張　奇，孔　靜，陳子溪

國內M310核電廠廠外220 kV備用電源單相斷線故障對核電廠安全級電氣系統(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，繼電保護裝置應對不靈敏且其導致的核安全風險極大等原因已成為國際核安全監(jiān)管當局研究的熱點和難點。本文針對國內M310堆型核電廠電氣系統(tǒng)的特點并結合單相斷線故障特點，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)核安全風險最為嚴重的電氣系統(tǒng)。本文結合M310核電廠電氣系統(tǒng)特點，運用對稱分量法對廠外220 kV備用電源輸電線路單相斷線故障展開分析，并根據分析結果闡述了核電廠廠外備用220 kV輸電線路的保護系統(tǒng)，無法完全應對該故障的原因。同時，詳細分析了該故障對于核電廠廠內安全級電氣系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行帶來的風險及危害。最后，本文針對發(fā)現(xiàn)的可能存在的核安全風險提出了建議的應對措施。

核電廠；安全級；220 kV備用電源；單相斷線；電動機

電力系統(tǒng)非全相運行是指單相或者兩相斷開的運行狀態(tài)，而其中以單相斷開故障居多[1,2]。在高壓電網（如220 kV輸電線路）中，由于自然條件、外力損壞、設備老化等原因導致單相斷線的情況是存在的。我國目前在運核電機組以M310堆型及其改進型核電廠等二代核電為主[3,4]，國內M310堆型及其改進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。當前我國核電廠廠外電源單相斷線故障對于核電廠安全穩(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)生斷線之后對于核電廠的影響并不明顯。而我國核電廠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輔助開關站相連。在500 kV廠外電源不可用時，220 kV輔助開關站可作為備用電源，以保證反應堆的安全，而220 kV輔助電源運行時僅通過一回線路向核電廠廠內電力系統(tǒng)供電，因此在220 kV輸電線路發(fā)生單相斷線故障后對核電廠安全運行所產生影響需要進行充分的研究和分析。國際原子能機構（IAEA）及各國主要核安全監(jiān)管當局對于能動型核電廠電力系統(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Byron核電廠曾由于廠外輸電線路缺相運行而導致核安全級電氣設備的故障，而現(xiàn)場操作人員并未及時發(fā)現(xiàn)并排除故障影響最終引發(fā)停機跳堆。

本文針對以上情況，對核電廠220 kV輸電線路單相斷線故障展開定量分析，并結合國內核電廠實際情況，對于核電廠廠外輸電線路單相斷線故障對核電廠的安全運行進行分析，并根據分析結果結合國內M310核電廠實際，提出了相應的應對措施。

1　核電廠廠外220 kV電力系統(tǒng)單相斷線故障分析

1.1　利用對稱分量法分析單相斷線故障

假設在中性點直接接地系統(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：

若計入斷相處的負荷電流LA，公式（1）可表示為：

11、22、00——斷相處X、Y兩點向系統(tǒng)所對應的綜合正序、負序、零序阻抗。

代入公式（3），可得：

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

由上式可以得出結論：電網網絡結構確定時，斷線相各序電流均與斷相前的負荷電流成正比，負荷電流越小，斷相后各序電流相應也越小。

1.2　M310及其改進型核電廠220 kV開關站現(xiàn)有保護裝置對于單相斷線故障的響應

當前國內核電廠220 kV輸電線路繼電保護裝置采用雙重配置，主保護普遍采用冗余配置的縱聯(lián)差動保護，后備保護普遍采用零序保護。然而，以上保護對于單相斷線故障的反應并不靈敏，以下為原因分析：

（1）差動保護不動作：220 kV發(fā)生單相斷線且無接地的情況下，由于線路兩側無差流，則差動保護不會動作。

（2）零序保護動作可能性較低：根據單相斷線故障分析結果，線路非全相運行零序電流與線路負荷電流正相關，在線路輕載情況下，故障產生的零序電流值較小低于零序保護的整定值，導致零序保護無法動作。

