接入大感性施工负荷的核电厂独立厂用电系统可靠性分析

刘哲峰，张平

（1.华东电力设计院有限公司，上海 200063；2.上海申瓴建设工程审图有限公司，上海 200235）

接入大感性施工负荷的核电厂独立厂用电系统可靠性分析

刘哲峰1，张平2

（1.华东电力设计院有限公司，上海 200063；2.上海申瓴建设工程审图有限公司，上海 200235）

根据业主提出的由一期工程厂用电系统供电二期工程施工负荷的改接方案，从设计规定符合性，不同母线段接入方案比选，采用隔离变压器合理性，以及对厂用电系统的暂态稳定、电能质量、继电保护等方面的影响进行了可靠性分析，认为核电厂的厂用电系统不宜带载施工负荷。

核电厂；厂用电系统；施工负荷；隔离变压器；暂态稳定；电能质量

在国内某引进第三代核电厂二期工程的设计中，为节省投资，业主提出了施工电源改接方案，要求将原35 kV施工变电站改建为10.5 kV开关站，并改由一期工程厂用电系统供电，为减少施工负荷对机组的影响，还要求将两路施工电源分别经一台10.5/10 kV的5 000 kV·A隔离变压器接入1号和2号机组厂用电供电的SRTF配电站中的两段中压母线。为评估该方案的技术合理性与可靠性，将分别从设计规定符合性，不同母线段接入方案比选，采用隔离变压器的合理性，以及对厂用电系统的暂态稳定、电能质量、继电保护等方面影响进行深入的技术分析，以满足核电设计修改需进行充分论证的要求。

1 厂用电系统及施工负荷的特点

该引进第三代核电厂的厂用电系统，所供电的厂用负荷总体规模较大，由于正常运行时由大容量主发电机直接供电，故有较大的无功功率支撑，但同时短路电流水平也较高。厂用负荷中最重要的反应堆冷却剂泵，正常运行时由变频器进行启停驱动，由于变频器的稳定性相对较低，故对厂用电系统的电压、频率、谐波含量等电能质量及系统在大扰动下的暂态稳定等有较高的要求[1-6]，见图1所示。

二期工程中的施工负荷共约9 500 kV·A，主要由各类起重机、卷扬机、打拔桩机、各类车床、钢筋弯曲/调直/切断机、混凝土搅拌/振动机、各类电焊机、空气压缩机、通风机等组成。这些施工负荷中有些高次谐波的含量较高，很多单相220 V负荷的功率不同，容易造成供电系统三相负载的不对称，且施工负荷整体根据施工时段的不同，负荷大小和种类差异很大，这些因素综合起来，容易对厂用电系统的暂态稳定、电能质量及继电保护整定造成不利影响。

2 设计规定及项目文件符合性分析

在81版的《火力发电工程施工组织设计导则》（以下简称“施工设计导则”）中有“扩建工程可自投产机组厂用电系统取用施工电源或施工备用电源，应采取相应的安全措施和独立计费措施”的规定，在02版导则中已删除这样的描述[9]；DL/T 5153中规定“与发电厂生产无关的负荷不应接入厂用电系统。行政办公楼、值班人员宿舍等少量厂前区负荷可通过专用低压厂用变压器，接入高压厂用电系统”[8]，GB/T 50958中规定“与电厂生产无关的负荷不应接入厂用电系统”[7]。施工负荷属于“与发电厂生产无关的负荷”，并且不属于“少量厂前区负荷”。可见，相关设计规定并不支持这样的做法。

已通过电规总院审查的该工程可行性研究报告中，明确了二期工程中的施工临时用电方案，本期3号机组将利用原2号机组的施工变，新增4号机组的3台施工变，循环水泵房一台施工变，电源仍然引自35 kV施工变电站。根据已通过核安全局审查的二期工程初步安全分析报告“第8章电力”8.3节中的厂内电源系统相关说明和描述，供电对象没有包括施工负荷。

