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核电厂应急柴油发电机1E级电气量的保护配置方案研究

2020-08-28 256 上传者：管理员

摘要：应急柴油发电机作为核电厂的后备电源，负责在核电厂失去全部外部电源时向专设安全设施和其他应急负荷提供电源，确保反应堆安全停堆，并持续冷却反应堆。目前，核电应急柴油发电机1E级电气量保护配置有差动过流保护、低电压保护（3取2逻辑）以及定子过流保护（2取2逻辑）三种方案。鉴于此，在对国际、国内相关标准进行剖析的基础上，从提高应急柴油发电机事故工况可靠性和避免发电机受到损坏两个方面，探讨三种保护配置方案的优缺点，为应急柴油发电机1E级电气保护设计选型提供了参考。

关键词：
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配置
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1、应急柴油发电机运行工况及保护配置

核电厂应急柴油发电机的运行工况可以分为应急模式和试验模式。

应急模式是指外部电源失去，需应急柴油发电机为核电厂专设安全设施和其他应急负荷提供电源的工况。这种工况下，为保障反应堆安全停堆并持续冷却反应堆，应急柴油发电机仅投入少量保护，避免核电厂全部电源失去，此时投入的保护叫做应急保护（又名“1E级保护”）。

试验模式是指外部电源正常供电情况下进行柴油发电机试验，验证柴油发电机功能正常的工况。这种工况下，为防止柴油发电机损坏或事故扩大，要尽可能全地投入保护，此时投入的除1E级保护外的保护叫做非应急保护（又名“N1E级保护”）。N1E级保护在试验模式下动作不触发跳闸或停机信号，但会触发报警信号至就地或主控室，为运维人员进行柴油发电机健康状态评估提供信息。

应急柴油发电机保护配置包括柴油机保护（机械及热工保护）和发电机保护（电气量保护）两方面，本文仅针对1E级电气量保护部分进行探讨和分析。目前，国内核电厂应急柴油发电机1E级电气量保护使用差动过流保护、低电压保护（3取2逻辑）和定子过流保护（2取2逻辑）三种方案中的一种。三种方案在实际使用过程中各有优缺点，本文将对三种配置方案进行对比分析，并就其优缺点进行探讨。

2、国内外相关标准要求

2.1 RCC-E2012

压水堆核电厂核岛电气设备设计和建造规范（RCC-E2012)[1]由法国核岛设备设计和建造规则协会（AFCEN）发布，是压水堆核电厂核岛电气设备的通用设计和建造基准，对应急柴油发电机保护配置的相关要求在章节C2412中：“在应急运行期间，应保持可以使发电机停止的保护系统处于最小状态，其中机械超速保护需保留，如果与电气信号相关的系统执行下面的两个功能也可保留：a.它们保护发电机免受导致失去功能的快速损坏；b.有冗余逻辑配置的保护（如3取2逻辑）。”

RCC-E2012标准中配置1E级电气量保护需满足避免发电机重大损坏和冗余逻辑两个条件，但因差动过流保护需在发电机中性点和机端配置单独的电流互感器，受空间限制，目前核电厂均未采用冗余配置差动过流保护方案，低电压保护（3取2逻辑）和定子过流保护（2取2逻辑）配置方案可以实现上述标准要求。

2.2 IEEE387—1995

IEEE387—1995为核电厂备用电源用柴油发电机组准则[2]，由美国电气和电子工程师协会（IEEE）发布，该标准的4.5.4节对应急柴油发电机组的保护配置要求如下：“当柴油机超速和（或）发电机差动过流时，柴油发电机组应自动停机。在事故工况期间，如果保留除柴油机超速和发电机差动过流外的保护，则对这些参数中的每一个参数提供两个或更多个独立测量并提供负荷停机逻辑。”负荷停机逻辑电路的设计对每一个单独的传感器的启动提供报警。在柴油发电机组试验和在非事故工况运行期间，所有保护装置有效。

IEEE387—1995标准中要求差动过流保护应配置为1E级保护，其余保护作为1E级保护应设置冗余逻辑。目前，核电厂单独将低电压保护（3取2逻辑）和定子过流保护（2取2逻辑）且冗余配置作为柴油发电机1E级保护，与标准存在一定出入。

2.3 EJ/T625—2004

《核电厂备用电源用柴油发电机组准则》（EJ/T625—2004)[3]为国内核行业标准，该标准对于应急柴油发电机组的1E级保护配置要求在5.5.4中，其沿用了IEEE387—1995的相关内容，对应急柴油发电机的1E级保护配置要求与IEEE387—1995相同。

