首批AP1000機組廠用電切換設計分析及改進建議

王林暉 苗偉東 李忠全

(山東核電有限公司，山東 煙臺 265116)

首批AP1000機組廠用電切換設計分析及改進建議

王林暉 苗偉東 李忠全

(山東核電有限公司，山東 煙臺 265116)

介紹了廠用電源切換的設計原則、切換成功的條件及切換設計功能，著重探討了AP1000的廠用電設計思路，并對其在快速切換、殘壓切換中的邏輯進行介紹和剖析，對其設計特點、存在的問題進行分析，特別是與《DL/T1073—2007 電廠廠用電源快速切換裝置通用技術條件》相關條文進行比較，提出了相應的改進建議。

AP1000；快速切換；殘壓切換；SEL-351；設計思路；改進建議

0 引言

AP1000機組由美國西屋公司開發，作為三代核電的典型堆型，于2007年被我國正式引進。開展對于這一領域的研究，對于后續的CAP1400、CAP1700的開發將起到借鑒作用。

本文將就首批AP1000中關于廠用電源切換的設計特點，與國內成熟設計做一對比，并指出AP1000在廠用電切換設計上存在的不足和改進建議。

1 廠用電源切換設計

1.1 廠用電源切換的設計原則

通常，廠用電系統都至少具有2個電源，即廠用工作電源和備用(啟動)電源，其典型接線如圖1所示。當機組或廠用工作電源發生故障時，為了保證廠用電不中斷或機組安全停機停堆，或者保證核反應堆在停堆狀態下的堆芯安全，必須盡快把廠用電源從工作電源切換到備用電源。廠用電系統切換大致分為2類，即工作和備用電源之間的正常切換和故障情況下的事故切換。

圖1 廠用電典型接線簡圖

當廠用電源中斷時，由于高壓電機及負載的機械慣性，電動機將維持較長時間繼續旋轉，轉變為異步發電機運行工況，因此廠用電母線在一段時間內會維持一定的殘壓并逐漸衰減，頻率也會隨著轉速降低而下降。在廠用電源中斷瞬間，母線殘壓的衰減量還不大，但殘壓與備用電源電壓的相角差已開始拉開，如果備用電源投入的時機不當，將產生很大的沖擊電流，可能導致切換失敗造成廠用電中斷，其后果是十分嚴重的。

1.2 廠用電源切換成功的條件

一般來說，成功實現廠用電源切換的3個條件：

(1) 工作電源與備用電源的相位差問題。這個由電網條件決定，一般來自于同一電網系統的2種電源，相位差不會很大。

(2) 快速動作的斷路器。某核電所使用的中壓斷路器為ABB公司的VD4型，技術規范手冊上標明合閘時間為55～67 ms，分閘時間為33～45 ms。

(3) 快速出口的保護繼電器。某核電一期工程的發電機和勵磁保護、主變/高廠變/輔助變(啟動備用變)保護均采用GE的G60/T60/L30系列微機型保護裝置，固有動作時間最大不超過30 ms。

因此，從設備自身上看，該工程具備廠用電源實現切換的基本條件。

1.3 成熟設計的廠用電源切換設計功能

1.3.1 正常手動切換功能

手動切換是指電廠在正常工況時，可由工作電源手動切換至備用電源，也可由備用電源手動切換至工作電源。手動切換可分為并聯切換及串聯切換。

1.3.1.1 手動并聯切換

包括并聯自動和并聯半自動。目前常采用的是并聯自動。原因是在《DL/T1073—2007電廠廠用電源快速切換裝置通用技術條件》(以下簡稱《技術條件》)3.1的定義上明確是先合上一路電源開關，然后跳開另一路電源開關。另外在《技術條件》4.3.4明確要求并列時間不要超過1 s。

1.3.1.2 手動串聯切換

手動串聯切換指手動啟動切換，先發跳工作電源開關指令，不等開關輔助接點返回，在切換條件滿足時，發合備用(工作)開關命令。如開關合閘時間小于開關跳閘時間，自動在發合閘命令前加所整定的延時以保證開關先分后合。

1.3.2 事故切換

事故切換指由發變組、廠變保護(或其他跳工作電源開關的保護)接點啟動，單向操作，只能由工作電源切向備用電源。事故切換分串聯和同時2種方式，均由保護接點啟動。這2種情況的切換條件：快速、同期判別、殘壓及長延時切換?？焖偾袚Q不成功時自動轉入同期判別、殘壓及長延時切換。

目前采用事故串聯切換的比較多。原因是，在《技術條件》中4.3.2明確要求“在電氣事故或不正常運行(包括工作母線低電壓或工作電源斷路器偷跳)時應能自動切向備用電源，且只允許采用串聯切換方式，在合備用電源斷路器之前應確認工作電源斷路器已經跳閘”。

