AP1000核电厂孤岛运行厂用电源同期切换研究
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
山东核电有限公司的研究人员任少义、石康宁等，在2017年第9期《电气技术》杂志上撰文，针对AP1000非能动核电机组孤岛运行工况，根据SEL-351型综合继电器特性，通过分析厂用电源切换过程中的技术难点，论证厂用电源检测同期参数切换方式的可行性，比较各种切换方式的优缺点，提出一种并联切换与快速切换相结合的厂用电源检同期切换方案，兼具不失电与操作时间短的优点，为制定电厂孤岛运行厂用电源切换预案提供参考。
当电网或开关站GIS设备故障导致机组孤岛运行时，汽轮发电机将带载厂用负荷运行。若长时间无法实现重新并网运行，机组需要停机、停堆，以保证机组处于安全状态。在此过程中，将厂用负荷安全、平稳、快速转移至检修电源，对降低专设安全设备动作风险、维持机组安全状态有重要意义。
1 AP1000机组厂用电源简述
AP1000机组电气主接线图如图1所示。正常工况下，厂用负荷电源来自主发电机，通过发电机出口断路器、高厂变送至中压10.5kV母线ES各段，同时通过主变将电能送到500kV电网。
厂用电源切换控制由中压母线进线开关上的SEL-351型综合保护继电器完成[1]，切换方式主要有自动切换、并联切换。其中，自动切换包括了快速切换和残压切换两种方式，并联切换是手动的、双向的[2]。另外，核岛中压ES-1和ES-2段母线也可以切换至备用柴油发电机。
图1 AP1000机组电气主接线图
2厂用电源切换问题分析
2.1孤岛运行厂用电源切换特点
当机组处于孤岛运行状态时，由于厂用电率很低，约占发电机额定功率的6%。机组在如此小的功率下长期运行、无法并网提升功率，会对汽轮机末级叶片造成很大损害，核燃料利用率降低，也不利机组的稳定控制[3~6]。
考虑到核电厂用电负荷的特殊性，为降低专设安全设施的动作风险，减少运行人员操作负担及人因失误概率，能够快速而不失电的完成厂用电源切换自然是最佳策略。
但是，机组孤岛运行时，发电机和220kV电源间相角差是不确定的。当进行厂用电源切换至辅助变时，由于SEL-351型继电器仅仅作检查同期条件之用，无法调整主发电机参数以匹配220kV电源，通过检同期的并联切换、快速切换方式无法确保厂用电源成功切换至辅助变。而工作进线开关先断开、备用进线开关后合闸这样的手动串联切换方式，由于长时间延时，成功可能性微乎其微。
2.2 设计方建议
AP1000设计文件无主发电机与220kV检修电源同期的要求，设计方认为机组孤岛运行工况应闭锁发电机和220kV电源间自动切换和并联切换，电源间切换应该是手动的，并且工作进线开关、备用进线开关应该合在无压的母线上。
显然设计方建议的切换方案将导致中压母线失电，需要运行人员进行大量的操作恢复各种需要运行的负荷电源。执行时间长，操作繁琐，增加了人因失误几率，提高了机组安全风险。
3同期切换可行性分析
3.1 同期切换问题论证
设计方建议手动切换而非并联切换和同期切换，主要有以下两点原因：
1）角度问题：发电机孤岛运行时，如采用并联切换，即使满足同期条件闭合备用进线开关，但由于开关存在固有的合闸时间，在备用进线开关合闸瞬间，发电机和220kV电源间相角差发生变化，最大可能达到180°，对发电机会造成严重损坏；
2）发电机与220kV电源并列运行问题：快速切换时，由于设备故障可能导致备用进线开关合闸时工作进线开关仍未分闸，发电机和220kV电源并列运行，相角差最大可能达到180°，对发电机会造成严重损坏。
但设计方的担心是多虑的，实际不会发生上述现象，下面对此进行详细论证。
3.1.1 角度问题
SEL-351型继电器同期参数设置如下：1）压差—10%额定电压；2）滑差—0.05Hz；3）相角差—20°；4）断路器合闸补偿时间—0.06s。
SEL-351型继电器的同期相角差20°的要求是经过断路器合闸时间补偿后的，同期检测逻辑如图2所示。
图2 SEL-351继电器同期检测逻辑图
图3 同期相角差补偿示意图
即使忽略断路器合闸时间的角度补偿，以备用进线开关合闸时间约60ms、最大滑差0.05Hz（此时相角差最大）计算，备用进线开关合闸瞬间，发电机与220kV电源相角差也不会大于20°+1.08°=21.08°，小于如山东电网对发电机并网同期参数相角差30°的要求。
所以，备用进线开关合闸瞬间，发电机与220kV电源相角差增大的角度问题并不会对发电机造成损害。
3.1.2发电机与220kV电源并列运行问题
AP1000机组厂用中压母线电源快速切换触发信号，同时动作于发电机出口断路器和灭磁开关跳闸、中压工作进线开关跳闸、中压备用进线开关合闸、关闭主汽门。
发电机出口断路器分闸时间约33ms，中压进线开关分闸时间约34ms，中压进线开关合闸时间约60ms。备用进线开关合闸时间大于工作进线开关和发电机出口断路器分闸时间，正常情况下220kV电源不会冲击到发电机。
即使工作进线开关失灵导致其分闸失败，发电机出口断路器分闸成功也保证了发电机不会受到220kV电源的冲击。而且，通过高厂变非电量保护触发厂用电源快速切换，会触发发电机出口断路器和工作进线开关各自的两套跳闸线圈同时跳闸，极大降低了并列运行的可能性。
