核电厂厂用电与高压电动机启动和运行相互作用的影响分析_查东健.pdf

/核电厂厂用电与高压电动机启动和运行相互作用的影响分析查东健程立峰（中国核电工程有限公司）摘要：核电厂在调试和运行期间，需要频繁启动和运行各类大容量高压电动机。高压电动机启动时会引起厂用电降压或产生不平衡电流；在厂用电（电网）电压和频率波动情况下，会对启动或运行中的高压电动机等电气设备产生不良影响。本文主要总结高压电动机启动和运行与厂用电（电网）相互影响作用的关系以及其他影响厂用电的因素，分析邻近核电机组相互之间的运行干扰问题，提出相互影响的作用关系和进行原因分析。结合核电厂调试和运行中的实践经验反馈，提出可行有效的抑制措施以降低或消除两者间的相互制约因素，保障机组的稳定运行。关键词：高压电动机；不平衡电流；电压降；和应涌流；进相运行 引言目前 级核电厂厂用电高压系统的电压等级普遍为 .，馈线电动机负荷约有 个，这些负荷设备对核电机组的运行至关重要。其中功率最大的三个负荷依次为电动给水泵（约 ）台、循环水泵电机（约 ）台、反应堆冷却剂泵电机（主泵，约 .）台，启动方式均为全压启动。按照设计要求，厂用电高压允许变化范围为 .，频率允许变化范围为 .。核电厂在商运前需要进行调试和功率试运行，厂用电主要靠辅助电源和主电源电网供给，调试阶段要对核电厂内高压电动机进行频繁启动和运行，对电动机的稳定运行有较高要求。由于在不同的调试阶段和极端情况下，外电网可能仅有辅助电源或主电源，在外电网容量较小（孤立或区域小电网）的情况下，大容量高压电动机启动过程中，将产生严重的压降和不平衡电流，影响厂用电其他负荷的稳定运行。此外，电网电压和频率的波动、邻近机组和应涌流和电气故障，将对高压电动机的运行产生严重干扰，导致高压电动机产生巨大的不平衡电流或运行异常，造成保护动作电动机意外跳闸，引起核电机组瞬态工况或其他异常工况。高压电动机启动时的压降和不平衡电流.高压电动机启动时的压降核电机组厂用电系统均设有低电压保护，以确保发生低电压时能够快速响应。根据核电厂厂用电设计要求：.单元厂用母线和常备厂用母线低电压.，.触发报警，切除旋转电机负荷；应急厂用母线低电压 .，触发应急柴油发电机组启动，持续 低电压触发应急厂用母线切换程序；.公用厂用母线低电压.，触发报警，跳闸空压机。在 主电源带厂用电情况下，理论计算主泵启动压降为 ；在辅助电源带厂用电情况下，理论计算主泵启动压降为 以上。由于启动主泵的压降较大，持续时间长，一般只允许在主电源带厂用电情况下对多台主泵启动运行；在辅助电源带厂用电情况下，仅允许单台主泵试运行。某核电机组主泵启动和母线压降记录如表 所示。表 主电源带厂用电下主泵启动和母线压降主泵启动电流（）启动时间（）启动压降（）母线压降（）.电气技术与经济 技术与应用/由此可见，主泵启动降压约 .，未达到低电压保护值。而在辅助电源带厂用电下启动主泵时，压降达到 .左右，降压 .。主电源带厂用电下单台主泵某次启动压降如下图所示，降压达到 .，已接近低压保护低限。图 主电源带厂用电下单台主泵启动压降图正常状态下循环水泵和主给水泵启动压降一般为.，启动时间一般为 。相比而言，主泵启动压降略小，但启动时间长（以上），母线电压恢复缓慢，对同一母线上的其他高压电机和低压设备运行更为不利。此外，核电机组在特殊瞬态运行工况下启动高压大容量电动机，启动压降、启动时间和电流将会增大。母线降压，对电压敏感的元件，如电压继电器可能动作，引起负荷设备跳闸和运行异常。某核电机组，在反应堆冷却剂泵启动过程中，造成某列 厂用电系统电压骤降，导致母线失电造成风机跳闸。.高压电动机启动时的不平衡电流电动机启动时产生不平衡电流的原因有多种，如果三相电压不平衡，将造成电动机启动时三相电流分配不平衡，使某相绕组电流增大。当三相电压不平衡度达 时，可使电动机相电流超过正常值的 以上。如果产生的不平衡电流较大，会引起零序电流过大，导致保护装置启动并出口跳闸，甚至越级跳闸导致母线失电。