1.3.3 非正常工況切換

非正常工況切換是指裝置檢測到不正常運行情況時自行啟動，單向操作，只能由工作電源切向備用電源。該切換有2種情況：母線低電壓和工作電源開關偷跳。

2 AP1000的廠用電源切換設計

2.1 AP1000的廠用電源接線特點

圖2所示為簡化后的AP1000廠用電設計，只包含廠用變壓器和10.5 kV部分。

圖2 簡化的AP1000廠用電設計

具體說明如下：

(1) 由于核電的特殊性，屬于核島專用的2段10.5 kV母線，分別接了1臺柴油發電機，作為核島10.5 kV母線除了高廠變和輔助變之外的第3路電源(本文為了方便，以下將10.5 kV均稱為中壓)。

(2) 另外的4段中壓母線是作為常規島負荷使用。相對于核安全的重要性，這4段母線只有高廠變和輔助變2路電源。

(3) 還有2段中壓母線用于輔助電鍋爐，作為機組輔助蒸汽汽源使用。這2臺電鍋爐只有輔助變這1路電源。由于電鍋爐功率很大，一旦投入，占用單臺輔助變的61%容量，此時會閉鎖廠用電切換功能，即：任意1臺電鍋爐在投入，則工作電源無法切換至備用電源。

(4) 正常情況下，發電機出口的高廠變提供廠用電給中壓母線，稱之為正常電源；由于發電機出口設置了斷路器，因此當發電機解列時，僅需斷開出口斷路器，由500 kV系統通過主變-高廠變提供廠用電，稱之為優先電源；當主變或高廠變需要解列，才會由輔助變接帶廠用電，稱之為備用電源；對于核島中壓母線，當主變、高廠變解列，且輔助變不具備備用電源條件時，2臺備用柴油發電機會接帶核島中壓母線。本文僅就高廠變與輔助變之間的電源切換進行探討。

2.2 AP1000的廠用電切換設計思路

AP1000的廠用電切換基本實現了在手動方式下的并聯切換和事故方式下的同時切換。

與國內采用專門的廠用電切換裝置不同，AP1000采用的是，使用SEL-351系列保護裝置，通過接受外來的各種信號，經過內部事先組態好的邏輯，進行指令或信號輸出。

為便于敘述，如圖2所示，以ES-1段為例，由高廠變分支來的工作電源開關稱為M1，由輔助變分支來的備用電源開關稱為M2。正常情況下，M1合閘，M2處于熱備用。對于正常情況下的切換，是雙向切換，而在事故情況下，只存在單向切換，因此以備用電源M2開關為例比較有代表性。

2.2.1 手動合閘需滿足的條件

(1) 開關本身可用(包括控制電源可靠、已儲能、開關在分閘、開關已在工作位置、控制方式在遠控、主控室發出合閘指令，下同)。

(2) M2開關相關的保護均未動作。

(3) 合閘條件滿足：滿足任意3種情況之一即可，分別是進線和母線由高廠變帶電；進線帶電但母線無電；至于進線和母線由柴油發電機帶電超出本文范圍，故不展開。

1) 進線和母線由高廠變帶電：M1開關在合閘；M2開關在分閘；備用柴油發電機出口開關在分閘；SEL-351保護裝置正常；備用電源M2電壓大于90%；備用電源M2與母線同期：備用電源電壓52～63.5 V(額定57.7 V)、備用電源與母線頻差小于0.05 Hz，斷路器合閘時間60 ms(導前時間)，相角差20°(下同)。

2) 進線帶電但母線無電：M1開關在分閘；M2開關在分閘；母線上所有負荷開關在分閘(除變壓器回路)；SEL-351保護裝置正常；備用電源M2電壓大于90%；母線電壓低于30%。

2.2.2 自動合閘需滿足的條件

(1) 開關本身可用。

(2) 與M2相關的保護均未動作(M1開關、核島ES-1母線、輔助變的保護等)。

(3) 滿足任意條件：快速切換或殘壓切換。1) 快速切換：發變組保護動作；發變組保護動作0.2 s后閉鎖快速切換；SEL-351保護裝置正常；備用電源M2與母線同期；開放快速切換出口5 s的條件同時滿足：M1和M2開關在合閘，母線電壓高于30%(下同)；允許快切(2臺輔助鍋爐均未運行)。2) 殘壓切換：備用電源M2進線電壓大于90%；母線電壓低于30%后延時3.1 s；所有負荷開關均在分閘；SEL-351保護裝置正常；開放殘壓切換出口5 s的條件同時滿足；允許快切(2臺輔助鍋爐均未運行)；M1開關在分閘；備用柴油發電機出口開關在分閘。

