肖項濤，郝亮亮，梁鄭秋，何 鵬，吳鵬飛

核電RAM系統(tǒng)不正常工況分析及失磁保護優(yōu)化

肖項濤1，郝亮亮1，梁鄭秋1，何 鵬2，吳鵬飛3

(1.北京交通大學電氣工程學院，北京 100044；2.遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連 116001；3.陽江核電有限公司，廣東 陽江 529599)

核電站控制棒驅動機構電源系統(tǒng)(RAM)是控制棒驅動機構的唯一供電系統(tǒng)，目前RAM系統(tǒng)存在一系列不正常工況及失磁保護失配問題。為深入了解系統(tǒng)運行規(guī)律并解決失磁保護失配問題，首先，結合實際數據，基于PSCAD仿真平臺建立了RAM系統(tǒng)仿真模型。在驗證模型正確性的基礎上，對存在的不正常工況產生機理進行分析，通過仿真驗證了分析的正確性。其次，對某核電站失磁保護與過流保護的失配現象進行了仿真復現，并分析了失配發(fā)生的原因。最后對失磁保護進行了邏輯優(yōu)化及配合優(yōu)化，制定了III段式失磁保護配置方案，從不同負載水平時發(fā)生不同程度失磁故障兩個維度驗證了方案的適用性。所開展的RAM系統(tǒng)不正常工況分析工作和所提失磁保護方案對保障核電站的安全穩(wěn)定運行有重要意義。

核電站RAM系統(tǒng)；不正常工況；保護失配；失磁保護優(yōu)化

0 引言

核電站控制棒驅動機構(CRDM)的作用是提升和下放核反應控制棒，其電源系統(tǒng)(RAM)采取百分百冗余配置，由兩列參數及保護配置完全相同的電動機與發(fā)電機(M-G)組構成，正常工作時兩列機組并列運行[1-2]。完整的RAM系統(tǒng)結構如圖1所示，分為上游供電部分、RAM系統(tǒng)及下游負荷部分。上游供電部分由核電站主發(fā)電機經分裂變和降壓變產生380 V線電壓電源；RAM系統(tǒng)由籠型異步電動機經過飛輪質量塊拖動隱極發(fā)電機，產生260 V線電壓供給下游負荷。RAM系統(tǒng)出口母線經半波整流，給控制棒驅動機構負荷線圈供電，實現控制棒的插拔。

圖1 完整RAM系統(tǒng)結構圖

目前核電站RAM系統(tǒng)按照勵磁方式的不同可分為兩類，第一類采用相復勵有刷勵磁，第二類采用相復勵無刷勵磁。長期的工程實踐發(fā)現，采用有刷勵磁方式的機組，在運行時存在一列機組從相鄰機組吸取無功的不正常工況；第二類機組存在異步電機供電有壓差，導致兩列機組輸出有功不一致的不正常工況。此外，RAM系統(tǒng)還存在失磁保護與過流保護的失配問題。

對于上述不正常工況的分析目前未見公開資料報道?，F有的常規(guī)發(fā)電機失磁保護主要根據失磁故障特征來構成定子判據、轉子判據和輔助判據[3]。定子側多以機端測量阻抗軌跡為判據，通過功率的變化來反映功率角和轉差率的狀態(tài)，一般為靜穩(wěn)阻抗圓判據和異步阻抗圓判據[4-7]。而西門子失磁保護方案采用基于導納測量的原理，將P-Q平面表示的發(fā)電機運行極限特性用導納表示，并作為失磁保護邊界[8-10]。轉子側判據多采用變勵磁電壓判據[11]，即有功負荷一定時，根據靜穩(wěn)極限所需的最低勵磁電壓，來判別是否失磁。該判據靈敏度高，但整定相對復雜。而輔助判據多為逆無功判據和系統(tǒng)側低電壓判據，輔助判據往往動作于信號[12]。

