核电站棒电源系统继电保护设计

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【摘 要】本文介绍了针对改进型压水堆核电厂控制棒驱动机构电源系统的电动发电机组继电保护设计。本设计中，在对棒电源系统特点进行了分析的基础上，确定了棒电源系统继电保护的设计原则、故障类型，最终形成了该系统继电保护配置方案并对保护参数进行了整定。

该保护方案经过了工程样机的全面测试，可以满足棒电源系统中电动发电机组的继电保护要求，保障电动发电机组的安全稳定运行。

【关键词】棒电源系统 继电保护 整定计算

控制棒驱动机构（CRDM）是核反应堆的主要控制环节，对核电站的安全及经济运行有着关键性作用。我国现有的压水堆核电站均采用电磁力提升的控制棒驱动机构，一座改进型核电站的反应堆通常有几十套驱动机构。棒电源系统的作用就是为控制棒驱动机构提供可靠的电力供应。棒电源系统置于安全壳外工作，其特点是在反应堆整个运行期间不间断运行，因此对其工作稳定性、长期运行可靠性、良好的动态响应性能以及维修管理性都有着非常高的要求。由于驱动机构设计上一直沿用“三相可控整流”供电方案，要求控制棒驱动机构电源系统是独立的260V/50Hz三相交流电源，因此控制棒驱动机构电源系统设计上一直沿用双组机械储能的“电动机-飞轮-发电机”方案，并配备必要的控制保护系统以保证机组的正常运行。系统的组成图如图1所示。

图1 棒电源系统组成图

1 继电保护的基本原则

GB50062-1992《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》规定：继电保护装置应，满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的原则。

因此棒电源系统的继电保护设计基于棒电源系统的运行特点以及继电保护设计的基本要求，棒电源系统的继电保护设计采用以下保护原则：（1）选择性原则：当保护动作时，仅将故障元件从系统中切除，保证系统无故障功能部分继续运行；（2）速动性原则：继电保护动作要快速，从而提高棒电源系统并列运行的稳定性；（3）灵敏性原则：对保护范围内发生的故障或不正常工作状态反应灵敏；（4）可靠性原则：在电力装置正常运行时，继电保护应可靠地不动作；发生故障或不正常状态时，继电保护可靠动作，即不出现拒动作和误动作。

根据以上原则以及棒电源系统的特点，进行保护方案的设计，实现机组的保护配置，从而实现棒电源系统可靠的控制、运行与保护。

2 发电机的故障类型[1]

发电机的安全运行对保证电力系统的正常工作和电能质量起着决定性的作用，同时发电机本身也是一个十分重要的电气设备，因此应该针对各种不同的故障和不正常的运行状态配置性能完善的继电保护装置。

发电机主要故障类型由：定子绕组相间短路；定子绕组一相的匝间短路；定子绕组单相接地；转子绕组一点接地或两点接地；转子励磁回路励磁电流异常下降或完全消失。

发电机的不正常运行状态主要有：由于外部短路引起的定子绕组过电流；由于负荷超过发电机额定容量而引起的三项称过负荷；由于外部不对称短路或不对称负荷（如单相负荷，非全相运行）而引起的发电机负序电流和过负荷；由于突然甩负荷而引起的定子绕组过电压；由于励磁回路故障或强励时间过长而引起的转子绕组过负荷；由于发电机组驱动源突然失效引起的发电机逆功率等。

3 棒电源系统继电保护配置设计

3.1 棒电源系统的运行特点

棒电源系统的保护方案采用电力装置的继电保护原理实现，但是棒电源系统相对于普通的电力装置而言具有特殊性，因此其主要的运行特点表现在以下几个方面：（1）励磁方式为无刷励磁；（2）负载为半波整流的棒控棒位系统，三相对称运行且中线上具有kA量级的直流分量；（3）输出电压为260VAC/150VAC/50Hz三相四线制；（4）棒电源系统的特征负载为：

额定负载：100kW，cosφ=0.25；

平均功率： 79kW，cosφ=0.25；

最小功率： 22kW，cosφ=0.25；

最大功率：124kW，cosφ=0.25；

3.2 棒电源系统继电保护设计原则

由于棒电源系统的失效与否直接关系到核电站运行的经济性，同时出于系统自身设备保护的考虑，在棒电源系统继电保护设计过程中需要考虑以下原则：（1）在短时间瞬变造成的电动机电源丧失事件中仍可维持正常运行；（2）在出现只影响一台电动机工作的电源失效或故障事件时，切除受影响的MG机组，不受影响的机组继续运行；（3）当棒电源系统出现不正常工作状态时，保护装置采取相应的保护动作，同时发出指示和报警信号；（4）探测和处理发电机和260V母线故障；