3、保护配置方案优缺点探讨

通过上述标准的对比可知，目前三种电气量1E级保护配置方案均不满足三个标准全部要求。应尽可能少地配置发电机1E级保护，其出发点是在提高应急柴油发电机事故工况可靠性和避免发电机受到损坏之间寻找平衡。下文将从供电可靠性和避免发电机损坏两方面出发，对三种配置方案进行对比分析。

3.1 差动过流保护

发电机差动过流保护作为发电机主保护能够直接且快速反映发电机内部故障。当发电机发生内部故障时，定子绕组电流会异常增大，引起定子绕组过热，甚至可能烧毁发电机。发电机差动过流保护能够很好地保护发电免遭内部故障损坏，但目前核电厂应急柴油发电机差动过流保护均未冗余配置，电流互感器断线或保护装置误动均会导致柴油发电机停用，影响柴油发电机在事故工况下的供电可靠性。此外，柴油发电机铜排或绕组靠近中性点电流互感器发生相间短路事故时（如图1中a所示），发电机故障电流不大，柴油发电机在事故工况下可以继续为反应堆提供电源，但此时差动过流保护会停运柴油发电机，降低应急柴油发电机供电可靠性。

图1发电机相间短路故障示意图

3.2 低电压保护（3取2逻辑）

低电压保护配置方案主要考虑下游负荷相关要求，当电压下降到一定程度时，专设安全设施中异步电动机负荷电流将增大，转矩和过负荷能力均将显著减小，严重时甚至可能烧毁电动机，此时不仅不能确保反应堆冷却和安全停堆，还可能损坏专设安全设施设备，当外部电源恢复时因专设安全设备损坏导致反应堆事故。核电厂低电压保护定值一般设置为70%Un，触发应急柴油发电机低电压保护动作的可能原因主要有：

(1）励磁调节系统故障：当励磁系统故障时因柴油发电机单独带应急负荷运行，此时发电机无法从电网吸收无功，发电机剩磁无法维持机端电压，发电机电压很快将降至0附近，即使不配置低电压保护，发电机也无法为专设安全设施提供电源。

(2）电压互感器回路故障：电压互感器故障会导致低电压保护误动，应急工况供电可靠性降低。

(3）发电机内部短路：当发电机内部短路点靠近机端时（如图1中b所示），发电机机端剩余绕组电压低于低电压保护定值，保护会动作停机。但如果内部相间短路点靠近中性点侧（如图1中c所示），因发电机励磁系统强励功能的存在会增大励磁，使靠近机端侧部分绕组电压升高，故障相电压将超过低电压定值，低电压保护不会动作，而中性点至短路点的绕组故障电流也会增大，最终可能导致发电机烧毁。

3.3 定子过流保护（2取2逻辑）

发电机定子过流保护作为1E级保护时，电流取自发电机中性点，且定值通常比普通过流保护大，当靠近电流互感器附近发生相间短路时，定子电流小于过流保护定值，保护不会动作，供电可靠性较高。当相间短路点远离发电机中性点时，定子电流会超过保护定值，能够避免发电机重大损坏。定子过流保护较好地平衡了差动过流保护和低电压保护在提高供电可靠性和避免发电机损坏上的矛盾，但在定值整定时还需综合考虑发电机过电流能力等因素。

4、结语

本文从应急柴油发电机供电可靠性和避免发电机损坏两方面对国内应急柴油发电机常见的三种1E级电气量保护进行了分析：发电机差动过流保护方案更偏重于保护发电机，避免发电机重大损坏，在极端工况下可靠性相对较低；低电压保护（3取2逻辑）方案更偏重于供电可靠性，但可能造成发电机重大损坏；定子过流保护（2取2逻辑）在二者之间相对平衡。但是应急柴油发电机1E级电气量保护无论采用何种配置方案，发电机在应急工况下保护均不完备，在应急模式下运行（特别是在试验过程中模拟应急模式）时运行人员需加强监测，当触发N1E级保护动作报警时，需及时根据当前供电情况做出决策，避免反应堆发生事故或造成柴油发电机重大损坏。

参考文献：

[3]核电厂备用电源用柴油发电机组准则:EJ/T625—2004[S].

汪南华.核电厂应急柴油发电机1E级电气量保护配置方案探讨[J].机电信息,2020(24):20-21.