电网瞬间故障对秦山核电二厂机组运行的影响

黄显威 曹先慧 高进昌 景志明

（中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴 314300）

0 引言

近年来，秦山核电二厂3/4机组多次出现因电网波动或电网故障引起的机组扰动，甚至造成机组瞬态。2020年1月1日至12月31日，3、4号机组DEH中有记录到的“MW SENSOR ALARM”报警（功率变送器测量偏差大于6MW）达85次。国内曾发生过多起因电网瞬时故障而导致的汽轮机汽门快控功能动作的事件，对机组的安全运行造成严重影响，甚至造成多台机组同时全停的后果。某核电厂2019年因外电网短时故障，导致汽机调门短时快关，GCT开启，最终导致停堆。二厂3/4号汽轮发电机组同样具备汽轮机再热调节阀快关的功能，在电网瞬间故障时同样可能引起汽轮机再热调节阀的快关。因此，为减少机组瞬态，有必要分析电网瞬间波动对秦山核电二厂机组的影响，以便提出改进措施。

1 CIV功能控制

CIV功能（快关再热调节阀）保护的是发电机部分甩负荷，表现为汽机功率和发电机功率之间不匹配，为了避免不匹配引起超速，当探测到汽机功率（低压缸进汽压力）超出电功率80%时CIV命令发出，使再热调节阀快速关闭0.5 s，之后重新开启，如果这种不匹配还存在，10 s后再热调节阀则再次动作，直到功率不匹配信号消失为止。CIV信号作用于再热调节阀执行机构块上的电磁阀，该电磁阀动作引起卸载阀开启而使再热调节阀关闭。CIV信号不作用于OPC电磁阀，所以OPC母管没有卸压，OPC动作信号也不会出现；其意义在于保护电网频率的稳定，防止OPC动作。

汽机功率大于电功率80%则触发CIV信号。汽机功率是取自低压缸进汽压力的3个压力表GPV033/034/035MP。满量程为898 KPa，三个测量值中取中间值参与控制，满功率运行时为848 KPa（冬季）和860 Kpa（夏季）。电功率是通过4个有功功率变送器A、B、C、E，A与B为一组，C和E为一组；每组取小值输出，两组的输出取大值参与CIV控制。MW传感器满量程为700 MW，满功率运行时对应的测量值为670 MW（冬季）和650MW（夏季）。

如果发电机甩部分负荷，要触发CIV，发电机至少甩负荷到x，对于夏季，则：

计算可得x≤110 MW；

同样对于冬季满功率情况下，x≤101 MW。

当出现下列任一信号时，闭锁CIV信号触发：

（1）MW传感器故障（A与B偏差大于20MW；或C与E偏差大于20MW，会退出MW反馈）。

（2）低压缸进汽压力传感器故障。

（3）CIV手动禁止。

（4）汽机跳机。

CIV信号每次触发后会将DEH切至转速控制的快速调节通道，保持1s，防止主调门开大。

故障导致的汽轮发电机组孤岛运行，本文不做讨论，因此在汽轮发电机组并网情况下要引起汽机调门快关，一是发电机的部分甩负荷，导致再热调节阀快关；二是并网下汽轮机转速超过3 090 rpm，导致OPC动作使汽机主调阀和再热调节阀均关闭。当前电网都是大电网系统，电网保护系统也已相当成熟，电网瞬间故障情况下使汽轮机转速升至3 090 rpm可能性极小，本文也不做讨论。因此，电网瞬间故障导致汽机调门快关的最可能原因是汽机CIV（快关再热调节阀）动作。

2 电网瞬间故障引起CIV动作机理分析

如前节所述，使汽机触发CIV（快关再热调节阀）动作，需满足在并网条件下，汽机功率大于电功率80%。

在正常功率运行时，导致电功率突然下降的情况有三种：

（1）部分甩负荷。对于秦二厂机组来说，部分甩负荷发生在机组的两个500KV出线开关一个跳闸，这种情况下发电机瞬时降功率，降功率的多少取决于两个开关初始分配的负荷大小；甩负荷至小于101MW时CIV动作；

（2）全部甩负荷；机组的两个500KV出线开关全部跳闸，这导致机组全部甩负荷，但会产生未并网信号，CIV被禁止，OPC保护动作；或者500KV开关站4条出线跳开，机组甩全部负荷，这将导致CIV动作。

（3）电网发生故障引起电网波动，导致MW传感器输出畸变，所测的功率大幅波动。这种情况下，电网出现瞬时故障对机组的发电外送影响很小；虽然电气侧功率变化幅度不大，但是DEH侧功率变化剧烈，导致所测的电功率小于汽机功率80%，从而使CIV动作条件得到满足。

据文献[1]介绍，该文献中所列三个汽门快控误动作事件均为电网瞬间故障导致的功率变送器输出畸变引起。该文献经试验验证部分功率变送器在其输入值发生快速变化时，输出值会发生严重畸变，放大了电网故障信息，这是造成诸多机组汽门快控功能误动作的根本原因。

