高 鑫

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

2015年9月19日，800kV四川錦屏-蘇南特高壓直流發(fā)生雙極閉鎖。故障發(fā)生后，華東電網(wǎng)出現(xiàn)較大功率缺額，12s后全網(wǎng)頻率最低跌至49.56Hz，電網(wǎng)動(dòng)態(tài)區(qū)域控制偏差（ACE）動(dòng)作，進(jìn)行全網(wǎng)旋轉(zhuǎn)備用容量緊急調(diào)用。但此次華東電網(wǎng)的頻率下降幅度極大地超越了預(yù)計(jì)值，其中一個(gè)重要原因?yàn)椴糠謾C(jī)組未發(fā)揮應(yīng)有的一次調(diào)頻能力，且一次調(diào)頻參數(shù)設(shè)置達(dá)不到國家和電力行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來較大的風(fēng)險(xiǎn)和隱患。

由此引出“網(wǎng)源協(xié)調(diào)”的概念，網(wǎng)源協(xié)調(diào)是發(fā)電設(shè)備與輸電設(shè)備之間相互作用與相互協(xié)調(diào)配合技術(shù)領(lǐng)域的總稱。網(wǎng)源協(xié)調(diào)涉及的涉網(wǎng)設(shè)備主要包括發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁系統(tǒng)及電力系統(tǒng)功率穩(wěn)定器（PSS）、原動(dòng)機(jī)及調(diào)節(jié)系統(tǒng)、發(fā)變組保護(hù)、自動(dòng)電壓控制（AVC）、自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）、無功補(bǔ)償裝置（SVC/SVG）、風(fēng)電與光伏的控制系統(tǒng)與保護(hù)裝置、發(fā)電廠一類輔機(jī)變頻器，網(wǎng)源協(xié)調(diào)監(jiān)測(cè)裝置等。

在中國倡導(dǎo)的低碳環(huán)保、助力能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的原則下，核電機(jī)組作為清潔能源具有先天的優(yōu)勢(shì)。但國內(nèi)核電機(jī)組的多堆型、不同容量、新老技術(shù)并存的結(jié)構(gòu)布局，使得核電機(jī)組運(yùn)行時(shí)存在眾多關(guān)于網(wǎng)源協(xié)調(diào)的難題。本文將核電機(jī)組在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的關(guān)于網(wǎng)源協(xié)調(diào)的實(shí)際設(shè)定原則整理為3類，并分別予以分析和說明，最后給出意見。

表1 秦二廠頻率異常保護(hù)定值（修改前）Table 1 Fixed value of frequency anomaly protection in Qin II plant (before modification)

表2 秦二廠頻率異常保護(hù)定值（修改后）Table 2 Fixed value of frequency anomaly protection in Qin II plant (modified)

圖1 葉片壽命期內(nèi)允許運(yùn)行時(shí)間限定圖Fig.1 Allowed run time limit diagram during blade life

1 設(shè)定值不合理，經(jīng)網(wǎng)源協(xié)調(diào)審查后及時(shí)修改

隨著時(shí)間的發(fā)展，電力系統(tǒng)一次二次設(shè)備也在不斷推陳更新，以往的設(shè)備在功能設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化上往往存在不足；而電廠往往秉承著保守決策的原則，對(duì)已經(jīng)投入生產(chǎn)且穩(wěn)定運(yùn)行的設(shè)備參數(shù)變更持保守態(tài)度。因此，在機(jī)組運(yùn)行很多年之后，設(shè)備采用的依然是機(jī)組最初設(shè)計(jì)調(diào)試階段使用的參數(shù)。隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間增加，設(shè)備自身狀態(tài)有所改變，國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求也在不斷更新。因此，部分設(shè)定值就不再適用于電網(wǎng)和機(jī)組當(dāng)前的狀態(tài)。對(duì)于這些情況，電廠必須予以重視，及時(shí)核查修改。以秦二廠1、2號(hào)機(jī)組頻率異常保護(hù)（見表1）為例，發(fā)電機(jī)組低頻保護(hù)定值可按汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)制造廠有關(guān)規(guī)定進(jìn)行整定，低頻保護(hù)定值應(yīng)低于系統(tǒng)低頻減載的最低一級(jí)定值（47.5Hz，0.3s），機(jī)組低電壓保護(hù)定值應(yīng)低于系統(tǒng)（或所在地區(qū)）低壓減載的最低一級(jí)定值。

