崔晨光　等

【摘 要】本文介紹了針對(duì)改進(jìn)型壓水堆核電廠控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電源系統(tǒng)的電動(dòng)發(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)中，在對(duì)棒電源系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行了分析的基礎(chǔ)上，確定了棒電源系統(tǒng)繼電保護(hù)的設(shè)計(jì)原則、故障類型，最終形成了該系統(tǒng)繼電保護(hù)配置方案并對(duì)保護(hù)參數(shù)進(jìn)行了整定。

該保護(hù)方案經(jīng)過(guò)了工程樣機(jī)的全面測(cè)試，可以滿足棒電源系統(tǒng)中電動(dòng)發(fā)電機(jī)組的繼電保護(hù)要求，保障電動(dòng)發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

【關(guān)鍵詞】棒電源系統(tǒng) 繼電保護(hù) 整定計(jì)算

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（CRDM）是核反應(yīng)堆的主要控制環(huán)節(jié)，對(duì)核電站的安全及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著關(guān)鍵性作用。我國(guó)現(xiàn)有的壓水堆核電站均采用電磁力提升的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，一座改進(jìn)型核電站的反應(yīng)堆通常有幾十套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。棒電源系統(tǒng)的作用就是為控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供可靠的電力供應(yīng)。棒電源系統(tǒng)置于安全殼外工作，其特點(diǎn)是在反應(yīng)堆整個(gè)運(yùn)行期間不間斷運(yùn)行，因此對(duì)其工作穩(wěn)定性、長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性、良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能以及維修管理性都有著非常高的要求。由于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上一直沿用“三相可控整流”供電方案，要求控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電源系統(tǒng)是獨(dú)立的260V/50Hz三相交流電源，因此控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)上一直沿用雙組機(jī)械儲(chǔ)能的“電動(dòng)機(jī)-飛輪-發(fā)電機(jī)”方案，并配備必要的控制保護(hù)系統(tǒng)以保證機(jī)組的正常運(yùn)行。系統(tǒng)的組成圖如圖1所示。

圖1 棒電源系統(tǒng)組成圖

1 繼電保護(hù)的基本原則

GB50062-1992《電力裝置的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：繼電保護(hù)裝置應(yīng)，滿足可靠性、選擇性、靈敏性和速動(dòng)性的原則。

因此棒電源系統(tǒng)的繼電保護(hù)設(shè)計(jì)基于棒電源系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)以及繼電保護(hù)設(shè)計(jì)的基本要求，棒電源系統(tǒng)的繼電保護(hù)設(shè)計(jì)采用以下保護(hù)原則：（1）選擇性原則：當(dāng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)，僅將故障元件從系統(tǒng)中切除，保證系統(tǒng)無(wú)故障功能部分繼續(xù)運(yùn)行；（2）速動(dòng)性原則：繼電保護(hù)動(dòng)作要快速，從而提高棒電源系統(tǒng)并列運(yùn)行的穩(wěn)定性；（3）靈敏性原則：對(duì)保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生的故障或不正常工作狀態(tài)反應(yīng)靈敏；（4）可靠性原則：在電力裝置正常運(yùn)行時(shí)，繼電保護(hù)應(yīng)可靠地不動(dòng)作；發(fā)生故障或不正常狀態(tài)時(shí)，繼電保護(hù)可靠動(dòng)作，即不出現(xiàn)拒動(dòng)作和誤動(dòng)作。

根據(jù)以上原則以及棒電源系統(tǒng)的特點(diǎn)，進(jìn)行保護(hù)方案的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的保護(hù)配置，從而實(shí)現(xiàn)棒電源系統(tǒng)可靠的控制、運(yùn)行與保護(hù)。

2 發(fā)電機(jī)的故障類型[1]

發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行對(duì)保證電力系統(tǒng)的正常工作和電能質(zhì)量起著決定性的作用，同時(shí)發(fā)電機(jī)本身也是一個(gè)十分重要的電氣設(shè)備，因此應(yīng)該針對(duì)各種不同的故障和不正常的運(yùn)行狀態(tài)配置性能完善的繼電保護(hù)裝置。

發(fā)電機(jī)主要故障類型由：定子繞組相間短路；定子繞組一相的匝間短路；定子繞組單相接地；轉(zhuǎn)子繞組一點(diǎn)接地或兩點(diǎn)接地；轉(zhuǎn)子勵(lì)磁回路勵(lì)磁電流異常下降或完全消失。

發(fā)電機(jī)的不正常運(yùn)行狀態(tài)主要有：由于外部短路引起的定子繞組過(guò)電流；由于負(fù)荷超過(guò)發(fā)電機(jī)額定容量而引起的三項(xiàng)稱過(guò)負(fù)荷；由于外部不對(duì)稱短路或不對(duì)稱負(fù)荷（如單相負(fù)荷，非全相運(yùn)行）而引起的發(fā)電機(jī)負(fù)序電流和過(guò)負(fù)荷；由于突然甩負(fù)荷而引起的定子繞組過(guò)電壓；由于勵(lì)磁回路故障或強(qiáng)勵(lì)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而引起的轉(zhuǎn)子繞組過(guò)負(fù)荷；由于發(fā)電機(jī)組驅(qū)動(dòng)源突然失效引起的發(fā)電機(jī)逆功率等。