RAM系統(tǒng)不同于并網運行的發(fā)電機，其差異主要體現在兩方面：一是RAM系統(tǒng)發(fā)電機不設調速器，但具有慣性質量很大的飛輪；二是RAM系統(tǒng)不并網，發(fā)電機經出口母線直接連至負荷，無聯系電抗，機端電壓和頻率不恒定。由于RAM系統(tǒng)與常規(guī)并網發(fā)電機存在明顯差異，因此工程實際中多采用最簡單的轉子低電流作為失磁保護判據。在機組失磁時，由于失磁保護與過流保護配合不當，導致故障機組和正常機組均被切除，使得控制棒驅動機構失電，控制棒落棒致反應堆停堆。為提高RAM系統(tǒng)的運行可靠性，需對其存在的不正常工況及失磁保護失配現象展開機理分析，并進行保護優(yōu)化。

為了深入揭示RAM系統(tǒng)運行規(guī)律，明確不正常狀態(tài)及相關保護失配的機理，第1節(jié)根據RAM系統(tǒng)拓撲及實際參數建立了仿真模型；在第2節(jié)中，結合實際運行數據對模型的穩(wěn)態(tài)工況、飛輪作用和勵磁調節(jié)系統(tǒng)進行了仿真，驗證了模型的正確性；在第3節(jié)中，對第一類機組存在的無功不平衡工況及第二類機組存在的輸出有功不一致等不正常工況進行了分析及仿真，解釋了其產生機理。在第4節(jié)中復現了失磁保護與過流保護的失配現象，得到了與現場一致的失磁保護與過流保護失配的動作結果；從保護原理優(yōu)化及配合優(yōu)化兩方面入手，制定了III段式失磁保護配置方案，并通過仿真驗證了方案的可行性。

1 RAM系統(tǒng)仿真建模

RAM機組建模的關鍵環(huán)節(jié)是M-G機組的建模和勵磁調節(jié)系統(tǒng)的建模，下面詳細介紹兩者的建模過程。

1.1 M-G機組的原理及建模

RAM系統(tǒng)電動機-飛輪-發(fā)電機同軸連接，且發(fā)電機無調速器。建模時將飛輪轉動慣量等效到電動機慣量中，M-G機組耦合原理如圖2所示。電動機運行在轉矩控制模式，發(fā)電機運行在轉速控制模式。將電動機-發(fā)電機視為一個面向負荷的整體，由機組整體與負荷實現功率與轉矩的平衡。在機組內部，發(fā)電機將對應負荷條件下所需的電磁轉矩傳遞給電動機，由電動機實現相應轉矩下的轉速要求，并將此轉速傳遞至發(fā)電機使兩者運行在同一轉速。

圖2 M-G機組耦合原理

1.2 相復勵勵磁調節(jié)系統(tǒng)原理及建模

采用相復勵有刷勵磁方式的RAM機組，通過接在機端的勵磁變進行全橋式整流，后經由電刷和滑環(huán)對發(fā)電機勵磁。采用相復勵無刷勵磁方式的RAM機組，通過與發(fā)電機同軸旋轉的整流器，將直流電壓輸出直接施加在發(fā)電機勵磁線圈上[13-15]。

相復勵勵磁調節(jié)系統(tǒng)由作為勵磁功率單元的相復勵裝置和作為勵磁調節(jié)單元的自動電壓校正器AVR組成[16-17]，其結構如圖3所示。相復勵裝置根據發(fā)生的擾動進行控制，即按照發(fā)電機負載電流大小和功率因數進行主控制，以補償系統(tǒng)的主擾動。而AVR對發(fā)電機機端具有的電壓偏差進行校正，通過直流側對交流側分流進行輔助控制。

圖3 相復勵無刷勵磁系統(tǒng)結構

由圖3可知，相復勵裝置包含：電流互感器TA、移相電抗器L、諧振電容C、相復勵變壓器TL和整流器V。其數學模型可用式(2)描述。

AVR包括兩個組件：調節(jié)組件和帶有晶閘管分流旁路的觸發(fā)組件。當存在電壓偏差時，AVR通過電阻R及內部晶閘管實現直流側對交流側分流。由相復勵變壓器TL的U相經電阻R到AVR內部的晶閘管構成分流路徑，通過調整晶閘管導通角實現分流，因此只能負向調節(jié)。AVR具體組成有電壓差檢測單元、相位補償單元、主控制器單元、比例飽和單元以及反饋單元等部分，根據各部分功能建立數學模型[18-19]。

