关于核电厂应急柴油发电机的继电保护分析

关于核电厂应急柴油发电机的继电保护分析

葛彩旺

福建福清核电有限公司，福建省 福清市 350300

摘要：应急柴油发电机的作用是当核电厂失去外部电源时，为专设安全设备提供可靠的电力。应急柴油发电机首次启动是否顺利对应急柴油发电机后续试验有着广泛影响。本文介绍了核电厂应急柴油发电机的功能和组成，首次启动的意义、先决条件、以及启动调试。

关键词：核电厂；应急柴油发电机；电气保护；电能质量

1应急发电运行供应质量要求

1.1应急柴油发电机的作用

反应堆运行时，利用核裂变产生热量，堆芯成为强放射源，在反应堆停止运行时，就会产生自行放热，形成总的堆芯余热。余热是随着时间的延长而不断降低的，如果余热不能及时有效冷却，会导致堆芯持续升温以致熔化，自发突破反应堆设计中的多重实体屏障，将大量放射性物质释放到环境中，从而产生灾难性的后果。核电厂应急柴油发电机就是不断冷却堆芯，释放余热的动力源。

核电厂应急柴油发电机容量较大，除正常运转外，还要保证气、油、水的充分供应和循环。包括机械系统、电气系统和仪控系统等等。作为最后一道应急电源，其作用在于在核电站的正常电源和辅助电源发生故障时，确保反应堆安全稳定停止运行，保证机组和关键安全设备免于损害。同时保护燃料元件不受损坏，有效保证核电厂核安全。应急柴油发电机属于1E级设备，属安全级设备，对地震、火灾、台风等要求有较强的抗御能力。

1.2技术要求

应急带载的要求如下：

（1）接到启动指令后应在10～15s内启动并达到额定电压和频率；

（2）负载期间，频率要在额定值的95%以上，电压在额定值的75%以上，频率恢复到其额定值的98%及电压恢复到其额定值的90%的时间应小于这一程序步骤开始和下一程序步骤开始之间的时间间隔的60%；

（3）切除最大的单个负载，或在按程序加载的每一步骤之后，运行条件的瞬变均不应导致柴油发电机组转速的增加超出超速跳闸最小整定值与额定转速之差的75%；

（4）空压系统在应急情况下能保证连续启动6次，每次不大于10s；

（5）重要系统、设备采取冗余配置。除了符合核电安全的要求，还要必须符合发电机承受异常、事故运行工况能力的要求：由柴油发电机供电的供电系统有一相接地时能正常启动和运行；发电机组应该承受到一定程度上的短路、超速运行、超频、超压等故障的能力。

1.3运行的关键电气问题

在紧急运行时，启动时电压建立、程序带载时的继电保护动作、程序带载时中压电机启动引起的电压暂降等方面的要求非常严格。总的来说，紧急运行的关键问题要采取以下措施来改进：正确选择应急柴油发电机的继电保护设置；合理设计励磁方式和选择性能优良的励磁调节器；合理调整程序带载的负荷批次和柴油机的容量。

2继电保护设置

2.1运行模式

作为事故发电机，应急柴油发电机的运行模式具有特殊性，应配置与之适应的继电保护装置，一般有应急方式和试验方式2种模式。前者由反应堆保护、应急母线失压、安全壳压力高等信号触发启动柴油发电机，要保证反应堆的冷却，防止误动，强调动作的可靠性，非严重故障不得跳闸。后者是由就地控制柜或主控室启动，试验目的是为了检验柴油发电机处于正常状态，可在事故应急情况下启动并能程序带载。为了检验故障和运行状态，强调其灵敏性。

2.2试验方式继电保护

（1）发电机差动保护。

发电机 差动保护能 够在很大 程度 上降 低 短 路电流。当出现短路时，电流呈现非平衡状态，对应的电流也会发生变化。通过这种方式，能够有效地提高继电保护装置的反应，缩短中间延时效应，并将此作为跳闸信号进行针对性处理后，完善设备应急处理程序，确保柴油发电机组能够始终处于良性循环状态当中，为核电厂的稳定和有序生产提供更多的支持和保障。

