AP1000核電機組發電機及變壓器差動保護校驗方案

聞濤

(三門核電有限公司，浙江 三門 317112)

0 引言

三門核電有限公司(以下簡稱三門核電)一期工程采用美國西屋公司AP1000[1]核電技術，其反應堆為全球首堆，設計和施工周期較成熟堆型要長。三門核電#1機組輔助變壓器在首次投運期間曾因負荷不足而導致輔助變壓器差動保護帶負荷校驗[2]困難，主變壓器、廠用變壓器保護也面臨同樣問題。此外，因差動保護高壓側電流互感器(TA)位于發電機出口斷路器外側，發電機在并網前無法利用短路試驗驗證其差動保護回路的正確性。

若發電機、變壓器差動保護校驗不及時，不但會影響保護裝置的可靠性、快速性、選擇性和靈敏性，還會降低設備的安全性，甚至迫使電廠在設備投運初期大量使用臨時保護定值。為降低風險，及時解決出現的問題，消除對后續其他試驗的影響，應在設備投運前制訂合理的試驗方案和送電計劃。

1 設備參數

三門核電一期工程發電機、變壓器主接線如圖1所示。主變壓器設計容量為1 452 MV·A，接線形式為YNd11，主變壓器高壓側額定電壓為535 kV，低壓側額定電壓為24 kV，短路阻抗為20%。主變壓器差動保護電流互感器(TA)分別安裝于主變壓器高壓側(5 000/1)、發電機出口斷路器內(45 000/1)和廠用變壓器高壓側(10 000/1)，主變壓器高壓繞組單側分相差動保護的中性點TA為(2 000/1)，主變壓器差動保護型號為GE-T60。

圖1 發電機、變壓器主接線

發電機額定容量為1 407 MV·A ，發電機差動保護TA(45 000/5)分別安裝在發電機出口斷路器內和發電機中性點側，其保護范圍與主變壓器差動保護在發電機出口斷路器處重疊。主變壓器差動保護型號為GE-G60。

廠用變壓器設計容量為88 MV·A，接線形式為Dyn1-yn1+d，高、低壓繞組間短路阻抗為18%，廠用變壓器差動保護TA分別安裝在廠用變壓器高壓側(3 000/1)和中壓進線斷路器的中壓母線側(3 000/1或2 000/1)，廠用變壓器差動保護型號為GE-T60。

2 差動保護校驗

2.1 校驗的最小需求計算和分析

為保證保護裝置和測量儀器讀數穩定，在差動保護校驗時相關TA二次側電流值宜不小于0.01A，對應各TA一次電流見表1。

表1 差動保護校驗時TA最小電流需求 A

主變壓器、廠用變壓器短路阻抗分別為20%和18%。對主變壓器、廠用變壓器分別進行短路試驗，要達到差動保護校驗所需電流，所需試驗電源的容量及電壓如下：

(1)主變壓器所需最小試驗電源的容量和電壓分別為171 kV·A和2.0 kV；

(2)廠用變壓器所需最小試驗電源的容量和電壓分別為1.84 kV·A和35 kV；

(3)在靜態工況時，發電機定子繞組各相交流阻抗為0.13 Ω，使用大電流發生器進行通流試驗[3]所需最小試驗電源的容量和電壓分別為1.05 kV·A和11.7 V。

2.2 主變壓器差動保護校驗

2.2.1 短路試驗方式[3]

帶主變壓器繞組通流試驗需要電源容量不小于171 kV·A，電壓不小于2.0 kV，短路試驗只能使用廠內10.5 kV中壓作為試驗電源，試驗風險較高。

使用10.5 kV中壓系統作為電源，在主變壓器低壓側做短路點，相關計算如下。

主變壓器高壓側電流

(1)

主變壓器低壓側電流

(2)

試驗電源容量

2 801 (kV·A) 。

(3)

(1)使用10.5 kV中壓系統作為電源，在廠用變壓器低壓側做短路點，以100 MV·A及10.5 kV為基準容量和基準電壓進行標幺值計算。

主變壓器阻抗標幺值

(4)

廠用變壓器阻抗標幺值

(5)

廠用變壓器低壓側電流

(6)

主變壓器高壓側電流

(7)

試驗電源容量

(8)

短路電流遠小于測試所需的50 A。

(2)使用備用柴油機作為電源，在主變壓器高壓側做短路點。因柴油機額定電流只有412 A，遠小于試驗所需，不滿足要求。

2.2.2 通流方式

主變壓器差動保護高壓側TA安裝于主變壓器高壓側接地刀閘外側，使用外部電纜將主變壓器高壓繞組和低壓繞組短接，降低通流回路阻抗值，使主變壓器高壓側TA與發電機機端TA之間具備通流條件，主變壓器通流試驗示意圖如圖2所示。

圖2 主變壓器通流試驗示意圖

因為通流試驗不包含主變壓器高壓側分相差動保護中性點側TA，無法保證此處TA接線極性的正確性。

2.2.3 帶負荷校驗方式

如果對主變壓器進行短路試驗，需要拆除主變壓器高壓側氣體絕緣金屬封閉開關(GIS)連接，敷設中壓電纜，技術上可行，但是成本高、風險大，筆者不建議進行主變壓器短路試驗。通流方式雖然簡單易行，但無法完成主變壓器高壓繞組中性點側TA的校驗工作。只能通過利用主變壓器首次送電后中壓大電機的啟動電流來驗證全部差動保護回路的正確性。

主變壓器高壓側電流至少需要50 A，折算至10.5 kV中壓側試驗電流應不小于2 548 A(約需求46 330 kV·A負荷)，廠用中壓大功率交流電動機技術參數見表2。