電壓差檢測單元：

超前滯后補償器數學模型為

主調節(jié)器數學模型為

比例飽和環(huán)節(jié)數學模型為

交流勵磁機用一階慣性環(huán)節(jié)表示。

反饋穩(wěn)定環(huán)節(jié)數學模型為

結合相復勵勵磁調節(jié)系統(tǒng)各組成部分數學模型，基于PSCAD仿真平臺可建立其完整的仿真模型。

2 仿真結果與實際數據的對比驗證

本節(jié)根據RAM系統(tǒng)模型，給出轉矩耦合參數計算過程、穩(wěn)態(tài)工況、飛輪效果和勵磁調節(jié)系統(tǒng)驗證。

2.1 實際RAM系統(tǒng)參數

表1 電動機參數

表2 發(fā)電機參數

由于發(fā)電機電樞繞組電阻很小，所以忽略在電樞繞組上產生的損耗，于是有

發(fā)電機額定電磁轉矩為

電動機額定轉矩計算公式為

因此，由式(1)可得耦合系數為

2.2 穩(wěn)態(tài)工況仿真

圖4 穩(wěn)態(tài)工況仿真

由圖4可知，由于機組參數一致，兩列機組運行狀態(tài)也一致。當RAM系統(tǒng)正常運行時，各列機組電氣量大小相等，即兩列機組均分負荷所需功率。

表3 RAM系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工況實際數據和仿真結果

Table 3 Actual data and simulation results of RAM system in steady statee

由表3可知，模型穩(wěn)態(tài)工況仿真結果與實際數據相吻合。

2.3 飛輪效果驗證

圖5 飛輪作用對比圖

由圖5可知，無飛輪作用時，上游發(fā)生失電后RAM系統(tǒng)輸出電壓及頻率衰減嚴重；而當有飛輪作用時，可以看到，在上游失電的1.2 s內，電壓和頻率衰減緩慢，且滿足不低于234 V、44 Hz的要求。

2.4 勵磁調壓系統(tǒng)校核

圖6 勵磁調節(jié)系統(tǒng)校驗

將上述結果穩(wěn)態(tài)時的數據整理如表4所示，由表4數據及相對誤差大小可知，所建立的勵磁調節(jié)系統(tǒng)模型，在突加突減負載時能夠很好地根據端電壓變化情況去調節(jié)勵磁電流的大小，驗證了勵磁調節(jié)系統(tǒng)的正確性。

表4 仿真結果與實際數據對比

通過對RAM系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工況、飛輪和勵磁調節(jié)系統(tǒng)進行仿真，得到與實際數據誤差很小的結果，驗證了模型的正確性。

3 RAM系統(tǒng)不正常工況分析及驗證

3.1 無功不平衡工況分析及驗證

無功不平衡工況數據如表5所示，用1、2號機組來區(qū)分兩列機組。由表5數據可知，兩列RAM機組勵磁電流大小出現了差別。根本原因為機組采用有刷勵磁方式，隨著電刷和滑環(huán)運行時長的增加，導致其接觸電阻大小發(fā)生了變化，進而使得機組勵磁電流大小不一致。

表5 無功不平衡數據

2號RAM的接觸電阻比1號RAM大，如式(13)所示。

在理想情況下，機組采取有刷勵磁方式，且不具有調差環(huán)節(jié)，為均衡無功，需將兩列RAM的勵磁回路并聯，其功率流向如圖7所示。

無功從電勢高的一方流向電勢低的一方，因此無功從1號機組流向2號機組，產生了無功不平衡現象。而發(fā)電機輸出有功取決于原動機輸出機械功率，兩列機組仍平分有功負荷，由M-G機組耦合原理可知，兩列機組轉速仍保持一致，因此發(fā)電機輸出有功也一致。功率流向由圖7變?yōu)閳D8。