（2）定子接地保护。定子接地保护由悬浮、单点及多点3种接地方式组成。其中第一种接地，是将发电机定子串联到一个接地点上，然后利用牵引导线将电流引入到大地当中。一般情况下，该接地方式没有形成静电回路，如果遇到雷电天气，极有可能对核电厂内部其他结构物产生一定程度的静电飞弧。第二种接地将3个核电设备并联到1条回路当中，然后通过牵引导线将高压电流引入到大地当中，如核电厂中的3个高压系统，分别接入到不同的位置，避免形成静电回路，从而实现对柴油发电机的全方位保护。第三种方式将前两次中的每个设备都进行单独接地处理。如核电厂中主变压器、高低压加热器等电力设备都可以采取单独接地的方式，在此基础上，能降低设备向外辐射噪音信号，营造良好的运行环境，保证工作人员的人身安全

2.3应急方式继电保护

在应急方式下，对于继电保护的可靠性要求很高，因此要对差动保护和低电压保护进行一定程度上的改进，差动保护装置增加为2个，同时动作时才允许跳闸，低电压保护采用3取2的方式，2个以上动作时才允许跳闸。在判断柴油机是否应该跳闸并不是看发生故障与否，而是要看柴油发电机的电能质量是否符合标准，满足需要。柴油发电机的频率较低时，现在的低压继电器一般也能很好的反映出电压大小，不会引起误动。

发电机发生外部短路时，差动保护不动作，中压母线只发生弧光保护的动作，如出口电压不能满足紧急负载运行的要求，就会发生跳闸，在有一台冗余的情况下可以跳闸。在发生紧急事故时，进行跳闸保护，要通过相关的改进来提高动作的可靠性，一般来说低电压保护采用3取2方式，IE级设备，设置延迟时间。差动保护双套保护都动作跳闸，IE级设备，设置制动区，设置延迟时间。一般推荐低电压保护为紧急情况电气保护，提高供电能力。

3励磁系统

为保证发电机组的稳定运行，提高励磁系统的控制性能是必不可少的控制措施，同步发电机励磁控制器对于电力系统的稳定有着重要的作用：能够维持发电机机端电压在给定水平上；能够合理分配2台以上发电机在同一母线上运行的无功功率；能够保持同步发电机稳定运行。在设备选型时，要结构简单、清晰、设备通用性好、标准化程度高、软件灵活、功能强大、控制多样的数字化励磁调节器，能在手动和自动之间进行自由切换。

发电机的励磁方式主要有3种：直流励磁机励磁方式；交流励磁机励磁方式；静止励磁方式。核电厂应急柴油发电机的功率一般是6MW左右，因此应该选择中小型发电机的励磁方式，我们可以选取晶闸管直接励磁方式，电抗移相复励励磁方式，3次谐波励磁方式，交流励磁机旋转硅整流器励磁系统方式等，本文认为选择最后一种无刷交流励磁的方式是最优方案。同时，还要注意到励磁限制和保护，一般要采用欠励限制和保护、过励限制和保护、失磁保护、PT断线保护、U/f保护、机端过电压保护等等。通过这些保护可以提升设备的利用率，防止设备的损坏。

4结论

核电厂生产过程中，应急柴油发电机占据非常重要的位置。加强对应急柴油发电机的保护，在提高核电厂综合效益等方面发挥着积极作用。要做好电气保护工作主要从以下几个方面入手：结合工程实践，搞好应急柴油发电机的继电保护设置；选择好励磁方式，励磁设备，做好励磁限制和保护；还需做好带载试验，分析改善供电质量的措施。

参考文献

[1]梁圣童,牟恕宽.核电站应急柴油发电机组的评述[J].船舶工程，2007，29(z2)：9-14.

[2]广东核电培训中心.900MW压水堆核电站系统与设备[M].北京:原子能出版社，2009.