由于核電廠廠外220 kV輔助電源在電廠正常運行時處于空載備用狀態(tài)，若此時220 kV輸電線路發(fā)生單相斷線，其相關繼電保護裝置無法切除故障，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配電系統(tǒng)供電時發(fā)生單相斷線故障，由于220 kV線路容量遠大于單個核電機組廠用電負荷（約為4～10倍不等），此時220 kV線路處于輕載狀態(tài)，故障相零序電流依然較小，線路零序保護較大概率不會動作。

2　核電廠廠外220 kV輸電線路單相斷線故障對于核電廠安全運行的影響

通過以上分析計算可知，能動型核電廠220 kV線路繼電保護裝置對于單相斷線故障無法正確靈敏應對，且運行人員不易察覺。故障發(fā)生后，220 kV輸電線路存在帶故障長時間運行的可能性，因此分析220 kV輸電線路單相斷線故障情況下帶載對核電廠安全運行產生的影響尤其必要。

2.1　220 kV輔助變壓器采用星形三角形聯(lián)結方式

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

由于負序電流可以在電動機轉子中感應渦流，引起電動機過熱并對電動機帶來較大危害。然而，我國核電廠中壓安全級電動機的保護配置普遍為過電流保護和過負荷保護，缺少負序電流保護。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)結方式下，核電廠現(xiàn)場操作人員無法及時發(fā)現(xiàn)故障，而安全級電動機及變壓器因為缺少相關電流保護而持續(xù)過熱甚至發(fā)生燒毀的現(xiàn)象，從而嚴重影響核電廠的安全運行。

圖2　變壓器星形三角形聯(lián)結方式

2.2　220 kV輔助變壓器采用星形聯(lián)結方式

對于220 kV輔變采用星形聯(lián)結方式的情況，如圖3所示，由于變壓器低壓側為星形，此時在高壓側輸電線路發(fā)生單相斷線故障且供廠用電的情況下，輔變低壓側也會缺相運行，即核電廠廠內電力系統(tǒng)缺相運行。

圖3　變壓器星形聯(lián)結方式

2.2.1電動機靜止時缺相啟動分析

電動機靜止時，采用星型接法，三相電源斷一相相當于兩相電源，這樣電動機定子繞組無法形成旋轉磁場，轉子也就無法產生感應電流，電機一直處于堵轉狀態(tài)無法起動。

2.2.2電動機運行時缺相分析

電動機正常運行時，星型接法的電動機，電動機三相正常運行額定功率為：

式中：1——相電壓；

L——線電壓；

N——電動機的額定電流；

cos——功率因數(shù)。

在發(fā)生單相斷線故障時，如圖1所示，以A相斷線為例，則會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，若電動機在額定負載下運行，2為電動機缺相運行相電流，則其運行功率為：

由以上兩式可得，在額定功率運行下的電動機發(fā)生單相斷線，其相電流為：

2.2.3電動機缺相運行保護動作分析

由于過負荷保護采用反時限保護的方式，保護動作時間仍需要計算，本文以當前國內M310核電廠廣泛采用的電動機保護裝置ABB SPAM150C為例，根據其過負荷保護動作時間公式計算得出電動機過負荷保護動作時間。

根據ABB SPAM150C產品手冊，過負荷保護動作時間計算公式[5]如下：

式中：——計算跳閘時間；

——熱耗加權系數(shù)，取50；

——最終導致跳閘的過負荷電流。

將公式（9）代入公式（10），在發(fā)生單相斷線故障時，電動機的過負荷電流動作時間為：

通過以上分析可知，當M310及其改進型核電廠220 kV輸電線路發(fā)生單相斷線故障時且輔變聯(lián)結方式為星形聯(lián)結，中壓交流配電系統(tǒng)相關保護無法識別并隔離故障，核電廠中壓交流配電系統(tǒng)長期處于帶故障運行模式，而核電廠內由該故障配電系統(tǒng)供電的安全級交流中壓配電系統(tǒng)也處于故障模式，在該故障狀態(tài)下，安全級中壓電動機的過負荷保護普遍在40 s之后動作，其結果表明核電廠非安全級配電系統(tǒng)的單相斷線故障可蔓延至核電廠安全級配電系統(tǒng)，并導致核電廠安全級設備的停運，從而影響核電廠的安全穩(wěn)定運行。