秦二廠1、2號(hào)機(jī)組頻率異常保護(hù)定值設(shè)定明顯不符合要求，根據(jù)廠家的汽輪機(jī)偏離運(yùn)行時(shí)葉片壽命期內(nèi)允許運(yùn)行時(shí)間限定圖（見圖1）可知，汽輪機(jī)在48Hz～51.5Hz時(shí)可以長期連續(xù)運(yùn)行，在46Hz～48Hz內(nèi)可以運(yùn)行10min。因此，上述定值既不符合行業(yè)規(guī)定又不滿足廠家要求。

因此在此次網(wǎng)源協(xié)調(diào)核查工作中予以修改，修改后定值見表2，使得其既運(yùn)行在圖2的限制范圍內(nèi)，又滿足國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2 設(shè)定不滿足要求，但是受制于設(shè)備承受能力而無法更改

網(wǎng)源協(xié)調(diào)核查工作中，部分問題確實(shí)無法滿足國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，主要原因是設(shè)備的設(shè)計(jì)承受能力制約其無法滿足要求。此類設(shè)備通常生產(chǎn)日期較早，設(shè)計(jì)能力有所欠缺。或者其生產(chǎn)廠家位于國外，設(shè)計(jì)時(shí)采用了不同于國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于此類情況，必須嚴(yán)格參照廠家的出廠要求，不能單純地為了滿足標(biāo)準(zhǔn)而突破設(shè)備能力的底線。下面通過兩個(gè)實(shí)例分析予以說明。

2.1 秦三廠機(jī)組發(fā)電機(jī)過電壓能力

秦三廠的發(fā)電機(jī)廠家為日本日立公司，發(fā)電機(jī)型號(hào)TFLQQ-KD，額定電壓22KV，其過電壓保護(hù)的定值見表3，其中過電壓Ⅰ段定值105V，延時(shí)10s動(dòng)作于跳閘。

此定值不滿足DL/T684-2012中關(guān)于發(fā)電機(jī)過電壓保護(hù)定值1.3pu/0.5s的要求，并在華東電網(wǎng)2016年并網(wǎng)機(jī)組涉網(wǎng)保護(hù)專項(xiàng)核查自查中列出此整改項(xiàng)，隨后電廠委托華東設(shè)計(jì)院進(jìn)行評(píng)估，設(shè)計(jì)院認(rèn)為可按照絕緣過電壓水平加以設(shè)定，即1.3pu/0.5s。

表3 秦三廠過電壓保護(hù)的定值Table 3 Fixed value of overvoltage protection in Qin three plant

圖2 短時(shí)U/F能力曲線Fig.2 Short-time U/F capability curve

但是查閱發(fā)電機(jī)廠家技術(shù)手冊(cè)中提供的短時(shí)U/F能力曲線（見圖2），發(fā)電機(jī)不應(yīng)工作在高于1.2pu的過激磁（U/F）環(huán)境下，否則會(huì)引起鐵芯過熱等問題，在極端情況下可導(dǎo)致發(fā)電機(jī)鐵芯燒毀。因此，秦三廠兩臺(tái)機(jī)組發(fā)電機(jī)過電壓保護(hù)定值無法按照電網(wǎng)的要求進(jìn)行整改，只能繼續(xù)延用原來的定值。

故在考慮發(fā)電機(jī)過電壓能力設(shè)定的時(shí)候，應(yīng)按照發(fā)電機(jī)在初始設(shè)計(jì)時(shí)所承受過電壓能力進(jìn)行整定，而不可盲目地按照其他標(biāo)準(zhǔn)。但值得注意的是定子過電壓保護(hù)的整定值應(yīng)在不超出發(fā)電機(jī)過電壓能力的前提下，采用較高的定值。