圖8 不平衡工況功率流向

圖9 不平衡工況仿真結果

由圖9可知，仿真結果與實際數據相吻合。勵磁電流不一致只影響了兩列機組的無功分配不平衡，對有功沒有影響。

3.2 上游電機電源波動工況分析及驗證

由M-G耦合原理可知，電動機-發(fā)電機視為面向負荷的整體，忽略發(fā)電機繞組上的損耗，則電動機從電網吸收的功率即為發(fā)電機輸出的電磁功率，即有

圖10 發(fā)電機功角特性

且由發(fā)電機功角特性可知式(17)成立。

兩列機組勵磁電壓不受上游電源電壓大小的影響，也即勵磁電壓大小仍相同，即有

RAM系統(tǒng)電動機轉子為籠型結構，其轉子導條電阻很小，因此忽略其轉子上的損耗，則電動機轉子轉軸上的功率近似等于從電網側吸收的功率。

根據異步電機轉矩平衡關系[21]，忽略空載制動轉矩，則有

由于機組轉速由電動機決定，而電動機轉速為

則結合式(15)、式(19)、式(21)，可得式(23)成立。

即不同供電電壓下，兩列機組的轉速仍相等。又因發(fā)電機跟電動機保持相同轉速，所以兩列機組發(fā)電機轉速及輸出頻率相等，即

圖11 電動機側波形

由圖11可知，當機組上游供電出現壓差時，電動機從電網吸收的有功與電壓的平方成正比，即

由圖12可知，當機組上游供電出現壓差時，忽略發(fā)電機繞組上的各種損耗，則電動機吸收的功率即為發(fā)電機輸出的電磁功率，且有

且發(fā)電機功角正弦值之比同樣滿足式(18)。

由圖12可知，兩列機組轉速相等。由于上游電機存在的電壓差不影響發(fā)電機勵磁，因此兩列機組勵磁電流大小仍相等，也即機端電壓、輸出無功仍相同，仿真結果與理論分析結果相吻合。

4 失磁故障復現及保護優(yōu)化

2019年11月14日，某核電站并列運行機組中一列因故障導致失磁，故障機組從對列吸取無功，進而造成正常列過流。由于保護之間配合不當，使得過流保護動作先將正常列切除，而后失磁保護將故障列切除，控制棒線圈失電落棒導致反應堆停堆。由于不是微機型保護裝置，因此沒有故障錄波，保護動作時序圖如圖13所示。

圖13 保護動作時序圖

4.1 原有失磁保護配置分析及動作校驗

用下標3、4對兩列機組進行區(qū)分，失磁保護與過流保護整定值及出口方式如表6所示。

表6 第二類機組失磁及過流保護配置及出口

失磁保護以轉子電流為判據，當轉子電流低于整定值時，延時動作，整定如下：

圖14 3號RAM列失磁保護動作波形

由圖14所示結果可知，RAM系統(tǒng)失磁保護與過流保護配合不當，使得RAM系統(tǒng)失去了冗余配置的意義。

4.2 失磁保護優(yōu)化及驗證

失磁保護優(yōu)化從兩方面入手，一是保護原理上的優(yōu)化，二是保護配合上的優(yōu)化。同時考量保護優(yōu)化方案實施的經濟性，在盡量不增設新的保護設備的基礎上，所采用的保護方案為：以轉子低電流為失磁保護主判據，增設機組低電壓和逆無功判據作為輔助判據，并通過對失磁保護與對列過流保護之間的配合邏輯進行調整，實現對RAM系統(tǒng)失磁保護的優(yōu)化。

對上述保護進行邏輯上的配合優(yōu)化，制定如圖15所示的III段式失磁保護配置方案。

圖15 III段式失磁保護配置邏輯

失磁III段：由轉子低電流判據、對列RAM機組過流判據、逆無功判據及機組低電壓判據構成。當并列運行的RAM機組在重負荷條件下發(fā)生部分失磁或全失磁時，對列RAM機組過流判據觸發(fā)，故障機組逆無功判據觸發(fā)，為保證保護的選擇性，需封鎖對列機組過流保護出口；待機組低電壓判據與轉子低電流判據觸發(fā)，轉子低電流保護無延時動作。