3　應對措施

通過前文分析，當核電廠220 kV輔助電源發(fā)生單相斷線故障時，線路保護無法識別并切除該故障，220 kV輔助電源長期帶故障運行，若此時操作人員無法干預，則核電廠安全級中壓電動機存在燒毀或者被保護切除可能，此情況可導致核電廠安全級中壓電機功能的喪失，對于核電廠的安全穩(wěn)定運行產生不利的影響。針對以上情況，并結合國內M310及其改進型核電廠的實際，本文提出了建議的應對措施，以避免220 kV輔助電源單相斷線故障對核電廠安全級設備的影響。

（1）通過電源切換由應急柴油發(fā)電機供電。當前國內M310及其改進型核電廠應急柴油發(fā)電機啟動判據普遍為采用符合邏輯的應急母線失壓判據，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應急柴油發(fā)電機。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應急柴油發(fā)電機。

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

（2）加快應對單相斷線故障的繼電保護裝置的研發(fā)。可考慮在220 kV變電站增加利用零序電流與斷線前的負載電流比值的突變量算法來整定的保護。該保護僅通過改變微機保護的算法即可實現(xiàn)。這樣，線路微機保護就具有較完善的單相單純斷線保護功能。由于零序電流與負載電流比值的突變量并不受負荷電流大小的影響，線路無論重載運行還是輕載運行、無論單相斷線接地還是單相單純斷線，保護均能靈敏動作，切除故障線路。

（3）核電廠主控制室增設廠外電參數(shù)監(jiān)測設備，如開關站三相電流顯示等。以便主控室操作人員對于電氣系統(tǒng)故障狀態(tài)的及時判斷，同時應展開相應培訓，加深操作人員對于單相斷線故障模式的理解，以便操作人員能夠及時人工干預應對相應故障。

4　結論

本文對國內M310堆型及其改進型核電廠廠外220 kV輔助電源發(fā)生單相斷線故障展開研究，分析了該故障產生的影響，根據分析結果，提出了應對策略。從而得出以下結論：

（1）當前國內M310堆型及其改進型核電廠廠外輸電線路發(fā)生單相斷線故障時，其線路保護裝置無法響應并切除故障線路，系統(tǒng)將帶故障長時間運行。

（2）在M310及其改進型核電廠220 kV輔助電力系統(tǒng)發(fā)生單相斷線故障并帶廠用電運行時，核電廠安全級中壓電動機存在過熱燒毀或者退出運行的風險，使安全級電動機無法執(zhí)行其安全功能。

（3）建議適當修改應急柴油發(fā)電機的啟動判據，在單相斷線故障引入廠內配電系統(tǒng)時，應急柴油發(fā)電機可以應急啟動，并經過相應延時之后進行電源切換，實現(xiàn)安全級負荷由應急電源供電，從而可避免非安全級中壓交流配電系統(tǒng)單相斷線故障對于安全級電氣系統(tǒng)的不利影響，防止故障由非安全級電氣系統(tǒng)向安全級電氣系統(tǒng)的蔓延，可使核電廠繼續(xù)安全穩(wěn)定運行。

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

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

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

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

［5］ ABB SPAM150C電動機保護繼電器用戶手冊及技術說明［R］．廈門ABB輸配電自動化設備有限公司，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，高級工程師，現(xiàn)主要從事核電廠電氣系統(tǒng)安全審評方面研究