国内M310核电厂厂外220 kV备用电源单相断线故障对核电厂安全级电气系统的影响分析

张　奇，孔　静，陈子溪

国内M310核电厂厂外220 kV备用电源单相断线故障对核电厂安全级电气系统的影响分析

张奇，孔静，陈子溪

（生态环境部核与辐射安全中心，北京 102400）

核电厂电气系统单相断线故障由于不易探测，继电保护装置应对不灵敏且其导致的核安全风险极大等原因已成为国际核安全监管当局研究的热点和难点。本文针对国内M310堆型核电厂电气系统的特点并结合单相断线故障特点，指出核电厂厂外220 kV备用电源输电线路单相断线故障是引发核安全风险最为严重的电气系统。本文结合M310核电厂电气系统特点，运用对称分量法对厂外220 kV备用电源输电线路单相断线故障展开分析，并根据分析结果阐述了核电厂厂外备用220 kV输电线路的保护系统，无法完全应对该故障的原因。同时，详细分析了该故障对于核电厂厂内安全级电气系统安全稳定运行带来的风险及危害。最后，本文针对发现的可能存在的核安全风险提出了建议的应对措施。

核电厂；安全级；220 kV备用电源；单相断线；电动机

电力系统非全相运行是指单相或者两相断开的运行状态，而其中以单相断开故障居多[1,2]。在高压电网（如220 kV输电线路）中，由于自然条件、外力损坏、设备老化等原因导致单相断线的情况是存在的。我国目前在运核电机组以M310堆型及其改进型核电厂等二代核电为主[3,4]，国内M310堆型及其改进型核电厂厂外电源分别为500 kV优先电源和220 kV备用电源。当前我国核电厂厂外电源单相断线故障对于核电厂安全稳定的影响并未得到充分的研究。

由于我国核电厂500 kV线路普遍为多回出线送出电力，其一回线路发生断线之后对于核电厂的影响并不明显。而我国核电厂220 kV辅助电源普遍以两回220 kV线路互为备用的方式与核电厂的220 kV辅助开关站相连。在500 kV厂外电源不可用时，220 kV辅助开关站可作为备用电源，以保证反应堆的安全，而220 kV辅助电源运行时仅通过一回线路向核电厂厂内电力系统供电，因此在220 kV输电线路发生单相断线故障后对核电厂安全运行所产生影响需要进行充分的研究和分析。国际原子能机构（IAEA）及各国主要核安全监管当局对于能动型核电厂电力系统发生单相断线故障的影响也处于初步研究阶段，如美国Byron核电厂曾由于厂外输电线路缺相运行而导致核安全级电气设备的故障，而现场操作人员并未及时发现并排除故障影响最终引发停机跳堆。

本文针对以上情况，对核电厂220 kV输电线路单相断线故障展开定量分析，并结合国内核电厂实际情况，对于核电厂厂外输电线路单相断线故障对核电厂的安全运行进行分析，并根据分析结果结合国内M310核电厂实际，提出了相应的应对措施。

1　核电厂厂外220 kV电力系统单相断线故障分析

1.1　利用对称分量法分析单相断线故障

假设在中性点直接接地系统中XY处发生A相断线，如图1所示断线故障处的边界公式如公式（1）所示。

图1　A相断线

式中：A、B、C——断相处A、B、C三相电流；

将A相断线边界条件用序分量表示为：

若计入断相处的负荷电流LA，公式（1）可表示为：

11、22、00——断相处X、Y两点向系统所对应的综合正序、负序、零序阻抗。

代入公式（3），可得：

断相处实际的正序电流应加上断相前的负荷电流，则断相处实际各序电流如公式（6）所示：

由上式可以得出结论：电网网络结构确定时，断线相各序电流均与断相前的负荷电流成正比，负荷电流越小，断相后各序电流相应也越小。

1.2　M310及其改进型核电厂220 kV开关站现有保护装置对于单相断线故障的响应

当前国内核电厂220 kV输电线路继电保护装置采用双重配置，主保护普遍采用冗余配置的纵联差动保护，后备保护普遍采用零序保护。然而，以上保护对于单相断线故障的反应并不灵敏，以下为原因分析：

（1）差动保护不动作：220 kV发生单相断线且无接地的情况下，由于线路两侧无差流，则差动保护不会动作。

（2）零序保护动作可能性较低：根据单相断线故障分析结果，线路非全相运行零序电流与线路负荷电流正相关，在线路轻载情况下，故障产生的零序电流值较小低于零序保护的整定值，导致零序保护无法动作。

由于核电厂厂外220 kV辅助电源在电厂正常运行时处于空载备用状态，若此时220 kV输电线路发生单相断线，其相关继电保护装置无法切除故障，其监控系统亦无法提供有效的故障判断信息；若220 kV输电线路在向核电厂厂内配电系统供电时发生单相断线故障，由于220 kV线路容量远大于单个核电机组厂用电负荷（约为4～10倍不等），此时220 kV线路处于轻载状态，故障相零序电流依然较小，线路零序保护较大概率不会动作。

