紀秀艷,劉愛芬,張瑞萍,鐘麗波,魏 巍

(1.華龍國際核電技術有限公司，北京 100036；2.國網(wǎng)沈陽供電公司，遼寧 沈陽 110003)

中壓交流電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行對于國內(nèi)三代核電廠具有至關重要的作用，中壓交流電力系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，采用不同的接地方式,相對應的故障電流、過電壓均存在差異。如果中性點接地方式選擇不當，將導致非故障相設備絕緣擊穿發(fā)展成相間短路故障、造成設備損壞、中斷，影響核電廠中壓廠用電系統(tǒng)正常運行造成停機停堆等后果。所以，應結合核電廠總體安全要求和電氣系統(tǒng)安全要求綜合考慮。選擇適當?shù)慕拥胤绞?，以保障核電廠安全可靠運行[1-2]。

目前，我國比較典型的核電廠三代堆型主要有EPR、AP1000、華龍一號堆型，EPR核電廠中壓系統(tǒng)采用不接地的方式，AP1000核電廠中壓系統(tǒng)采用低阻接地方式，華龍一號核電廠中壓系統(tǒng)采用經(jīng)消弧線圈接地方式。本文針對以上各種接地方式進行對比，提出國內(nèi)三代核電廠中壓系統(tǒng)接地方式優(yōu)化建議[3-4]。

1 EPR核電廠中壓系統(tǒng)接地方式分析

EPR核電廠中壓系統(tǒng)計算電容電流大于10 A時，中性點采用不接地方式，系統(tǒng)在正常運行時，中性點只有較小的三相不平衡電壓，與地電位近似相同。系統(tǒng)任意回路發(fā)生單相接地故障時，中壓系統(tǒng)各支路電容電流的流向、電壓與電流相量關系如圖1所示。

圖1 中壓系統(tǒng)各支路電容電流的流向電壓與電流相量關系

2 AP1000核電廠中壓系統(tǒng)接地方式分析

AP1000核電廠中壓系統(tǒng)計算電容電流大于10 A，中性點采用經(jīng)低電阻接地的方式。系統(tǒng)在正常運行時，中性點只有較小的三相不平衡電壓，與地電位近似相同。系統(tǒng)任意回路發(fā)生單相接地故障時，接地短路電流將通過電阻構成回路，與不接地方式相比，故障電流顯著增加，使繼電保護裝置能靈敏迅速動作，第一時限將故障回路從中壓系統(tǒng)中切除，如果故障線路未跳開，可以通過第二時限跳開為該段母線供電的總進線回路開關，切除故障回路及該段母線上的其他配電回路，通過調(diào)整中性點接地電阻能限制單相接地電流。AP1000核電廠中壓系統(tǒng)采用中性點經(jīng)低電阻接地方式，滿足目前國內(nèi)相關規(guī)范要求及AP1000核電廠對供電可靠性的要求[8-10]。

3 華龍一號核電廠中壓系統(tǒng)接地方式分析

華龍一號核電廠中壓系統(tǒng)接地電容電流大于10 A，采用中性點經(jīng)消弧線圈(隨調(diào)式)接地方式。系統(tǒng)在正常運行時，消弧線圈處于離線狀態(tài)，中性點電壓及系統(tǒng)電容電流等同于中性點不接地方式，當消弧線圈控制系統(tǒng)檢測到單相接地故障時，將消弧線圈迅速投入，用來補償接地電容電流，使故障回路在限定時間內(nèi)帶故障運行，以提高重要回路持續(xù)供電的可靠性。系統(tǒng)任意回路發(fā)生單相接地故障時，中性點電壓將升高為相電壓，方向與故障相相電壓相反，消弧線圈在中性點故障電壓作用下產(chǎn)生電感電流，滯后于故障電壓90°，中壓系統(tǒng)接地故障及系統(tǒng)接地故障相量如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)接地故障及系統(tǒng)接地故障相量

中性點的消弧線圈與系統(tǒng)的分布電容組成諧振電路如圖3所示。

圖3 消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生接地故障時等效電路

補償后殘余的故障電流Id為

(1)