2.2 方家山發(fā)電機(jī)低頻保護(hù)

頻率異常保護(hù)主要用于保護(hù)汽輪機(jī)。當(dāng)汽輪機(jī)處于低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)頻率降低，若發(fā)電機(jī)輸出功率不變，使得機(jī)械轉(zhuǎn)矩增加，葉片將過負(fù)荷運(yùn)行；當(dāng)葉片嚴(yán)重過負(fù)荷時(shí)，機(jī)組將產(chǎn)生較大的振動(dòng)，影響葉片壽命，甚至發(fā)生葉片及其拉金斷裂。

但較低的頻率設(shè)置對(duì)電網(wǎng)安全也有嚴(yán)重影響。當(dāng)電網(wǎng)因?yàn)楣收蠐p失大量電源時(shí)，頻率會(huì)迅速下降，倘若系統(tǒng)低頻減載實(shí)際容量遠(yuǎn)低于計(jì)劃容量，且一次調(diào)頻效果有限的情況下，不能有效遏制頻率下降，此時(shí)發(fā)電機(jī)的低頻跳閘整定值較高，大量發(fā)電機(jī)將低頻保護(hù)跳閘，引發(fā)連鎖反應(yīng)，使得系統(tǒng)頻率惡性下降，直至電網(wǎng)崩潰。

方家山核電的頻率保護(hù)設(shè)定如表4所示，低頻保護(hù)Ⅳ段（47Hz，3s）不滿足標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1309-2013附錄B中汽輪發(fā)電機(jī)組頻率異常運(yùn)行能力的要求（47Hz，5s），高于系統(tǒng)低頻減載的最低一級(jí)定值（47.5Hz，0.3s）。但根據(jù)廠家提供的《4級(jí)核能發(fā)電機(jī)保護(hù)要求》，當(dāng)頻率小于47Hz時(shí)，需延時(shí)3s跳閘。同時(shí)參考DL/T684中大機(jī)組頻率異常運(yùn)行允許時(shí)間建議值47Hz，每次10s，所以本工程低頻IV段低于47Hz，考慮帶一定動(dòng)作延時(shí)，取3s，動(dòng)作于跳閘。

3 通過設(shè)備變更改造的方式以滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)采用老舊的保護(hù)裝置時(shí)，可能由于其設(shè)計(jì)落后或受制于生產(chǎn)工藝，無法實(shí)現(xiàn)部分功能。但隨著設(shè)備的運(yùn)行及電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化，對(duì)一次設(shè)備的運(yùn)行要求也在逐漸提高。因此，與之配合的保護(hù)裝置也必須滿足相對(duì)應(yīng)的要求。此時(shí)，對(duì)這些陳舊設(shè)備的改造變更就勢(shì)在必行。

以秦三廠的發(fā)電機(jī)失磁和失步保護(hù)為例分析如下：

發(fā)電機(jī)在失步時(shí)，其振蕩電流的大小接近甚至超越三相短路電流，而不同于三相短路的是，振蕩電流會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)反復(fù)出現(xiàn)，這就使得發(fā)電機(jī)同時(shí)受到機(jī)械力和過熱的破壞。尤其是周期性的作用在汽輪機(jī)主軸上的振蕩扭矩，可能使得大軸受損，影響其壽命。因此，區(qū)內(nèi)和區(qū)外的滑極次數(shù)必須有嚴(yán)格的要求，同時(shí)主變阻抗定值和透鏡內(nèi)角也不可或缺。但秦三廠現(xiàn)有的發(fā)電機(jī)失步保護(hù)為ABB的RXZK23H保護(hù)裝置，型號(hào)較老，只有X、R、Is、α和Zt 5個(gè)定值設(shè)定項(xiàng)（見表5），行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中要求的低頻累積、失步滑極次數(shù)等功能都無法在此裝置中實(shí)現(xiàn)，因而暫無法整改。