2　核电厂厂外220 kV输电线路单相断线故障对于核电厂安全运行的影响

通过以上分析计算可知，能动型核电厂220 kV线路继电保护装置对于单相断线故障无法正确灵敏应对，且运行人员不易察觉。故障发生后，220 kV输电线路存在带故障长时间运行的可能性，因此分析220 kV输电线路单相断线故障情况下带载对核电厂安全运行产生的影响尤其必要。

2.1　220 kV辅助变压器采用星形三角形联结方式

对于220 kV辅变采用星形三角形联结方式的情况，如图2所示，由于变压器低压侧为三角形，此时在高压侧输电线路发生单相断线故障且供厂用电的情况下，辅变低压侧依然是三相健全，即核电厂厂内电力系统依然三相健全，但是此时厂内配电系统引入了负序电流。

由于负序电流可以在电动机转子中感应涡流，引起电动机过热并对电动机带来较大危害。然而，我国核电厂中压安全级电动机的保护配置普遍为过电流保护和过负荷保护，缺少负序电流保护。因此在220 kV输电线路发生单相断线且辅助变压器采用星形三角形的联结方式下，核电厂现场操作人员无法及时发现故障，而安全级电动机及变压器因为缺少相关电流保护而持续过热甚至发生烧毁的现象，从而严重影响核电厂的安全运行。

图2　变压器星形三角形联结方式

2.2　220 kV辅助变压器采用星形联结方式

对于220 kV辅变采用星形联结方式的情况，如图3所示，由于变压器低压侧为星形，此时在高压侧输电线路发生单相断线故障且供厂用电的情况下，辅变低压侧也会缺相运行，即核电厂厂内电力系统缺相运行。

图3　变压器星形联结方式

2.2.1电动机静止时缺相启动分析

电动机静止时，采用星型接法，三相电源断一相相当于两相电源，这样电动机定子绕组无法形成旋转磁场，转子也就无法产生感应电流，电机一直处于堵转状态无法起动。

2.2.2电动机运行时缺相分析

电动机正常运行时，星型接法的电动机，电动机三相正常运行额定功率为：

式中：1——相电压；

L——线电压；

N——电动机的额定电流；

cos——功率因数。

在发生单相断线故障时，如图1所示，以A相断线为例，则会形成另两相绕组串联接在电源单相线电压L下，每相绕组相电压2=0.5L，若电动机在额定负载下运行，2为电动机缺相运行相电流，则其运行功率为：

由以上两式可得，在额定功率运行下的电动机发生单相断线，其相电流为：

2.2.3电动机缺相运行保护动作分析

由于过负荷保护采用反时限保护的方式，保护动作时间仍需要计算，本文以当前国内M310核电厂广泛采用的电动机保护装置ABB SPAM150C为例，根据其过负荷保护动作时间公式计算得出电动机过负荷保护动作时间。

根据ABB SPAM150C产品手册，过负荷保护动作时间计算公式[5]如下：

式中：——计算跳闸时间；

——热耗加权系数，取50；

——最终导致跳闸的过负荷电流。

将公式（9）代入公式（10），在发生单相断线故障时，电动机的过负荷电流动作时间为：

通过以上分析可知，当M310及其改进型核电厂220 kV输电线路发生单相断线故障时且辅变联结方式为星形联结，中压交流配电系统相关保护无法识别并隔离故障，核电厂中压交流配电系统长期处于带故障运行模式，而核电厂内由该故障配电系统供电的安全级交流中压配电系统也处于故障模式，在该故障状态下，安全级中压电动机的过负荷保护普遍在40 s之后动作，其结果表明核电厂非安全级配电系统的单相断线故障可蔓延至核电厂安全级配电系统，并导致核电厂安全级设备的停运，从而影响核电厂的安全稳定运行。

3　应对措施

通过前文分析，当核电厂220 kV辅助电源发生单相断线故障时，线路保护无法识别并切除该故障，220 kV辅助电源长期带故障运行，若此时操作人员无法干预，则核电厂安全级中压电动机存在烧毁或者被保护切除可能，此情况可导致核电厂安全级中压电机功能的丧失，对于核电厂的安全稳定运行产生不利的影响。针对以上情况，并结合国内M310及其改进型核电厂的实际，本文提出了建议的应对措施，以避免220 kV辅助电源单相断线故障对核电厂安全级设备的影响。

（1）通过电源切换由应急柴油发电机供电。当前国内M310及其改进型核电厂应急柴油发电机启动判据普遍为采用符合逻辑的应急母线失压判据，即采用3相电压取3相电压或取2相电压的符合逻辑方式启动应急柴油发电机。在这种情况下，中压配电系统发生单相断线故障则无法启动应急柴油发电机。