在热试期间主电源带厂用电对某主泵进行空载试验，根据测录的电流波形分析，、三相空载电流不平衡度分别为 .、.、.，产生的零序电流触发保护报警。根据要求，电流不平衡度均未超过 的限值，但相比其他两台主泵的空载电流不平衡度偏大。厂用电电压和频率对高压电动机运行的影响.电压对高压电动机运行的影响外部电网系统或内部厂用电系统如发生接地、断相、短路等故障，将引起厂用电电压的波动、骤降、畸变或者三相电压不平衡，严重情况下将触发电动机保护动作跳闸及工艺系统运行异常，触发机组停机停堆。厂用电电压短时消失或骤降（几秒以内）将导致电压突降，此时启动高压电动机将出现异常状态：启动时间延长，启动电流增大；电机绕组温度急剧升高，触发温度高报警，导致电机启动超时或绕组温度过高而跳闸；电压突降持续时间较长时，将会触发跳泵停机。此外电网无功功率需满足在电压波动时的最大再起动容量，以此来保证核电厂厂用电在电压波动过程的平稳过渡和安稳运行。例如母线电压低于 额定值且持续 .时，电动给水泵和循环水泵电机将跳闸。电动机在电压不平衡状态下带载运行，将产生巨大的不平衡电流和零序电流，约为电压不平衡程度的 倍，且电动机转速会略微下降，因此要求电动机运行时，电压不平衡不超过 。核电厂高压系统设置的零序电压保护，一般为 ，；，.，保护出口报警，并不跳闸；当出现电压不平衡时，操作员一般应立即干预。但对于某些核安全设备，还需在此条件下继续保持运行，维持核辐射安全屏障。某核电机组的高压重要厂用水泵正常运行中，受电网电压波动影响，不平衡电流保护动作并出口跳闸。电网波动见表 ，持续时间约 。同时刻重要厂用水泵运行电流波动，产生不平衡电流：相电流突增，由 .增至 .；相电流先 降 后 增，由 .降 至 .后 增 至 .；相电流缓降，由 .降至 .。表 电网电压波动变化和压降相别正常电压（）下降电压（）压降 .核电厂设备冷却水机组、冷冻水机组、重要厂用水泵、空气压缩机等重要设备，以及配置零序电流保护的高压设备，对电压波动较敏感，在厂用电电压骤降时由于设备内保护动作易触发跳闸。此外，电网的波动，有小概率触发主变 低压侧不接地系统的谐振现象，导致主变低压侧零序电压升高触发保护动作出口全停 ，全厂失电导致机组出现严重异常状态。.频率对高压电动机和机组运行的影响电网频率发生变化时，系统中的有功负荷也会随电气技术与经济 技术与应用 /着频率变化而变化。核电厂内的某些高压电动机负荷功率和频率的三次、高次方成正比关系，比如循环水泵、反应堆冷却剂泵、主给水泵、上冲泵、安注泵等。核电厂运行中的高压上冲泵，在电网频率突降时，由于其输出功率为运行频率与额定频率比值的高次方成正比，此时上冲泵的出力将明显变小，影响保持反应堆冷却剂回路的压力。电网频率的突降，将造成电机转速的突变。其中主泵对频率有严格要求：当电网频率降低时，主泵功率、转速和运行电流降低，转速下降到低限将触发报警，影响主冷却剂和反应堆的热力运行；频率降低到一定数值时，主泵转速下降到低限触发跳闸和停堆。电网频率对主泵转速成正比关系。主泵的转速低于 以下属于危险状态：转速低到 ，反应堆降一半功率；转速低到 （.）时，触发停泵停堆。此外，在电网频率剧烈波动时，当低至 ，将触发高厂变 分支.低频保护：.跳主变高压侧两个 断路器；.保护出口，全停 ：关主汽门，跳两个 断路器，跳 ，跳灭磁开关，跳 个高压进线开关，启动厂用电切换。观察 某 区 域 电 网 近 年 频 率 变 化，最 低 达 到 .，最高达到 .，频率越限波动频繁，持续时间长，频率质量较差，对核电机组电气设备的运行是不稳定因素。核电机组在装料临界后的功率运行调试阶段时，需要执行大瞬态试验，其中 甩负荷试验（甩负荷功率达到 以上）对电网和核电厂的稳定性是考验。某百万级半转速 核电机组，在执行 甩负荷试验时，汽轮发电机转速徒增至 （.），随 后 迅 速 降 至 （.），整个频率恢复过程在 以上。核电机组 功率运行时，突发励磁故障跳开 造成汽轮机超速，发电机过频保护启动出口造成停机停堆。