3 棒電源系統(tǒng)繼電保護(hù)配置設(shè)計(jì)

3.1 棒電源系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)

棒電源系統(tǒng)的保護(hù)方案采用電力裝置的繼電保護(hù)原理實(shí)現(xiàn)，但是棒電源系統(tǒng)相對(duì)于普通的電力裝置而言具有特殊性，因此其主要的運(yùn)行特點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）勵(lì)磁方式為無(wú)刷勵(lì)磁；（2）負(fù)載為半波整流的棒控棒位系統(tǒng)，三相對(duì)稱運(yùn)行且中線上具有kA量級(jí)的直流分量；（3）輸出電壓為260VAC/150VAC/50Hz三相四線制；（4）棒電源系統(tǒng)的特征負(fù)載為：

額定負(fù)載：100kW，cosφ=0.25；

平均功率： 79kW，cosφ=0.25；

最小功率： 22kW，cosφ=0.25；

最大功率：124kW，cosφ=0.25；

3.2 棒電源系統(tǒng)繼電保護(hù)設(shè)計(jì)原則

由于棒電源系統(tǒng)的失效與否直接關(guān)系到核電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)出于系統(tǒng)自身設(shè)備保護(hù)的考慮，在棒電源系統(tǒng)繼電保護(hù)設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮以下原則：（1）在短時(shí)間瞬變?cè)斐傻碾妱?dòng)機(jī)電源喪失事件中仍可維持正常運(yùn)行；（2）在出現(xiàn)只影響一臺(tái)電動(dòng)機(jī)工作的電源失效或故障事件時(shí)，切除受影響的MG機(jī)組，不受影響的機(jī)組繼續(xù)運(yùn)行；（3）當(dāng)棒電源系統(tǒng)出現(xiàn)不正常工作狀態(tài)時(shí)，保護(hù)裝置采取相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作，同時(shí)發(fā)出指示和報(bào)警信號(hào)；（4）探測(cè)和處理發(fā)電機(jī)和260V母線故障；

3.3棒電源系統(tǒng)故障類型和不正常運(yùn)行狀態(tài)的確定

通過(guò)對(duì)棒電源系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)以及故障保護(hù)原則的分析，我們可以得出棒電源系統(tǒng)的典型故障類型和不正常運(yùn)行狀態(tài)。

棒電源系統(tǒng)的故障類型包括：定子繞組相間短路；定子繞組單相接地；轉(zhuǎn)子勵(lì)磁回路勵(lì)磁電流異常下降或完全消失。

棒電源系統(tǒng)的不正常運(yùn)行狀態(tài)包括：由于外部短路引起的定子繞組過(guò)電流；由于單臺(tái)電動(dòng)機(jī)電源失電導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)逆功率。

3.4 棒電源系統(tǒng)繼電保護(hù)配置

通過(guò)以上分析，我們可以確定棒電源系統(tǒng)的繼電保護(hù)配置以及其實(shí)現(xiàn)的功能：

（1）差分保護(hù)。差分保護(hù)分為縱差保護(hù)橫差保護(hù)，縱差保護(hù)是對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)部相間短路的保護(hù)，橫差保護(hù)是對(duì)于發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路的保護(hù)。由于棒電源系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)容量為500KVA，定子繞組為單繞組，因此棒電源系統(tǒng)采用縱差保護(hù)實(shí)現(xiàn)定子繞組以及引出線的相間短路故障保護(hù)。

（2）失磁保護(hù)。失磁保護(hù)就是對(duì)對(duì)勵(lì)磁回路的電流進(jìn)行監(jiān)視，在發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁突然消失或部分消失是對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)，其主要原因可能有勵(lì)磁機(jī)故障、轉(zhuǎn)子繞組故障、勵(lì)磁回路元器件損壞等情況[2]。由于本設(shè)計(jì)中發(fā)電機(jī)采用無(wú)刷勵(lì)磁，屬于兩級(jí)勵(lì)磁，在失磁保護(hù)的勵(lì)磁電流監(jiān)視的是勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流，勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流和主勵(lì)磁電流成正比關(guān)系，因此選擇勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁回路進(jìn)行失磁保護(hù)。

（3）逆功率保護(hù)。發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)是指電動(dòng)發(fā)電機(jī)組在失去電動(dòng)機(jī)側(cè)的驅(qū)動(dòng)電源后，發(fā)電機(jī)并未從系統(tǒng)解列時(shí)，此時(shí)發(fā)電機(jī)就變成了同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，從另一臺(tái)電動(dòng)發(fā)電機(jī)組吸收有功功率，發(fā)電機(jī)不允許此種狀態(tài)的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行此時(shí)需要用逆功率保護(hù)將失電機(jī)組從并列運(yùn)行狀態(tài)解列。

