙傧嚓P(guān)電流保護(hù)而持續(xù)過熱甚至發(fā)生燒毀的現(xiàn)象，從而嚴(yán)重影響核電廠的安全運(yùn)行。

圖2　變壓器星形三角形聯(lián)結(jié)方式

2.2　220 kV輔助變壓器采用星形聯(lián)結(jié)方式

對(duì)于220 kV輔變采用星形聯(lián)結(jié)方式的情況，如圖3所示，由于變壓器低壓側(cè)為星形，此時(shí)在高壓側(cè)輸電線路發(fā)生單相斷線故障且供廠用電的情況下，輔變低壓側(cè)也會(huì)缺相運(yùn)行，即核電廠廠內(nèi)電力系統(tǒng)缺相運(yùn)行。

圖3　變壓器星形聯(lián)結(jié)方式

2.2.1電動(dòng)機(jī)靜止時(shí)缺相啟動(dòng)分析

電動(dòng)機(jī)靜止時(shí)，采用星型接法，三相電源斷一相相當(dāng)于兩相電源，這樣電動(dòng)機(jī)定子繞組無法形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子也就無法產(chǎn)生感應(yīng)電流，電機(jī)一直處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)無法起動(dòng)。

2.2.2電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)缺相分析

電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，星型接法的電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)三相正常運(yùn)行額定功率為：

式中：1——相電壓；

L——線電壓；

N——電動(dòng)機(jī)的額定電流；

cos——功率因數(shù)。

在發(fā)生單相斷線故障時(shí)，如圖1所示，以A相斷線為例，則會(huì)形成另兩相繞組串聯(lián)接在電源單相線電壓L下，每相繞組相電壓2=0.5L，若電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下運(yùn)行，2為電動(dòng)機(jī)缺相運(yùn)行相電流，則其運(yùn)行功率為：

由以上兩式可得，在額定功率運(yùn)行下的電動(dòng)機(jī)發(fā)生單相斷線，其相電流為：

2.2.3電動(dòng)機(jī)缺相運(yùn)行保護(hù)動(dòng)作分析

由于過負(fù)荷保護(hù)采用反時(shí)限保護(hù)的方式，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間仍需要計(jì)算，本文以當(dāng)前國(guó)內(nèi)M310核電廠廣泛采用的電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置ABB SPAM150C為例，根據(jù)其過負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作時(shí)間公式計(jì)算得出電動(dòng)機(jī)過負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作時(shí)間。

根據(jù)ABB SPAM150C產(chǎn)品手冊(cè)，過負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作時(shí)間計(jì)算公式[5]如下：

式中：——計(jì)算跳閘時(shí)間；

——熱耗加權(quán)系數(shù)，取50；

——最終導(dǎo)致跳閘的過負(fù)荷電流。

將公式（9）代入公式（10），在發(fā)生單相斷線故障時(shí)，電動(dòng)機(jī)的過負(fù)荷電流動(dòng)作時(shí)間為：

通過以上分析可知，當(dāng)M310及其改進(jìn)型核電廠220 kV輸電線路發(fā)生單相斷線故障時(shí)且輔變聯(lián)結(jié)方式為星形聯(lián)結(jié)，中壓交流配電系統(tǒng)相關(guān)保護(hù)無法識(shí)別并隔離故障，核電廠中壓交流配電系統(tǒng)長(zhǎng)期處于帶故障運(yùn)行模式，而核電廠內(nèi)由該故障配電系統(tǒng)供電的安全級(jí)交流中壓配電系統(tǒng)也處于故障模式，在該故障狀態(tài)下，安全級(jí)中壓電動(dòng)機(jī)的過負(fù)荷保護(hù)普遍在40 s之后動(dòng)作，其結(jié)果表明核電廠非安全級(jí)配電系統(tǒng)的單相斷線故障可蔓延至核電廠安全級(jí)配電系統(tǒng)，并導(dǎo)致核電廠安全級(jí)設(shè)備的停運(yùn)，從而影響核電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3　應(yīng)對(duì)措施

通過前文分析，當(dāng)核電廠220 kV輔助電源發(fā)生單相斷線故障時(shí)，線路保護(hù)無法識(shí)別并切除該故障，220 kV輔助電源長(zhǎng)期帶故障運(yùn)行，若此時(shí)操作人員無法干預(yù)，則核電廠安全級(jí)中壓電動(dòng)機(jī)存在燒毀或者被保護(hù)切除可能，此情況可導(dǎo)致核電廠安全級(jí)中壓電機(jī)功能的喪失，對(duì)于核電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不利的影響。針對(duì)以上情況，并結(jié)合國(guó)內(nèi)M310及其改進(jìn)型核電廠的實(shí)際，本文提出了建議的應(yīng)對(duì)措施，以避免220 kV輔助電源單相斷線故障對(duì)核電廠安全級(jí)設(shè)備的影響。

（1）通過電源切換由應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)供電。當(dāng)前國(guó)內(nèi)M310及其改進(jìn)型核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)判據(jù)普遍為采用符合邏輯的應(yīng)急母線失壓判據(jù)，即采用3相電壓取3相電壓或取2相電壓的符合邏輯方式啟動(dòng)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)。在這種情況下，中壓配電系統(tǒng)發(fā)生單相斷線故障則無法啟動(dòng)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)。

本文建議可將應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)判據(jù)修改為三取一模式，即通過采集安全級(jí)中壓母線單個(gè)線電壓作為應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)判據(jù)。在220 kV線路發(fā)生單相斷線且輔助變?yōu)樾切温?lián)結(jié)的情況下，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)，并按照M310核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)帶載程序執(zhí)行電源切換，將核電廠安全級(jí)中壓母線切換至由應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)供電，該切換時(shí)間普遍在15 s以內(nèi)，從而避免了非安全級(jí)電氣系統(tǒng)單相斷線故障蔓延至安全級(jí)電氣系統(tǒng)的情況發(fā)生。