当今核电安全的一个重要理念是保持机组的独立性，在适用于该引进第三代核电厂的URD-1999第三卷中，要求核电厂单堆之间应尽量满足独立性[10]，由于一期工程中已经有相当数量的重要全厂公用BOP负荷由2台机组共同供电，故不应再将二期施工负荷也纳入该范畴。

根据对施工电源的相关设计规定和已通过审查的项目重要文件的分析，业主的改接方案对相关设计规定及项目文件的符合性并不理想。

3 采用隔离变压器的合理性

隔离变压器的主要作用是将电源设备与用电设备相隔离，保障用电设备与电源之间没有直接的电的联系。通过合理的设计与配置，隔离变压器可降低下游故障时的短路电流水平、实现故障隔离（主要是下游负荷的单相接地故障）、滤波及防雷的作用。故可以认为，在供电回路中串联隔离变压器进行供电，对提高施工电源可靠性，减少施工负荷对厂用电系统的干扰是有正面作用的。

拟采用的隔离变压器额定容量暂定为5000kV·A，该容量不能满足二期最大施工负荷的要求。如果出现由一台机组带载全部二期施工电源负荷的情况，为降低负载率，对于施工电源负荷中的非重要负载，可通过设置合理的保护整定值（自动），或采用适当的运行管理措施（手动）予以切除，保证重要施工负载的供电。目前容量超过2 000 kV·A的隔离变压器在工程中应用较少，其性能及可靠性还需要更多的工程实践来进行积累。

4 不同母线段接入方案比选

根据一期工程的负荷统计，2台机组的高压厂用变压器负载情况如表1所示。

表1 一期工程高压厂用变压器低压绕组负荷统计Tab.1 Load calculation of the secondary winding of Unit Auxiliary Transformer of the Phase I project

在业主建议方案中，要求将2路施工电源分别接入1号和2号机组厂用电供电的SRTF配电站中的2段中压母线，但如表1所示，水处理厂所对应的低压绕组负载率更低，故需在它们之间进行比选。

二期工程的施工负荷，正常运行时按1号机组与2号机组均分，从SRTF及水处理厂取电的负载率计算分析如表2所示。

图1 一期厂用电系统供电二期施工负荷接线示意图Fig.1 The electrical connection diagram of the auxiliary power system of the Phase I for supplying power to the construction loads of Phase II.

表2 从SRTF或水处理厂取电的负载率比较Tab.2 The load percentage comparison when power is supplied from SRTF or Water factory

由表2可知，不论是正常运行时由2台机组均分带载负荷（工况1：50%SRTF或水处理厂负荷+50%二期施工负荷），还是当一台机组因故障或检修而停运，由另一台机组带载全部负荷（工况2：100%SRTF或水处理厂负荷+5 000 kVA隔离变压器满载），从水处理厂取电的高厂变低压绕组负载率均明显低于从SRTF取电。高压厂用变压器为分裂变压器，对于低压绕组来说，其特性更接近于双绕组变压器。根据GB/T 13462的相关规定，双绕组变压器的经济运行区上限负载系数为1，最佳经济运行区的上限负载系数为0.75。如果考虑增大隔离变压器至10 000 kV·A，在以上情况下，由一台机组带载全部SRTF或水处理厂负荷及全部二期施工负荷（工况3），则SRTF对应的高厂变低压绕组将因超载而无法带载，而水处理厂对应的高厂变低压绕组仍然在变压器的经济运行区以内，可以长期带载。

5 对厂用电系统暂态稳定的影响

5.1 厂用电系统在电厂启动时的影响

SRTF配电站上游中压母线3供电的最大电动机为主给水泵（7 800 kW，功率因数0.92，效率0.95），在电厂启动过程中，按照图2在ETAP软件中建立该台主泵的动态模型，并假设按母线上最后起动主给水泵进行电厂启动过程中的暂态稳定计算，带载和不带载施工负荷（5 000 kV·A）时的母线电压最低值分别为93.08%，93.66%，如果带载全部施工负荷（9 500 kV·A），则母线电压最低值将降至92.48%，母线电压变化如图3所示[11-14]。

图2 主给水泵动态模型的等效电路及计算曲线Fig.2 The calculation curve and equivalent electrical circuit of the dynamic model of the main water-feed pump

图3 主给水泵起动时的母线电压变化曲线图（不带载施工负荷）Fig.3 The voltage changing curve of the bus when the main water-feed pump is started(without construction loads).

