核电厂220kV 变电站备自投装置的配置研究

一、引言

备用电源自动投入装置（简称备自投）是电力系统中为了提高多电源供电可靠性的自动装置，当主供电源失去且母线失压后，可以迅速将备用电源或母联开关投入工作，恢复供电。

核电厂220kV 变电站的经典配置是220kV 双母+母联接线，通常有两回 220kV 供电线路以及4-7 个为核电厂提供第二回供电电源的 220kV 辅助变压器（简称辅变）。其中辅变为 220kV/10kV 降压变。两回 220kV 供电线路平时只有一条投入运行。

二、备自投的配置原则、整定原则及核电 220kV 变电站备自投定值调研

根据 GB/T 14285-2003 要求，由两个及以上电源供电，其中至少一个电源经常断开作为备用电源的场合应配置备用电源自动投入装置。

备自投定值属于涉网定值，核电厂变电站的备自投定值由电网整定后下发电厂。

备自投装置整定需与上级线路保护动作时间互相配合，动作时间宜大于本级线路电源侧后备保护与线路重合闸时间之和，以防止备自投装置动作合闸到故障线路。例如，单独备自投装置的动作时间一般为0.1-0.5s。而多级备自投的末级装置动作时间不宜大于6s。

核电厂220kV 变电站属于负荷末端，鉴于以上整定原则核电厂 220kV 变电站在不同电网网络构架中位置不同，其整定值并不唯一，调研了南网部分核电站，其中广东电网某核电厂220kV 变电站的备自投定值为1-2s 之间，广西省某核电厂 220kV 变电站的备自投定值为 3s 左右，海南省某核电厂 220kV 变电站的备自投定值为 1-2s。

三、核电厂各种运行工况与备自投的适应性分析

2.1 核电厂正常运行工况下备自投的运行

核电厂两回220kV 线路一用一备，负责给 220kV 变电站内的辅变供电，机组正常运行时辅变处于空载运行。若此时一回 220kV 线路失电，备自投自动投入另一回220kV线路供电。

2.2 核电厂辅变带载工况下备自投的运行

核电厂辅变供电带载工况下，发电机处于停机状态，核电厂厂用电由辅变供电。此时辅变所带负荷主要等10kV 电机和 10kV 变压器，在某些工况下还会带1 台反应堆冷却剂泵（简称RCP 泵）运行。若此时一回220kV 线路失电，备自投自动投入另一回220kV 线路供电。辅变将在不切除负荷的情况下带所有负荷启动。

区别于厂辅切换，厂辅切换时辅变负荷有顺序加载，而备自投动作导致的辅变带负荷启动无负荷加卸载环节，辅变需要带当前负荷同时启动。此时系统将面临以下两个考验：

（1）辅变设计容量能否支持电机同时启动？

（2）电机自启动环节是否存在系统过电压？

由于不同堆形辅变参数、所带厂用负荷及 RCP 功率和惰转飞轮的转动惯量略有差别，此处以华龙标准型辅变重载的X 分支为例开展分析。

2.2.1 对辅变设计容量能否支持电机同时启动的分析：

辅变带载多为厂辅变切换工况后，反应堆处于停堆状态，考虑到机组控制需求，因此辅变需要具有带载任一台 RCP 泵的能力。因此需要验证辅变设计容量能否支持包含RCP 在内的所有电机同时启动。

RCP 电机额定功率 7500W ，惰转飞轮的转动惯量按照“失压后 RCP 的速度在1 秒内不得低于额定转速的 94%^′ ”设计为 5150kgm². 。核电厂辅变为 YN d11-d11 接线，容量为 88/44-44MVA，短路阻抗为 18% 。由于 X 分支下 LGC 负载比LGA 小，因此仅考虑辅变 X 分支下 LGC 母线带一台凝结水泵、一台循环水泵、RCP 泵及低压变压器的带载能力。

根据上述工况、参数以及辅变带载情况，通过 ETAP 仿真校验辅变带载发生备自投动作时母线建压情况如下图所示。

由上可知问题（1）结论：辅变可以带 RCP 成组启动，但建压过程较长，220kV电压下，电压低于 80%Un 时长在 20s 左右，超过 10s。而核电厂常规岛 10kV 的低电压动作定值为 80%Un ，核岛 10kV 单元厂用电的低电压动作定值为 70%Un ，二者动作时间都为 10s。应急中压母线不设置低电压保护，但检测到低电压信号且超过 7s 应急配电盘的正常进线断路器断开，卸去被选择的应急厂用设备，经过短延时应急配电盘与 EDG 柴油机之间的断路器闭合，被卸载掉的厂用设备将重新加载。因此若辅变带RCP 运行期间， 220kV 线路备自投动作将导致低电压动作切除常规岛和核岛单元厂用电的10kV 电动机并导致EDG 柴油机启动并带载。根据PSAR 可知，EDG 柴油机的作用是当所有厂外电源出现故障时，保证单元机组的安全停堆。因此，220kV 线路备自投动作导致EDG 柴油机启动并带载并非最合适的选择。

2.2.2 对电机自启动环节是否存在系统过电压的分析

根据NB/T 20051-2011 核电厂厂用电系统设计准则，若无特殊要求，电动机不考虑承受 1.4 倍以上过电压。RCP 电机由于有惰转飞轮转速变化很小，惰转飞轮的机械能转化为电能，RCP 机端电压降低速度慢。因此在切换过程中有 220kV 系统和 10kV系统电压相角差导致在10kV 侧产生大于 1.4 倍过电压损坏电动机的概率。

由于备自投装置检定无压的定值可以设置为 30%Un ，待系统电压低于 30% 时才开始计时，因此备自投装置设置 30% 检无压可以避免过电压问题。

2.3 小结

综上，核电厂正常运行工况下备自投可正常投入；核电厂辅变带载且带 RCP 工况下，220kV 线路备自投切换会失去部分 10kV 电动机及应急柴油机带载，因此不建议此工况下 220kV 线路备自投投入。

三、改进建议及优缺点分析

由于辅变带负荷时RCP 不执行核安全功能，因此建议在辅变供电且线路备自投动作后跳RCP 断路器。共考虑了以下三个方案：

方案 1：备自投启动报警发 DCS,结合辅变进线开关闭合，DCS 发指令跳 RCP 电机。RCP 电机由操作员手动恢复合闸。

方案 2：中压盘低电压后，综保发信号送 DCS，0.9s 后启动柴油机。综保此处增加一个跳闸出口信号结合辅变进线开关合闸位置在 RCP 中压柜内通过时间继电器，发指令跳 RCP 电机。在第二路电源合上前跳掉 RCP 电机。RCP 电机由操作员手动恢复合闸。

四、小结

由于核电厂的特殊性，220kV 线路备自投装置在核电使用时不建议在辅变带 RCP工况下发切换指令。220kV 线路备自投装置定值设置应考虑躲开系统过电压及 RCP 惰转飞轮造成的系统电压下降较慢的特殊情况，从低电压到切换的时间定值宜设置为不超过2s。

参考文献：

[1]GB/T 14285,继电保护核安全自动装置技术规程[S].

[2]NB/T 20051-2011,核电厂厂用电系统设计准则[S].