（4）過(guò)流保護(hù)。過(guò)流保護(hù)主要是針對(duì)發(fā)電機(jī)負(fù)載短路引起的定子繞組過(guò)電流，在本方案中，發(fā)電機(jī)的過(guò)電流保護(hù)由兩部分組成，第一部分是由過(guò)流保護(hù)繼電器實(shí)現(xiàn)，可以根據(jù)棒電源系統(tǒng)的負(fù)載特性，合理的設(shè)計(jì)過(guò)流保護(hù)定值點(diǎn)以及延時(shí)時(shí)間；第二部分由發(fā)電機(jī)出口斷路器的分閘曲線構(gòu)成，即根據(jù)棒電源系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，合理的設(shè)置發(fā)電機(jī)出口斷路器的分閘曲線。兩部分設(shè)置的組合構(gòu)成整個(gè)棒電源系統(tǒng)的過(guò)流保護(hù)設(shè)置。

（5）接地故障保護(hù)。根據(jù)安全要求，發(fā)電機(jī)的外殼全部連接保護(hù)地，因此定子繞組因絕緣破壞而引起的單相接地故障比較普遍，棒電源系統(tǒng)屬于三相五線制接法，因此在本系統(tǒng)中對(duì)保護(hù)地和中性線之間的電阻值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)保護(hù)地和中心線之間的電阻值低于某個(gè)限值時(shí)進(jìn)行報(bào)警及保護(hù)。

（6）母線欠壓和欠頻。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，棒電源系統(tǒng)向下游負(fù)載供電的的電壓不能低于234V，頻率不能低于44Hz，因此對(duì)棒電源系統(tǒng)進(jìn)行母線欠壓和母線欠頻保護(hù)。

4 保護(hù)定值確定

對(duì)于棒電源系統(tǒng)的所有保護(hù)方式，均需要進(jìn)行保護(hù)參數(shù)的整定工作，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)各種繼電保護(hù)的有機(jī)協(xié)調(diào)配合，從而保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。對(duì)于以上所有保護(hù)，由于篇幅限制，此處不一一進(jìn)行詳細(xì)的參數(shù)整定，在此選取差分保護(hù)進(jìn)行參數(shù)整定計(jì)算，其余的只給出最終的整定值。

由于本機(jī)組屬于小容量發(fā)電機(jī)組，同時(shí)為了保證系統(tǒng)長(zhǎng)期有效的運(yùn)行，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中已經(jīng)考慮機(jī)組的冗余運(yùn)行，因此當(dāng)電流互感器出現(xiàn)二次回路斷線時(shí)，需要及時(shí)的給出保護(hù)動(dòng)作，因此在本系統(tǒng)中差分保護(hù)只考慮發(fā)電機(jī)出現(xiàn)定子繞組以及引出線的相間短路故障時(shí)的整定。具體整定計(jì)算如下：

式中： ——差分保護(hù)設(shè)定值

——可靠系數(shù)

——非周期分量影響系數(shù)

——電流互感器同型系數(shù)

——電流互感器比誤差

——發(fā)電機(jī)故障電流

各個(gè)參數(shù)的具體參數(shù)如下[3]：

=1.2（一般取值在1.0～1.5之間）； =1.5（一般取1.5～2.0之間）

=0.5（型號(hào)、變比一致時(shí)，同型系數(shù)為0.5，否則為1）

=0.05（電流互感器采用0.5級(jí)計(jì)量互感器，比誤差采用0.05）

=5A（此值為按照電流互感器額定滿量程計(jì)算）

可以計(jì)算得出

實(shí)際取值 =0.25A

最終本設(shè)計(jì)中給出的保護(hù)定值如表1所示。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)核電站控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電源系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了針對(duì)棒電源系統(tǒng)的機(jī)電保護(hù)配置，并對(duì)其中差分保護(hù)的定值進(jìn)行了定值的確定，最終形成了棒電源系統(tǒng)完整的繼電保護(hù)配置方案及定值，該保護(hù)方案經(jīng)過(guò)了試驗(yàn)的最終驗(yàn)證，可以滿足棒電源系統(tǒng)中電動(dòng)發(fā)電機(jī)組的繼電保護(hù)要求，保障電動(dòng)發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，從而為核電站的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供保障。該繼電保護(hù)方案經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行的考驗(yàn)，可以應(yīng)用在同類型發(fā)電機(jī)組的繼電保護(hù)中。

參考文獻(xiàn)：

[1] 賀家禮，宋叢矩 主編.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理.

[2] 宋志明 主編.繼電保護(hù)原理與應(yīng)用.

[3] 陳根永主編.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)整定計(jì)算原理與算例.