综上所述，厂用中压母线检同期方式的并联切换和快速切换损坏发电机的可能性极低。
3.2孤岛运行电源切换方式分析
3.2.1 自动切换
1）快速切换
机组正常运行工况下，发变组故障将启动中压ES-1~6段母线快速切换：发出工作进线开关分闸指令、备用进线开关合闸指令，这是一种同时切换方式[7]。SEL-351继电器在满足同期条件下闭合备用进线开关，快速切换过程中压母线波形如图4所示。否则，0.2s后SEL-351继电器将闭锁快速切换。
图4 快速切换中压母线电压波形图
2）残压切换
快速切换失败后，工作进线开关跳闸而备用进线开关也处于分闸状态，母线电压快速衰减。当母线电压降至75%时，延时3秒后低电压继电器动作跳开母线上所有的电动机负荷。当电压将至30%时，SEL-351继电器不再进行两侧电源同期判定，闭合备用进线开关从而将厂用中压母线切换至辅助变，残压切换过程中压母线波形如图5所示。
图5 残压切换中压母线电压波形图
电厂孤岛运行时，需以传动试验或短接线的方式触发厂用电源自动切换。如果快速切换成功，厂用负荷不会失电。但是由于同期参数中相角差的限制，快速切换可能失败。当快速切换失败时，随着母线电压降低至75%，低电压继电器动作进行甩负荷、启动柴油发电机。当母线电压降至30%时进行残压切换，然后由运行人员手动恢复厂用负荷。
这种切换的优点是切换时间短，一旦快速切换成功，厂用负荷无需失电即完成切换。即使快速切换失败，残压切换的成功依然减少了切换操作的时间。
3.2.2 并联切换
SEL-351型继电器可以实现中压母线在高厂变与辅助变之间手动、逐段、双向切换。两侧电源并列0.2s后，原先闭合的开关分闸，并联切换中压母线电压、电流波形如图6所示。其中，切换完成前电流较大主要由系统并列运行环流所致。
图6 并联切换中压母线电压、电流波形
这种切换需要运行人员在主控室通过仪控系统发出备用进线开关的合闸指令，这是一个2s时长的方波指令。发电机与220kV电源在满足同期参数的条件下并列0.2s后工作进线开关断开。如3.1节所述，若两侧电源具备同期条件，并列运行瞬间不会对发电机造成破坏性冲击，发电机随后很快即被220kV系统牵引至同步运行。
即使这个过程中工作进线开关分闸失败，备用进线开关会在合闸0.7s后自动跳开，避免发电机与220kV电源长期并列运行。2s的合闸指令时长提高了相角差满足同期要求的可能性，增加了并联切换成功率。
并联切换也可以实现厂用负荷的不失电切换，且成功概率较快速切换高。但并联切换需要逐段进行，整体切换时间较自动切换长。
3.2.3 通过柴油发电机切换
残压切换失败后，柴油发电机120s内自动启动完成，其出口开关自动合闸带载核岛中压ES-1和ES-2段，420s内顺序完成9组自动加载负荷的上电。
也可以手动完成这种切换。手动启动柴油发电机，然后在主控室通过仪控系统发出柴油发电机出口开关的合闸指令。通过调整柴油发电机参数，使之与主发电机满足同期要求的条件下，柴油发电机出口开关闭合，柴油发电机与主发电机通过中压母线并列运行。
之后运行人员需要手动断开工作进线开关，再通过调整柴油发电机同期参数，合上备用进线开关，使柴油发电机与220kV电源系统并列运行。最后断开柴油发电机出口开关，完成一段中压母线向220kV电源的切换。
通过柴油发电机只能实现对中压ES-1和ES-2段负荷供电，操作较为繁琐，且供电时长有限制。
4 切换方式推荐
AP1000机组现行设计并没有一种单一的切换方式，能够实现孤岛运行时厂用电源快速而不失电的切换至220kV检修电源系统。综上分析，笔者推荐一种方案：先完成一段中压母线的并联切换、再手动触发快速切换完成其它厂用中压母线向220kV检修电源系统的切换。
考虑到核岛中压ES-1和ES-2段母线负荷对维持机组安全状态的重要性，推荐首先尝试手动并联切换，将核岛中压ES-1和ES-2段中至少一段母线不失电的切换至220kV电源，以保证机组执行纵深防御功能的负荷避免出现失电过程。
随着并联切换的成功，发电机很快被220kV电源系统牵引至同步运行，其它段母线必然满足同期条件。这些中压母线可以通过触发自动快速切换的方式，快速切换至220kV电源。这样并联切换与快速切换相结合的方式，既保证了机组负荷的不失电切换，也缩短了厂用电源切换过程的操作时间，减少了运行人员操作负担。
第一步并联切换成功与否的最大挑战是发电机与220kV电源之间滑差过小，甚至相对静止，而相角差又过大、超出同期要求。此时，可能多次尝试并联切换仍然无法成功。
在不考虑汽轮发电机调速控制的条件下，建议执行第二种方案：触发自动切换，经快速切换或残压切换迅速地将厂用中压母线切换至220kV电源。以上切换都不成功的小概率情况下，再由柴油发电机带载核岛两段中压母线运行。
5 结语
AP1000机组配置的SEL-351型综合保护继电器具有断路器合闸时间角度补偿功能，提供了在机组孤岛运行时实现厂用电源同期切换而又不损伤发电机的可能性。采用并联切换和快速切换相结合的检同期切换策略，有中压母线不失电和操作时间短等优点。当然，多次尝试并联切换失败后，触发厂用电源自动切换仍然是比较合适的选择。
鉴于核电机组在安全方面的重要性和特殊性，而国内核电机组并未针对小概率的孤岛运行工况专门制定相应的厂用电源同期切换预案或规程。希望本文抛砖引玉，为广大业内同仁补充、完善相关的程序提供新思路。