表2 中壓大功率交流電動機技術參數

在主變壓器差動保護校驗時，啟動循環水泵，其啟動電流應按6～8倍計算，每臺循環水泵的啟動電流為3 696～4 928 A，可實現除發電機機端外其余位置TA的校驗工作。主變壓器差動保護發電機側TA的校驗在廠用變壓器短路試驗中進行。

因主變壓器帶負荷校驗工作受到中壓電動機能否投運的影響，因此，在編制主變壓器送電計劃時，應考慮以中壓電動機具備帶電運行為前提條件。

2.3 廠用變壓器差動保護校驗

廠用變壓器短路試驗所需試驗電源容量小，但因短路阻抗大，所需試驗電源電壓幅值較高，可在發電機機端電壓互感器處或勵磁變壓器高壓側施加380 V試驗電壓，采用在廠用變壓器中壓側做短路點的方法完成試驗，如圖3所示。

圖3 廠用變壓器短路試驗示意圖

所需試驗電源的容量及試驗電壓計算如下：

(9)

122 (kV·A ) 。

(10)

短路電流為186 A，滿足廠用變壓器差動保護TA、主變壓器差動保護廠用變壓器側TA的校驗需求。

主變壓器差動發電機側TA變比為45 000/1，需要的校驗電流為450 A，在短路試驗中，186 A短路電流在TA二次側只有4.1 mA，試驗裝置顯示不穩定(如圖3所示)，需使用鉗形相位表確認主變壓器差動機端側TA與廠用變壓器側TA之間的極性關系。

2.4 發電機差動保護校驗

(1)發電機短路試驗所需試驗電源容量較小，使用大電流發生器進行通流試驗[4]即可完成差動保護校驗。主變壓器低壓側接地，在主變壓器高壓側金屬裸露處向發電機任意相和發電機中性點之間注入大電流，利用大地構成電流回路，分別對A相、B相和C相的TA進行幅值和差流校驗，回路路徑如圖4所示。

圖4 發電機通流試驗示意圖

試驗中也可以考慮將任意兩相繞組在機端短接，若將AB相或BC相短接，兩相同時通入大電流，可達到減小電流回路總交流阻抗之目的。

(2)根據三門核電#1 機組建設經驗，主變壓器、廠用變壓器二次回路與發電機保護可同時設計，保護屏柜安裝和二次電纜敷設也同步進行，因此發電機通流試驗有條件與廠用變壓器短路試驗同時進行。

3 方案和建議

3.1 主變壓器差動保護

(1)主變壓器差動保護在主變壓器首次送電前尚不具備全部驗證條件，全部校驗工作需要在主變壓器首次送電后通過帶負荷校驗才能完成，負荷電流為中壓電動機啟動電流。

(2)主變壓器帶負荷校驗的前提條件為：10.5 kV中壓系統至少有1臺電動給水泵或循環水泵可以帶電運行。

(3)主變壓器各側差動保護TA需要采用帶負荷校驗試驗、通流試驗及廠用變壓器短路試驗相結合的方式才能完成校驗工作。

(4)差動保護裝置和移動式錄波儀在試驗過程中記錄主變壓器各側電流，將波形文件打印并作為試驗記錄。

3.2 廠用變壓器差動保護

(1)廠用變壓器差動保護校驗所需的容量較小，以廠用變壓器高壓側電流為30 A計算，每臺廠用變壓器需要1 250 kV·A負荷完成差動保護校驗。

(2)考慮到廠用變壓器差動保護在首次送電前較方便開展短路試驗工作，且輔助變壓器低壓側共有6個分支，回路較多，因此，筆者建議提前進行短路試驗以減少廠用變壓器首次送電過程中存在的問題和隱患。

3.3 發電機差動保護

(1)通過大電流發生器通流的方式，完成發電機差動保護回路校驗工作。

(2)若發電機定子、發電機出口斷路器、發電機差動回路的安裝調試進度與廠用變壓器一致，可考慮將圖2～圖4所示試驗在同一階段完成。

(3)若采取兩相繞組短接后同時注入大電流的方式，應注意判斷TA的接線組別。三相短接注入大電流的方式不利于判斷TA接線組別。

(4)發電機差動保護TA安裝在發電機出口斷路器隔離刀閘的主變壓器側，試驗以主變壓器停運為前提。

3.4 校驗中應注意的事項

(1)試驗前應保證所有TA二次回路接線正確且無開路故障。

(2)注意一次設備隔離狀態正確、試驗電源敷設安全可靠。例如，在進行廠用變壓器短路試驗時，可利用機端電壓互感器或勵磁變壓器高壓側金屬裸露點接入試驗電源，但必須考慮到此時勵磁變壓器、主變壓器高壓側無接地點且已經安全隔離，隔離點有專人看護，相關一次設備上應停止其他工作。

(3)試驗電纜應滿足電壓和載流量要求。

(4)主變壓器、廠用變壓器的差動保護試驗方案應得到電網認可。

4 結論

通過計算和分析，提出了AP1000核機組主變壓器、廠用變壓器以及主發電機的差動保護在調試期間校驗方法。主變壓器差動保護校驗工作需要通過帶負荷校驗、通流試驗以及短路試驗相結合的方式才能完成。廠用變壓器差動保護可通過短路試驗的方法完成校驗。發電機差動保護可利用大電流發生器完成校驗。

參考文獻：

[1]顧軍,繆亞民.AP1000核電廠系統與設備[M].北京:原子能出版社,2010.

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[4]關少鋒,方祖雄,陳雅云.變電一次設備三相通流模擬帶負荷狀態測相量研究[J].電氣技術，2012(4):38-39.