由以上计算可知，厂用电系统带载施工负荷时，对于电厂启动过程中大电机起动时维持母线电压水平是不利的。

5.2 厂用电系统切换时的影响

由于该引进第三代核电厂的高压辅助变压器是按高压厂用变压器全容量进行备用的，故高压辅助变压器的容量能够满足供电要求。

在正常情况下由操作人员进行的手动切换10.5 kV进线断路器（由厂变切换至辅变或由辅变切换至厂变）需要检测同期，切换方式为并联切换，切换过程全程不中断供电，施工负荷的接入与否对手动切换过程无影响。

对于在故障情况下的快速切换，该引进第三代核电厂采用的快切方式为同时切换，切换时需要检测同期。中压断路器分闸时间为45 ms，合闸时间为65 ms，假设快切满足同期切换的要求，应用ETAP软件进行中压母线3快切的暂态稳定分析，带载和不带载施工负荷（5 000 kV·A）时的母线电压最低值分别为76.11%，78.72%，如果带载全部施工负荷（9 500 kV·A），则母线电压最低值将降至72.78%，母线电压变化曲线图如图4所示。

由图4可知，虽然施工负荷中多数为感应电动机，但由于隔离变压器的作用，并不能对母线失电后的残压起到支撑作用，反而由于总体负荷的增大，使得母线残压衰减更快。故可认为厂用电系统带载施工负荷时，对于母线快切过程中维持电压水平是不利的[15-18]。

6 对施工电源侧短路电流及电动机起动电压的影响

图4 厂用电快切时的母线电压变化曲线图Fig.4 The voltage changing curve of the bus when the fast bus transfer device acts

如图5所示，在ETAP软件中建立10.5 kV开关站的简化计算模型，保守按最严重事故工况（隔离变压器带5 000 kVA施工负荷满载运行）计算短路电流，计算工况如下：

SRTF负荷、施工负荷全部按80%电动机负荷设置，堵转电流倍数取6.5倍。

工况1：10.5 kV开关站进线断路器闭合，单台机组供电全部SRTF负荷与5 000 kV·A施工负荷。

工况2：10.5 kV开关站进线断路器闭合，进线回路增设隔离变压器（5 000 kV·A，阻抗电压7.49%），单台机组供电全部SRTF负荷与5 000 kV·A施工负荷。

目前SRTF配电间内的10 kV进线及馈线柜均为50 kA级设备，35 kV施工变电站内的10 kV进线柜为31.5 kA级设备，10 kV馈线柜为25 kA级设备。10 kV环网柜中，至施工变和盾构机的出线柜为31.5 kA级设备，其余进出线柜为20 kA级设备。

由图5的工况1可知，如果不设置隔离变压器，在最严重事故工况下，主厂房及SRTF配电间的中压母线短路电流值有所上升，但仍处于50 kA级开关设备的开断能力范围内。由于改接后的施工负荷距离大容量发电机很近，这与之前由35 kV变电站供电，处于电网末端的情况很不同，10.5 kV开关站的中压母线短路电流远超31.5 kA，在馈线1、馈线2、馈线3的长度为500 m的情况下，环网柜侧的短路电流均超过了30 kA，故如果不增设隔离变压器，原35 kV施工变电站内的10 kV开关柜、31.5 kA及20 kA级的10 kV进出线环网柜都不能再使用。

由图5的工况2可知，增加隔离变压器之后，下游开关站内的中压母线及环网柜侧的短路电流值均有大幅下降，原先的10 kV配电开关设备均能够 延用。

图5 各种工况下的10.5kV开关站短路电流情况Fig.5 The short circuit calculation results under the different operating conditions of the 10.5kV switchyard