華龍一號核電廠中壓系統(tǒng)中性點采用消弧線圈過補償?shù)慕拥胤绞?ωL<1/3ωC)，補償后，可以將殘余的故障電流Id控制在較小范圍內(nèi)，不超過10 A，使接地故障相恢復電壓的初速度和幅值均降低，達到熄滅故障電弧的目的。華龍一號核電廠中壓系統(tǒng)中性點接地方式滿足國內(nèi)相關規(guī)范及(RCC-E—2005)壓水堆核電廠核島電氣設備設計和建造規(guī)則的要求，這種接地方式需要增加消弧線圈、二次電阻及控制裝置，運行方式、控制邏輯、接地保護配置比較復雜。

4 中壓系統(tǒng)接地方式優(yōu)化分析

華龍一號堆型和EPR堆型均有安全級中壓用電負荷，并配置了安全級應急柴油發(fā)電機組為中壓系統(tǒng)供電，使中壓系統(tǒng)在任何工況下都能保證對安全級中壓用電負荷可靠供電。所以，在發(fā)生單相接地故障時，希望使故障回路在限定時間內(nèi)帶故障運行，有利于核安全設施連續(xù)供電，華龍一號和EPR堆型中壓系統(tǒng)采用中性點不接地方式或經(jīng)消弧線圈接地方式較適合。AP1000堆型的安全功能不依賴于中壓系統(tǒng)，所以當中壓系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，無需帶故障運行，AP1000核電廠中壓系統(tǒng)計算電容電流大于10 A時，保護裝置第一時限跳開故障回路，避免單相接地產(chǎn)生過電壓，對核安全無影響或影響較小，所以中性點采用低電阻接地的方式較適合。幾種接地方式發(fā)生接地故障時的主要性能對比如表1所示。

表1 中性點各種接地方式的比較

5 結論

經(jīng)過以上核電廠中壓系統(tǒng)接地方式分析，接地方式除了按照電容電流計算結果選擇外，還要考慮核電廠本身對供電可靠性的要求，對于供電可靠性要求較高的核電廠，接地故障直接跳閘會對核安全產(chǎn)生影響，不直接跳閘又存在故障范圍擴大的風險，綜合各種接地方式的優(yōu)缺點，對于國內(nèi)三代核電廠中壓系統(tǒng)接地方式提出以下幾點建議。

a.計算電容電流不超過10 A的中壓系統(tǒng)母線，對于新建供電可靠性要求較高的核電廠，建議采用不接地的方式，不需要增加接地設備，既提高了經(jīng)濟性，又提高了供電可靠性。

b.計算電容電流已經(jīng)超過10 A的中壓系統(tǒng)母線，對于新建供電可靠性要求較高的核電廠，建議結合供電可靠性及單相接地故障危害等因素，對母線上所帶負荷逐個分析，若該段母線上任一回路發(fā)生單相接地故障時對核安全無影響或影響較小，該段母線可采用低電阻接地方式，使故障回路在第一時限內(nèi)被切除。若該段母線上涉及專設安全設施中壓用電負荷，應進行技術經(jīng)濟比較，采用其他接地方式，當采用經(jīng)消弧線圈過補償接地方式時，由于在接地點接地故障電流中增加了一個感性電流分量，使接地點的故障電流由容性變?yōu)楦行?，使電弧容易自熄，避免了故障電弧引起的危害，但由于這種接地方式需要增加相應的設備，所以在設計階段，應詳細論證其運行可靠性，避免實際運行時因設備或控制邏輯等問題造成供電可靠性降低。

c.對于新建供電可靠性要求不高，接地故障直接跳閘對核安全無影響或影響較小的核電廠，建議電容電流不超過10 A的中壓系統(tǒng)母線采用不接地方式，電容電流超過10 A的中壓系統(tǒng)母線采用低電阻接地的方式。

d.對于已運行的核電廠，結合上述幾點建議進行相應的改造，消除因接地故障引起的安全隱患。

e.在工程設計階段，對各段配電母線上的配電線路進行合理分配，使中壓系統(tǒng)母線的設計電容電流限制在30 A以內(nèi)，若設計電容電流超過30 A，中壓系統(tǒng)不應采用不接地的方式。

f.為有效限制單相接地故障范圍的擴大，建議選用現(xiàn)有技術成熟的小電流接地選線裝置進行首次單相接地故障的準確選擇，以便于及時處理單相接地故障。在實際工程中，由于接地故障的復雜性、線路不平衡電流與零序電流互感器誤差等因素的影響，應根據(jù)實際工程情況將小電流選線裝置工作原理進行有機結合，達到準確選線的效果。