表4 方家山核電的頻率保護(hù)定值Table 4 Frequency protection of square mountain nuclear power fixed value

表5 秦三廠發(fā)電機(jī)失步保護(hù)定值Table 5 Fixed value of generator lost step protection in Qin three plant

表6 秦三廠發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)定值Table 6 Fixed value of generator magnetic loss protection in Qin three plant

與此類似的情況還有發(fā)變組失磁保護(hù)，通常其主判據(jù)有三相同時(shí)低電壓、異步邊界阻抗動(dòng)作判據(jù)、靜穩(wěn)極限勵(lì)磁電壓動(dòng)作判據(jù)等。其中，三相同時(shí)低電壓判據(jù)是為了防止發(fā)電機(jī)失磁故障轉(zhuǎn)化為局部系統(tǒng)的電壓崩潰，擴(kuò)大了故障范圍；異步邊界阻抗動(dòng)作判據(jù)屬于最廣泛使用的一種判據(jù)，當(dāng)發(fā)電機(jī)失磁后會(huì)進(jìn)入異步區(qū)，此時(shí)裝設(shè)在機(jī)端的失磁阻抗繼電器會(huì)動(dòng)作；靜穩(wěn)極限勵(lì)磁電壓動(dòng)作判據(jù)是發(fā)電機(jī)在發(fā)出有功功率的情況下，根據(jù)靜穩(wěn)極限的要求所必需的最低勵(lì)磁電壓，如實(shí)際值小于最低值，失磁保護(hù)就會(huì)動(dòng)作。秦三廠采用的是ALSTOM的LGPG111型裝置，裝置中只有-Xa（Offset）、Xb（Diameter）、t和tDO 四個(gè)定值設(shè)定項(xiàng)（見表6），而轉(zhuǎn)子電壓判據(jù)、母線電壓判據(jù)等功能都無法在裝置中實(shí)現(xiàn)，因此目前無法整改。

根據(jù)秦三廠變更改造安排，計(jì)劃在2020年4月和2021年4月完成兩臺(tái)機(jī)組發(fā)變組保護(hù)國產(chǎn)化改造，采用國內(nèi)通用設(shè)備后即可以滿足現(xiàn)有的國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行增加了保障。

4 結(jié)論

當(dāng)前電網(wǎng)運(yùn)行呈現(xiàn)交直流互聯(lián)電網(wǎng)相互影響、相互作用的特點(diǎn)，對(duì)并網(wǎng)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高要求。近年來大批高參數(shù)、大容量新建核電機(jī)組接入電網(wǎng)運(yùn)行，大批在運(yùn)核電機(jī)組也采取了各種增容、技改措施，使得電源的動(dòng)態(tài)特性品質(zhì)也發(fā)生了較大變化，直接影響到通道輸送能力及穩(wěn)定水平。電網(wǎng)與電源在安全穩(wěn)定運(yùn)行方面的相互影響、相互依存關(guān)系愈加突出，網(wǎng)源協(xié)調(diào)管理工作中涉網(wǎng)保護(hù)相關(guān)任務(wù)也愈加重要。

對(duì)于已建成機(jī)組的網(wǎng)源協(xié)調(diào)管理中的參數(shù)設(shè)置暴露的問題，分析歸納為3個(gè)方面。首先，當(dāng)運(yùn)行的參數(shù)設(shè)定滿足標(biāo)準(zhǔn)，且具備修改條件時(shí)，必須及時(shí)修改；其次受制設(shè)備實(shí)際的承受能力而無法滿足標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，必須堅(jiān)持以設(shè)備能力為基礎(chǔ)來整定，在不突破設(shè)備能力的前提下最大限度的滿足標(biāo)準(zhǔn)；最后對(duì)于可以通過改造變更來滿足標(biāo)準(zhǔn)的情況，應(yīng)該積極推動(dòng)設(shè)備改造，盡早達(dá)到要求。