施工负荷中最大容量低压电动机为215 kW的空压机，按功率因数0.85，效率0.95，堵转电流倍数6.5倍进行电动机起动电压校验。假设按已带载980 kV·A负荷，最后直接起动最大电动机的最不利工况进行校验，起动时施工变（1250 kV·A，阻抗电压6%，分接头位于0位置）低压母线的最低电压为0.333 kV，占母线额定电压0.4 kV的83.2%，增设隔离变压器后仍然能够满足大容量电动机的起动要求。

7 对厂用电电能质量的影响

7.1 正常运行时母线电压波动影响分析

对如图5的简化模型应用ETAP软件进行潮流计算，得到的计算结果如表2所示。

由表6计算结果可知，接入5 000 kV·A施工负荷后，对正常运行的母线电压水平没有影响。如果全部二期施工负荷（9 500 kV·A）都由另一台机组带载，则需经高厂变进一步有载调压后才能处于电压波动合理范围之内（99%～101%），也就是说，接入全部施工负荷会多占用了原先有载调压分接头的设置裕度。

7.2 谐波影响分析

根据“施工设计导则”表P.5的信息，施工负荷中的谐波源主要来自施工变压器，电焊机这2类非线性负荷。

变压器的谐波电流是由其励磁回路的非线性引起的，励磁电流的谐波含量和铁心饱和程度直接相关，即与其所加的电压有关。正常情况下，所加电压为额定电压，铁心基本工作在线性范围内，谐波电流含量不大。但在轻载时电压升高，铁心工作在饱和区，谐波电流含量就会大大增加。谐波电流中含有以3次谐波为主的奇次谐波，对于联结组别中有一侧为△联结的变压器，可以为3次及3的倍数次谐波提供通路，只在△回路中流通，而不流入公用电网，流入电网的只是6 k±1次谐波。

相关计算研究表明，变压器合闸过程中，其工作磁通的峰值将比正常运行时要高，严重时可能增加1倍，在有剩磁时更为严重，这就使铁心深度饱和，铁心磁通呈现为平顶波，相应励磁电流将剧烈增大，此电流被称为变压器的励磁涌流，其数值最大可达额定电流的6～8倍，同时包含有大量的非周期分量与高次谐波分量。

综合以上分析，由于施工变压器1）绕组联结组别采用Dyn11；2）正常运行时负载率较高；3）正常运行时不会频繁分合闸，故可不计其谐波电流的影响。

电焊机在高温焊接期间，其电弧的点燃和剧烈变动形成高度非线性，导致电流不规则波动。一台典型手弧焊机ZX7-400 IV的输出电流与主要谐波电流含量如表3所示。

根据相关施工用具资料，保守按全部采用手弧焊机ZX7-400 IV，单台功率为17.38 kW（输出电流100 A，谐波电流含量最高），根据“施工设计导则”表P.6的信息，电焊机的综合需要系数为0.3，按表4进行焊接设备负荷估计。

表3 接入施工电源的简化模型潮流计算结果Tab.3 Load flow calculation results of the simple model

根据表3的数据，以手弧焊机ZX7-400 IV输入电流为100 A时的各次谐波电流含量为依据，在ETAP软件中建模如图6所示。按表4中，假设同时有105台电焊机工作，均匀分布由A、B、C三相供电，并按由单台机组带载。应用ETAP软件的谐波分析模块进行谐波计算，各段母线的电压总谐波畸变率计算结果如表6所示，一些具有代表性的母线电压畸变波形及各次谐波电压含量如图7所示。

表4 手弧焊机ZX7-400IV的输出电流与主要谐波电流含量Tab.4 The main harmonic current content and output current of the hand-holding electric welding machine ZX7-400IV

表5 二期施工负荷中的电焊机类负荷估计Tab.5 Number of the electric welding machines estimated for the Phase II construction loads

图6 手弧焊机ZX7-400IV的谐波电流ETAP软件建模Fig.6 ETAP Modeling of the harmonic current of hand-holding electric welding machine ZX7-400IV