3.3棒电源系统故障类型和不正常运行状态的确定

通过对棒电源系统的运行特点以及故障保护原则的分析，我们可以得出棒电源系统的典型故障类型和不正常运行状态。

棒电源系统的故障类型包括：定子绕组相间短路；定子绕组单相接地；转子励磁回路励磁电流异常下降或完全消失。

棒电源系统的不正常运行状态包括：由于外部短路引起的定子绕组过电流；由于单台电动机电源失电导致的发电机逆功率。

3.4 棒电源系统继电保护配置

通过以上分析，我们可以确定棒电源系统的继电保护配置以及其实现的功能：

（1）差分保护。差分保护分为纵差保护横差保护，纵差保护是对发电机内部相间短路的保护，横差保护是对于发电机定子绕组匝间短路的保护。由于棒电源系统的发电机容量为500KVA，定子绕组为单绕组，因此棒电源系统采用纵差保护实现定子绕组以及引出线的相间短路故障保护。

（2）失磁保护。失磁保护就是对对励磁回路的电流进行监视，在发电机的励磁突然消失或部分消失是对发电机进行保护，其主要原因可能有励磁机故障、转子绕组故障、励磁回路元器件损坏等情况[2]。由于本设计中发电机采用无刷励磁，属于两级励磁，在失磁保护的励磁电流监视的是励磁机的励磁电流，励磁机的励磁电流和主励磁电流成正比关系，因此选择励磁机的励磁回路进行失磁保护。

（3）逆功率保护。发电机逆功率保护是指电动发电机组在失去电动机侧的驱动电源后，发电机并未从系统解列时，此时发电机就变成了同步电动机运行，从另一台电动发电机组吸收有功功率，发电机不允许此种状态的长时间运行此时需要用逆功率保护将失电机组从并列运行状态解列。

（4）过流保护。过流保护主要是针对发电机负载短路引起的定子绕组过电流，在本方案中，发电机的过电流保护由两部分组成，第一部分是由过流保护继电器实现，可以根据棒电源系统的负载特性，合理的设计过流保护定值点以及延时时间；第二部分由发电机出口断路器的分闸曲线构成，即根据棒电源系统的工作特点，合理的设置发电机出口断路器的分闸曲线。两部分设置的组合构成整个棒电源系统的过流保护设置。

（5）接地故障保护。根据安全要求，发电机的外壳全部连接保护地，因此定子绕组因绝缘破坏而引起的单相接地故障比较普遍，棒电源系统属于三相五线制接法，因此在本系统中对保护地和中性线之间的电阻值进行监测，当保护地和中心线之间的电阻值低于某个限值时进行报警及保护。

（6）母线欠压和欠频。由于系统设计要求，棒电源系统向下游负载供电的的电压不能低于234V，频率不能低于44Hz，因此对棒电源系统进行母线欠压和母线欠频保护。

4 保护定值确定

对于棒电源系统的所有保护方式，均需要进行保护参数的整定工作，从而实现整个系统各种继电保护的有机协调配合，从而保证整个系统的稳定可靠的运行。对于以上所有保护，由于篇幅限制，此处不一一进行详细的参数整定，在此选取差分保护进行参数整定计算，其余的只给出最终的整定值。

由于本机组属于小容量发电机组，同时为了保证系统长期有效的运行，在系统设计中已经考虑机组的冗余运行，因此当电流互感器出现二次回路断线时，需要及时的给出保护动作，因此在本系统中差分保护只考虑发电机出现定子绕组以及引出线的相间短路故障时的整定。具体整定计算如下：

式中： ――差分保护设定值

――可靠系数

――非周期分量影响系数

――电流互感器同型系数

――电流互感器比误差

――发电机故障电流

各个参数的具体参数如下[3]：

=1.2（一般取值在1.0～1.5之间）； =1.5（一般取1.5～2.0之间）

=0.5（型号、变比一致时，同型系数为0.5，否则为1）

=0.05（电流互感器采用0.5级计量互感器，比误差采用0.05）

=5A（此值为按照电流互感器额定满量程计算）

可以计算得出

实际取值 =0.25A

最终本设计中给出的保护定值如表1所示。

5 结语

本文针对核电站控制棒驱动机构电源系统的运行特点进行了分析，设计了针对棒电源系统的机电保护配置，并对其中差分保护的定值进行了定值的确定，最终形成了棒电源系统完整的继电保护配置方案及定值，该保护方案经过了试验的最终验证，可以满足棒电源系统中电动发电机组的继电保护要求，保障电动发电机组的安全稳定运行，从而为核电站的安全经济运行提供保障。该继电保护方案经过实际运行的考验，可以应用在同类型发电机组的继电保护中。

参考文献：

[1] 贺家礼，宋丛矩 主编.电力系统继电保护原理.

[2] 宋志明 主编.继电保护原理与应用.

[3] 陈根永主编.电力系统继电保护整定计算原理与算例.