但是，該方案僅適用于220 kV輔助變壓器為星形聯(lián)結(jié)的情況。

（2）加快應(yīng)對(duì)單相斷線故障的繼電保護(hù)裝置的研發(fā)?？煽紤]在220 kV變電站增加利用零序電流與斷線前的負(fù)載電流比值的突變量算法來整定的保護(hù)。該保護(hù)僅通過改變微機(jī)保護(hù)的算法即可實(shí)現(xiàn)。這樣，線路微機(jī)保護(hù)就具有較完善的單相單純斷線保護(hù)功能。由于零序電流與負(fù)載電流比值的突變量并不受負(fù)荷電流大小的影響，線路無論重載運(yùn)行還是輕載運(yùn)行、無論單相斷線接地還是單相單純斷線，保護(hù)均能靈敏動(dòng)作，切除故障線路。

（3）核電廠主控制室增設(shè)廠外電參數(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備，如開關(guān)站三相電流顯示等。以便主控室操作人員對(duì)于電氣系統(tǒng)故障狀態(tài)的及時(shí)判斷，同時(shí)應(yīng)展開相應(yīng)培訓(xùn)，加深操作人員對(duì)于單相斷線故障模式的理解，以便操作人員能夠及時(shí)人工干預(yù)應(yīng)對(duì)相應(yīng)故障。

4　結(jié)論

本文對(duì)國(guó)內(nèi)M310堆型及其改進(jìn)型核電廠廠外220 kV輔助電源發(fā)生單相斷線故障展開研究，分析了該故障產(chǎn)生的影響，根據(jù)分析結(jié)果，提出了應(yīng)對(duì)策略。從而得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)前國(guó)內(nèi)M310堆型及其改進(jìn)型核電廠廠外輸電線路發(fā)生單相斷線故障時(shí)，其線路保護(hù)裝置無法響應(yīng)并切除故障線路，系統(tǒng)將帶故障長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。

（2）在M310及其改進(jìn)型核電廠220 kV輔助電力系統(tǒng)發(fā)生單相斷線故障并帶廠用電運(yùn)行時(shí)，核電廠安全級(jí)中壓電動(dòng)機(jī)存在過熱燒毀或者退出運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，使安全級(jí)電動(dòng)機(jī)無法執(zhí)行其安全功能。

（3）建議適當(dāng)修改應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)判據(jù)，在單相斷線故障引入廠內(nèi)配電系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)可以應(yīng)急啟動(dòng)，并經(jīng)過相應(yīng)延時(shí)之后進(jìn)行電源切換，實(shí)現(xiàn)安全級(jí)負(fù)荷由應(yīng)急電源供電，從而可避免非安全級(jí)中壓交流配電系統(tǒng)單相斷線故障對(duì)于安全級(jí)電氣系統(tǒng)的不利影響，防止故障由非安全級(jí)電氣系統(tǒng)向安全級(jí)電氣系統(tǒng)的蔓延，可使核電廠繼續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］ 盛方正，陳子聰，陳曉炯．中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相斷線故障分析及對(duì)策研究［J］．供用電，2011，28（3）：43-45．

［2］ 袁浩，王琰，倪益民，等．高壓線路保護(hù)非全相運(yùn)行狀態(tài)下的考慮［J］．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34（20）：103-107．

［3］ 王慶紅，龔婷．福島核電事故分析及其啟示［J］．南方電網(wǎng)技術(shù)，2011，5（3）：17-22．

［4］ 周克峰，鄭繼業(yè)，馮進(jìn)軍，等．全廠斷電情景下M310核電廠緩解措施分析［J］．原子能科學(xué)技術(shù)，2014，48（8）：1464-1472．

［5］ ABB SPAM150C電動(dòng)機(jī)保護(hù)繼電器用戶手冊(cè)及技術(shù)說明［R］．廈門ABB輸配電自動(dòng)化設(shè)備有限公司，1997．

The Analysis of Single Open-phase of 220 kV Standby Off-site Power Supply of M310 Nuclear Power Plant in China

ZHANG Qi，KONG Jing，CHEN Zixi

（Nuclear and Radiation Safety Center，Beijing 102400，China）

The single open-phase ungrounded fault of the electrical system in nuclear power plants is difficult to be detected and also the relay protection device is not sensitive，as a result，the nuclear safety risk caused by the fault is also very high．Based on the characteristics of M310 and its improved nuclear power plant electrical system and combined with the characteristics of single open-phase ungrounded fault，this paper points out that the single open-phase fault of 220 kV standby offsite power supply transmission line is the electrical system with the highest probability of occurrence and causing the most serious nuclear safety risk．This paper makes a quantitative analysis with method of symmetrical components on the single open-phase ungrounded fault of the off-site standby 220 kV transmission line in M310 nuclear power plants，and expounds the reasons why the off-site standby 220 kV power system of nuclear power plants cannot completely deal with the fault according to the analysis results．At the same time，the risk and harm of the fault to the safe and stable operation of the safety class electrical system in the nuclear power plant are analyzed in detail．At last，some suggestions are put forward for dealing with the possible nuclear safety risks．

Nuclear Power Plant；Safety-class；220 kV standby power supply；Single Open-phase；Electric motor

TL364

A

0258-0918（2021）03-0527-06

2020-12-27

張奇（1983—），男，山東德州人，碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事核電廠電氣系統(tǒng)安全審評(píng)方面研究