將上述優(yōu)化后的失磁保護增設在仿真模型中，仿真條件同4.1節(jié)，觀察優(yōu)化后的失磁保護動作情況，仿真波形如圖16所示。

圖16 優(yōu)化后失磁保護仿真波形

優(yōu)化后的失磁保護滿足了選擇性，只切除了故障機組，正常機組繼續(xù)帶載運行，驗證了優(yōu)化后配置方案的可行性。

為驗證所制定失磁III段保護方案的適用性，增設不同負載水平下不同失磁故障程度的仿真，觀察保護能否合理動作。增設4種負載條件，分別為10%額定負載、30%額定負載、60%額定負載和100%額定負載水平；增設3種失磁故障水平，分別為勵磁電壓部分失磁至0.8 p.u.、0.3 p.u.及全失磁；仿真條件及保護動作結果整理如表7所示。

表7 III段式失磁保護適用性校驗

綜合表7仿真結果可知，所制定的III段式失磁保護配置方案，在不同負載水平下發(fā)生不同程度失磁故障時均能正確、可靠動作。

5 結論

本文以核電站RAM系統(tǒng)為研究對象，對其出現的不正常工況及失磁故障工況進行了機理分析及仿真計算，結論如下。

1) 無調差環(huán)節(jié)的RAM機組并列運行時，并聯勵磁回路中勵磁電流不一致會導致無功不平衡。

2) 列運行的機組，原動機供電電壓出現差別將導致發(fā)電機輸出有功不同，但不影響勵磁和發(fā)電機輸出頻率大小。

3) III段式失磁保護配置方案有效地解決了保護失配問題，且能夠實現機組不同負載水平下不同程度失磁故障的可靠動作。

本文通過對兩類機組存在的不正常工況進行分析，更深入地揭示了RAM系統(tǒng)的運行規(guī)律。所制定的III段式失磁保護配置方案，充分保證了保護的選擇性、靈敏性、可靠性和速動性，對提高核電站系統(tǒng)安全可靠運行具有重要意義。

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Analysis of abnormal working conditions and optimization of loss of field protection of a nuclear power plant RAM system

XIAO Xiangtao1, HAO Liangliang1, LIANG Zhengqiu1, HE Peng2, WU Pengfei3

(1. School of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2. Liaoning Hongyanhe Nuclear Power Co., Ltd., Dalian 116001, China; 3. Yangjiang Nuclear Power Co., Ltd., Yangjiang 529599, China)

The nuclear power plant control rod drive mechanism power supply system (RAM) is the only power supply system of that mechanism. In order to analyze abnormal working conditions of the system and solve the problem of loss of field protection mismatch, first, a simulation model of a RAM system is established based on the PSCAD simulation platform. To verify the correctness of the model, the mechanism of abnormal working conditions is analyzed, and the correctness of the analysis is verified by simulation. Secondly, the mismatch between the loss of field protection and overcurrent protection in a nuclear power plant is simulated and replicated, and the causes of the mismatch are analyzed. Finally, the logic optimization and coordination optimization of the loss of field protection are carried out. A III section loss of field protection configuration scheme is developed. The applicability of the scheme is verified from two dimensions of different degrees of excitation failure occurring at different load levels. The analysis of the developed RAM system abnormal operating conditions and the proposed loss-field protection optimization are of guiding significance to improve the safety of nuclear power plants.

RAM system in nuclear power plant; abnormal working condition; mismatch of protection; loss of field protection optimization

10.19783/j.cnki.pspc.211235

This work is supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities (No. 2020JBM070).

2021-09-07；

2021-12-31

肖項濤(1996—)，男，碩士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)主設備故障分析及保護；E-mail: 19121511@bjtu.edu.cn

郝亮亮(1985—)，男，通信作者,博士，副教授，博士生導師，主要研究方向為電力系統(tǒng)主設備故障分析及保護、直流輸電控制與保護、勵磁控制。E-mail: llhao@bjtu.edu.cn

中央高校基本科研業(yè)務費項目資助(2020JBM070); 中廣核集團公司科技項目資助(3100077013)

(編輯 許 威)