根据DL/T 5153的规定，厂用电系统正常工作时，交流母线的各次谐波电压含有率不宜大于3%。电压总谐波畸变率380 V厂用电系统不宜大于5%，6 kV及10 kV厂用电系统不宜大于4%。

由表5、图7可知，各台施工变0.4 kV低压母线、各台施工变高压侧、10.5 kV开关站中压母线的电压总谐波畸变率虽然能够满足电压总谐波畸变率的限制要求，但均已接近上限，考虑到计算是以0.3的综合需要系数为前提的，实际存在有更多电焊机同时使用的可能，且由表7可知，其所含有的主要奇次谐波均不是3的倍数次，正常施工时，这些谐波将窜入厂用电系统，会对保护设置造成扰动，引起保护误动作，严重情况下将影响机组的正常运行，建议对这些母线增设谐波滤波器进行滤波。

表6 各段母线的电压总谐波畸变率Tab.6 Total harmonic aberrance percentage of different buses

图7 部分母线电压畸变波形及各次谐波电压含量Fig.7 Voltage aberrance curves and different harmonic voltages percent of some buses

8 对厂用电继电保护的影响

在一期机组建成之前，水处理厂的2段10.5 kV中压母线是由南区负荷中心供电，而南区负荷中心的2段10.5 kV中压母线又是由35 kV施工变电站内的10.5 kV中压母线供电。故二期工程的10.5 kV开关站的供电级别与目前一期中的水处理厂的2段10.5 kV中压母线属于同一级别，继电保护的设置及保护间的级差配合可以参考水处理厂的情况进行设置。建议10.5 kV进线断路器与SRTF的对应馈线断路器之间不再考虑级差配合，按同级考虑，以减少保护的极差级别，有利于保护动作时间的设置。

由于施工负荷的接入，导致本段中压母线的短路电流水平有所提高，故对于部分保护整定值的设置会有一定影响，但不会有颠覆性变化。

9 结语

本次评估首先对施工电源业主的改接方案对相关设计规定及项目文件的符合性进行评估，认为符合性并不理想，从技术层面对业主的改接方案进行了分析，认为施工电源改由SRTF对应的低压绕组供电，将造成高厂变低压绕组容量负载率裕度不足，还会多占用了原先有载调压分接头的设置裕度，总体不如从水处理厂供电的方案。虽然在施工电源进线侧加装隔离变压器有种种益处，但目前大容量隔离变压器并不是一种在工程中被大量应用的成熟产品。

可靠性分析的后半部分，主要是就改接方案对厂用电系统及其它可能的影响进行了分析，认为厂用电带载施工负荷对于维持系统的暂态稳定是不利的，对厂用电能质量也有一定的谐波干扰，建议母线增设谐波滤波器，而对厂用电继电保护的影响较小。

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Reliability Analysis of Independent Auxiliary Power System in Nuclear Power Plant with Large Inductive Loads

LIU Zhefeng1，ZHANG Ping2
（1.East China Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200063，China.2.Shenling Construction Engineering Drawing Auditing Co.，Ltd.，Shanghai 200235，China）

In the project，the owner proposed that the power supply for the construction of the Phase II be supplied from the auxiliary power system of Phase I.This paper presents a reliability analysis of the owner’s proposal which is conducted from design compliance，comparison and selection of different bus access schemes，validity of using isolated transformers，and impacts on the transient stability，quality of electric energy，relay protection of the auxiliary power system.It is concluded that the station service power system of the nuclear power plant should not be used to supply power for the construction loads.

nuclear power plant；auxiliary power system；construction loads；isolation transformer；transient stability；quality of electric energy

1674-3814（2017）06-0042-08

TM623

A

2017-04-27。

刘哲峰（1974—），男，本科，高级工程师，从事火力发电厂、核电站常规岛自动化和电气设计；

（编辑 张晓娟）

国家自然科学基金（51507101）。

Project Supported by the Natural Science Foundation of China（51507101）.

张 平（1973—），女，本科，高级工程师，主要从事供配电电气设计。