2.2.3 M1開關和M2開關同時并列的處理

在AP1000設計中，如果出現M1開關和M2開關同時合上時，要看是由誰先“檢測”到這一情況的發生。比如對于M2開關的SEL-351保護裝置，在M1開關已經合閘時，它的裝置“發現”M2開關又被合閘，延時30 s后，這一狀態如果還沒有變化的話(比如人為拉開M1開關)，則它會輸出一個去跳閘M1開關的指令。反之亦然。

2.3 設計分析

從以上AP1000的廠用電切換設計可以看出，手動合閘條件下的情況——進線和母線由高廠變帶電，即并聯切換模式，在這種切換方式下，允許雙向切換。在正常情況下，廠用電源可以由工作電源切向備用電源，也可以由備用電源切向工作電源，符合《技術條件》中4.3.1“在正常運行中需要切換廠用電時，應有雙向切換功能”。

AP1000設計上的自動合閘邏輯，即事故情況下的切換，分成快速切換和殘壓切換2種情況。對于快速切換，試分析一下，屬于串聯切換、并聯切換、同時切換中的哪一種？首先，發變組保護動作，通過出口繼電器之后，去同時啟動快速切換和跳閘M1開關，ABB的VD4型斷路器的平均分閘時間一般要比合閘時間快20～30 ms，而且合上M2開關的指令是由快速切換邏輯觸發。從圖3也可看出M2的合閘時間比M1分閘時間要長，母線存在5ms左右停電時間，因此這種快速切換是屬于同時切換的，只是母線斷電時間比串聯切換更短。

圖3 AP1000廠用電快速切換的時序圖

另外，對于殘壓切換，則是在M1開關跳閘后，殘壓切換方才出口動作，屬于串聯切換。

這里有2個特殊的設計。一是開放切換的出口時間問題。無論是快速切換還是殘壓切換，邏輯上均是：在事故前，廠用電由工作電源M1開關接帶，備用M2開關處于分閘，且母線電壓大于30%，這一狀態持續30 s后輸出有效，且輸出脈沖寬度為5 s，這就意味著在切換之前裝置要檢測到母線工作狀態是符合預期的，一旦狀態發生變化(比如事故后母線電壓迅速下降)，由于輸出延遲5 s才會變化，因此可理解為，裝置開放給廠用電切換的時間只有5 s。如果5 s之內沒有完成切換，則廠用電切換的功能被取消。二是廠用電切換要受輔助鍋爐運行的限制。輔助鍋爐一旦運行，則備用電源的剩余容量可能不滿足廠用負荷需求，且備用電源與廠用母線同期條件也可能不再滿足。

除了正常切換和事故切換之外，本設計還考慮電源開關偷跳和工作母線失壓下的切換，這其實也是殘壓切換的作用之一。讀者可參照參考資料自行簡單分析即知。同時也符合《技術條件》4.3.2“在電氣事故或不正常運行(包括工作母線低電壓和工作電源斷路器偷跳)時應能自動切向備用電源，且只允許采用串聯切換方式，在合備用電源斷路器之前應確認工作電源斷路已經跳閘”。

根據經驗，快速切換及同期判別切換一般在0.5 s以內完成，如果切換期間母線殘壓衰減較快(比如切換前母線所帶負荷較輕)，所帶負荷中的電動機可能還來不及退出(低電壓跳閘)，如此時合上備用電源，所有輔機將一起自啟動，引起啟動/備用變壓器過流，其值可能超過過流定值，甚至達到速斷定值。那么在AP1000設計中是否存在這種可能性呢？首先，對于快速切換，由于發變組保護動作0.2 s之內才允許快速切換，那么考慮到發變組保護動作時間、出口繼電器動作時間、M1開關分閘時間和M2開關合閘時間，在200 ms以內是綽綽有余的，通過圖3可以看出，基本上103 ms左右即可完成切換，母線失壓時間僅在5 ms左右。此時母線電壓衰減幅度很小，而且此時快速切換還要受同期條件限制，母線電壓最低也要在52 V，相當于90%額定電壓以上，因此可以認為快速切換是沒問題的。其次，對于殘壓切換來說，當母線電壓下降到75%時，延時3 s開始跳開所有電動機負荷；電壓繼續下降到30%以下延時3.1 s才啟動殘壓切換，此時母線上的電動機負荷均已跳開，不存在自啟動電流過大的問題。因此可以認為殘壓切換也是沒問題的。

3 AP1000廠用電切換原設計中存在的問題及建議

3.1 存在問題

3.1.1 設計上與《技術條件》的不一致性

AP1000的設計遵守了美國核管會要求，滿足先進壓水堆用戶要求(USD)，但其中的一些設計細節和《技術條件》是存在差異的。

(1) 《技術條件》4.3.6“在工作母線TV斷線或備用電源電壓低時，應閉鎖切換”，目前設計上并未考慮這一點，即使在同期滿足條件上，也只是比較A相電壓，達不到母線TV斷線閉鎖的目的。