本文建议可将应急柴油发电机的启动判据修改为三取一模式，即通过采集安全级中压母线单个线电压作为应急柴油发电机的启动判据。在220 kV线路发生单相断线且辅助变为星形联结的情况下，应急柴油发电机组启动，并按照M310核电厂应急柴油发电机的启动带载程序执行电源切换，将核电厂安全级中压母线切换至由应急柴油发电机供电，该切换时间普遍在15 s以内，从而避免了非安全级电气系统单相断线故障蔓延至安全级电气系统的情况发生。

但是，该方案仅适用于220 kV辅助变压器为星形联结的情况。

（2）加快应对单相断线故障的继电保护装置的研发。可考虑在220 kV变电站增加利用零序电流与断线前的负载电流比值的突变量算法来整定的保护。该保护仅通过改变微机保护的算法即可实现。这样，线路微机保护就具有较完善的单相单纯断线保护功能。由于零序电流与负载电流比值的突变量并不受负荷电流大小的影响，线路无论重载运行还是轻载运行、无论单相断线接地还是单相单纯断线，保护均能灵敏动作，切除故障线路。

（3）核电厂主控制室增设厂外电参数监测设备，如开关站三相电流显示等。以便主控室操作人员对于电气系统故障状态的及时判断，同时应展开相应培训，加深操作人员对于单相断线故障模式的理解，以便操作人员能够及时人工干预应对相应故障。

4　结论

本文对国内M310堆型及其改进型核电厂厂外220 kV辅助电源发生单相断线故障展开研究，分析了该故障产生的影响，根据分析结果，提出了应对策略。从而得出以下结论：

（1）当前国内M310堆型及其改进型核电厂厂外输电线路发生单相断线故障时，其线路保护装置无法响应并切除故障线路，系统将带故障长时间运行。

（2）在M310及其改进型核电厂220 kV辅助电力系统发生单相断线故障并带厂用电运行时，核电厂安全级中压电动机存在过热烧毁或者退出运行的风险，使安全级电动机无法执行其安全功能。

（3）建议适当修改应急柴油发电机的启动判据，在单相断线故障引入厂内配电系统时，应急柴油发电机可以应急启动，并经过相应延时之后进行电源切换，实现安全级负荷由应急电源供电，从而可避免非安全级中压交流配电系统单相断线故障对于安全级电气系统的不利影响，防止故障由非安全级电气系统向安全级电气系统的蔓延，可使核电厂继续安全稳定运行。

［1］ 盛方正，陈子聪，陈晓炯．中性点不接地系统单相断线故障分析及对策研究［J］．供用电，2011，28（3）：43-45．

［2］ 袁浩，王琰，倪益民，等．高压线路保护非全相运行状态下的考虑［J］．电力系统自动化，2010，34（20）：103-107．

［3］ 王庆红，龚婷．福岛核电事故分析及其启示［J］．南方电网技术，2011，5（3）：17-22．

［4］ 周克峰，郑继业，冯进军，等．全厂断电情景下M310核电厂缓解措施分析［J］．原子能科学技术，2014，48（8）：1464-1472．

［5］ ABB SPAM150C电动机保护继电器用户手册及技术说明［R］．厦门ABB输配电自动化设备有限公司，1997．

The Analysis of Single Open-phase of 220 kV Standby Off-site Power Supply of M310 Nuclear Power Plant in China

ZHANG Qi，KONG Jing，CHEN Zixi

（Nuclear and Radiation Safety Center，Beijing 102400，China）

The single open-phase ungrounded fault of the electrical system in nuclear power plants is difficult to be detected and also the relay protection device is not sensitive，as a result，the nuclear safety risk caused by the fault is also very high．Based on the characteristics of M310 and its improved nuclear power plant electrical system and combined with the characteristics of single open-phase ungrounded fault，this paper points out that the single open-phase fault of 220 kV standby offsite power supply transmission line is the electrical system with the highest probability of occurrence and causing the most serious nuclear safety risk．This paper makes a quantitative analysis with method of symmetrical components on the single open-phase ungrounded fault of the off-site standby 220 kV transmission line in M310 nuclear power plants，and expounds the reasons why the off-site standby 220 kV power system of nuclear power plants cannot completely deal with the fault according to the analysis results．At the same time，the risk and harm of the fault to the safe and stable operation of the safety class electrical system in the nuclear power plant are analyzed in detail．At last，some suggestions are put forward for dealing with the possible nuclear safety risks．

Nuclear Power Plant；Safety-class；220 kV standby power supply；Single Open-phase；Electric motor

TL364

A

0258-0918（2021）03-0527-06

2020-12-27

张奇（1983—），男，山东德州人，硕士，高级工程师，现主要从事核电厂电气系统安全审评方面研究