不同电网中的三台机组，发生甩负荷时的频率变化和影响见表 。表 台机组甩负荷时的频率变化和影响机组甩负荷功率（）过频率（）低频率（）机组状态电网频率影响火电 .无异常较大波动核电 .停机不停堆较大波动核电 .停机停堆较大波动.核电机组相互之间的运行干扰当多个核电机组主电源接入同一个开关站时，多机组运行时会产生相互干扰，干扰大时，将造成高低压电机跳闸，甚至停机停堆事故。这种相互干扰主要表现在两个方面，一是和应涌流 的干扰。当一台机组的主变合闸送电时，会在主开关站和邻近机组的主变产生和应涌流，和应涌流和励磁涌流的交互作用，会造成主变保护误动，产生的零序电流涌入临近机组厂用电系统，造成电机等设备的零序保护误动跳闸。二是机组内部电气故障对邻近机组的干扰。当一台机组内部发生电气故障，如发电机或主变异常跳闸、高压厂用电短路或接地故障，导致的频率或电压异常变化将通过主开关站传递到邻近机组，造成邻近机组高压电机运行异常或跳闸，甚至造成停机停堆事故。某机组主变低压侧（侧）发生三相接地故障，造成 开关站主电源系统电压降低至 以下并持续 ，造成邻近机组高压厂用电随之降低，造成循环水泵低电压跳闸，触发机组停机停堆事故。发电机进相运行和无功出力对厂用电运行的影响当核电厂发电机深度进相运行时，发电机出口电压下降，导致厂用母线电压显著降低，可能引起电压敏感的转动设备或设有低电压保护的高压电动机跳闸。核电机组在高功率运行时，制约进相运行深度的因素一般都是厂用电电压达到低限。某百万级核电机组进行满功率发电机进相试验，当无功功率达到 时，一段 .高压母线已达到运行电压低限 .。通过发电机进相试验的结果，合理设置低励限制，可有效避免发电机进相运行导致的厂用电电压过低。核电机组 段高压母线分别来自两台双分裂绕组的高厂变，如果厂用电负荷分配不均，势必造成高压母线电压产生偏差，特别是同一台高厂变的两段分裂母线产生电压偏差，由于无法通过有载调压消除，在发电机无功出力变动较大时，将使高压母线严重偏离电压限值，造成厂用电的高压电机负荷运行异常或发电机无功出力受限。以上电网无功功率需求和核电机组无功出力的增减，相较于厂用电负荷的变化，在厂用电压降上表现得更为明显，需要操作员严密监控变化趋势并及时干预调整。应对措施当辅助电源变压器容量较小时，启动和运行高压大容量电动机的压降将非常明显。通过理论计算在辅电气技术与经济 技术与应用/助电源和主电源带厂用电时电动机启动的母线压降，可以预先评估对厂用负荷设备运行的影响，判断是否具备启动高压电动机的条件，针对性地提高厂用电电压水平。此外，机组在特殊瞬态运行下启动高压大容量电动机异常（如电动水泵单台运行）时，情况会更加恶劣，可能触发机组 或停机停堆。目前 等三代核电将辅助变压器容量设计成与高厂变相同，可有效降低辅助电源带电动机启动和运行产生的压降，保障核电厂一二回路的正常运行。对于核电机组高压电气系统，仅主电源系统在线路保护内设置过电压保护，而辅助电源和厂用电高压系统不设置过电压保护，因此需要关注高压母线上的过电压问题，使电动机的保护设置匹配运行要求。在核电机组运行时，应调整和保持各高压母线的负荷均匀（参考表 中主泵运行时的母线压降），各母线电压相互压差不宜超过 。此外，如母线电压偏高，在减少厂用负荷前，可通过主变的无载调压或高厂变的有载调压适当降低厂用电运行电压，反之亦然。针对不同的厂用负荷设备，在调试运行期间，可优化内保护运行不平衡电流跳闸的延时（如冷水机组）；如将跳闸调整为报警、调整电压继电器整定参数等，再在商运前，根据历史数据调整优化保护定值。国内很多核电机组都存在和应涌流的运行干扰，和应涌流的产生与合闸角、主变中性点是否接地、厂址的接地电阻等因素相关，而且存在随机性，通过在安装主变同期合闸装置，调整零序电流保护设置，可以抑制和应涌流的产生。针对人因失误导致的厂用电事故，要从管理和技术上预防，如加强防人因失误工具的应用、正确操作高压厂用电和发电组的机械联锁装置、防止人为解除闭锁装置。核电机组发变组保护和厂用电