(2) 在《技術條件》4.4.1“并聯切換的條件”中，要求同時滿足頻差小于0.2 Hz，相位差小于15°，電壓幅值差小于5 V。這些條件也與當前設計的電壓幅值差5.5～5.8 V，相位差小于20°是不一致的。

(3) 《技術條件》4.4.6“工作母線低電壓啟動切換的條件：母線電壓幅值低于65%UN，且延時0.5～2 s”，AP1000設計中，前面已提到其是具備母線低電壓啟動殘壓切換功能的，設計上要求母線電壓低于30%也是可行的，但延時3 s之后才啟動殘壓切換，時間要比《技術條件》中0.5～2 s要長。

3.1.2 設計上存在不完善之處

如前文所述，AP1000在正常運行下的切換，設計是合上備用(工作)電源開關后，在30 s內手動拉開工作(備用)電源開關。國內設計中，正常方式下的并聯切換，在《技術條件》3.1的定義上明確是先合上一路電源開關，然后“跳開”另一路電源開關。另外在《技術條件》4.3.4明確要求并列時間不要超過1 s。而按目前的設計，當運行人員手動合上一個開關后，勢必要人為檢查開關狀態、檢查負荷電流、檢查母線電壓，然后再拉開另一路開關，中間每一步驟都要“下令-復誦-執行-確認”，有可能超過20 s以上，造成事實上的并聯時間過長，同時在此期間如果發生故障(例如故障點在母差CT和變壓器差動CT之間)，則可能同時波及母線和一路廠用電源?；蛘卟⒘衅陂g某一電源系統發生波動，其中間的環流很有可能會造成兩路電源同時失去。鑒于目前國內電廠的廠用電切換絕大多數在正常情況下均為自動并聯切換。該設計應考慮當前存在的弊端。

3.1.3 并聯切換能否成功存疑

該工程500 kV和220 kV電源相位差是7.7°，這是幾年前的電網計算值。經過這些年電網的發展，500 kV出線走廊發生了變化，系統參數也發生了明顯變化，結合潮流的變化，那么兩路電源相位差是否還能夠保持在合適的范圍？這是決定能否實現并聯切換的基礎性條件之一。

如另一核電，在一期工程投運時，500 kV和220 kV系統之間的最大相角差在正常滿功率運行模式下大約為12.8°；在故障模式下，大約達到19.3°。而西屋計算分析得出，在二期工程投運時，滿功率運行模式下，當中壓工作進線開關合閘，備用進線開關分閘時，備用進線開關與母線相角差達到27°；當工作進線開關分閘，備用進線開關合閘時，工作進線開關與母線相角差超過35°，此時切換產生的沖擊電流將超過變壓器額定容量的3倍。顯然這是不允許的。

3.2 建議

(1) 對于AP1000廠用電切換邏輯中的參數設置，目前還只是處于設計階段，其理論分析出的結果有待于后期的實際驗證，特別是在帶重負荷和輕負荷情況下，廠用母線衰減的變化是否與理論計算相符合，廠用電切換開放時間5 s的問題也有待于試驗甚至實踐來證明。其他與《技術條件》不同的參數，即使在首批項目中無法驗證，也希望能夠在自主化的AP1000項目設計上有所體現，以便保持與國內行業標準的一致性。

(2) 對于目前的手動半自動切換設計中存在的隱患，能夠通過相關方面與設計方充分溝通，進行相應設計變更，以達到手動自動并聯切換的目的，從而規避其中可能產生的風險和人為出錯機率。

(3) 設計部門應該盡快與電網公司聯系確定，新的500 kV線路條件下，兩路電源的相位差計算亟待重新進行，并以此為設計輸入，重新計算當前的切換邏輯中同期檢測條件是否適用。

4 結語

本文通過對AP1000原設計的廠用電切換的分析，以及與國內常規設計和行業標準的對比，可以認為目前的設計基本滿足了廠用電切換的要求，但也存在一些不足，這是我們在今后工作中需要注意的地方。

AP1000技術路線的引進關系到我國核電發展的大局，我們在積極引進、認真學習和消化的同時，努力汲取其設計上的精華，如果能夠結合我國電力行業發展多年的寶貴經驗，發現其中存在的不足并在后續的技術改造或新機組設計上揚長避短，方能達到真正意義上的消化和再創新。

[1] 曾鋒.AP1000核電廠廠用電切換方式探討[J].電氣應用，2013(12)

[2] 陳煥飛，任果.感應電動機參數對廠用電切換方式的影響[J].電力系統及其自動化學報，2009(6)

[3] DL/T1073—2007 電廠廠用電源快速切換裝置通用技術條件[S]

2014-09-12

王林暉(1977—)，男，河南息縣人，工程師，運行部主管，從事電氣專業技術管理工作。