由于功率变送器的数据采集和信号处理及算法不同、接线方式和生产厂家不同、故障时间不同等原因，其电压和电流输入值发生快速变化时，功率变送器输出值会发生不同程度畸变。当电网发生内部短时故障、接地故障或者其他涌流冲击，特别是发生接地故障时电流可能为额定电流的10倍以上，测量CT的铁芯饱和，一般常规功率变送器的输出会产生无规则的畸变。将功率变送器由三相三线制改为三相四线制，会降低信号畸变的幅度。文献[2]分析表明，FPWK-301D数字式变送器，响应迅速，工作稳定，线性度和精确度好，抗干扰性强，使用该数字式功率变送器能滤除短时涌流等偶发性负荷变动，弥补了常规功率变送器的不足。

二厂4台机组采用的功率变送器为3相4线制，为浙江涵普电力科技有限公司生产的，有功变送器型号为FPWT-301，有功无功变送器为FPWK-301。虽然功率变送器已较传统的三相三线制更稳定精确，但并不能完全消除电网故障造成的影响。

3号机组在2011年出现三次因电网扰动导致4个功率传送器测量偏差大于20MW，从而导致MW回路退出情况。

在电网故障瞬间，功率变送器同样会出现输出畸变导致所测的电功率波动，而此时调门开度未改变，汽机功率不变，在满功率运行情况下，若功率变送器输出波动至110MW（夏季）或101MW（冬季）以下，则会满足CIV动作条件，导致CIV动作。

3 CIV动作的影响

本节中CIV动作的理论分析初始条件以3/4号机组夏季满功率时电网瞬间故障导致所测电功率在瞬间失真后恢复正常，CIV仅触发一次情况。夏季满功率情况下参数为：电功率645MW；流量请求97%，核功率99.5%，主调门开度53%。

3.1 调门动作情况

在由于电网瞬间故障导致MW传感器瞬时输出畸变，然后恢复正常。畸变时所测的电功率低于阈值时，CIV触发，6个再热调节阀迅速关闭，持续关闭0.5s。

CIV信号触发后，将DEH由功率控制切至转速控制的快速调节通道，保持1s，而在并网情况下，发电机转速将一直维持在3 000rpm，因此，再热调节阀关闭期间，即使电功率降低，主调阀将保持开度不变。

再热调节阀关闭0.5s后重新开启。3/4号机组的再热调节阀无快开信号，根据调门试验时的记录，再热调节阀开启时间在8～15s左右。1、2号机组在CIV动作后开启为快开信号，快开时间2s。CIV信号1s后，DEH转为功率控制，此时再热调节阀还未完全开启，实测功率未达到Setpoint值，主调门将开大。其最终开度为流量请求为97.5%对应的开度。

3.2 电功率变化

CIV瞬间触发后，再热调节阀关闭期间，汽轮机机械功率迅速下降，发电机实际电功率迅速下降。根据模拟机试验结果，当6个调节阀全部关闭后，发电机功率迅速下降至170MW左右。

在触发的1s时间内由于切换为转速控制，因此电功率在这1s内维持不变。当1s后，DEH切回功率控制，此时再热调节阀正在开启中，开启过程需8s，此时仅开启了0.5s，所以这时候再热调节阀开度很小，此时电功率仍然很低，远低于Setpoint值645MW。

DEH中实际所测电功率与流量请求折算出的电功率之差大于70MW时，延时1s退出MW反馈。

因此，在CIV动作1s后恢复至功率控制后，MW反馈会因实测值与要求值偏差大于70MW而退出。当MW反馈退出后，Setpoint值将设置为当前流量请求97%*700=679MW（当前流量请求在MW反馈退出前的1s内会增加），而此时再热调节阀尚处于开启中，实际功率远达不到679MW，流量请求将增大，主调门开度将增大，当流量请求增大到97.5%时，达到输出限值，主调门停止开大，之后随着再热调节阀的开启，主调门逐渐关小，最终将电功率维持在679MW。电功率后续变化将由3.3节Runback决定。

3.3 核功率

由于电功率的增加，核功率将增大至原来的679/645=1.053倍，初始核功率为99.5%时，最终核功率将到达104.8%。

反应堆保护系统设置有超功率△T保护，有两个定值，第一个为实测△T达到超功率△T设定值，动作为停堆停机；第二个为C4信号，定值为超功率△T设定值-3%，动作为Runback信号，汽机以200%Pn/min速率降负荷每次持续0.5 s，两次中间停14.5 s。正常满功率运行时超功率△T的设定值为107%左右，C4信号定值为107%-3%=104%左右。因此，当MW反馈退出后核功率增加至104.8%时，已超于C4值，导致机组Runback，进一步增大机组瞬态。

3.4 GCT-c动作情况

GCTc在初始为温度模式，GCTc阀门开启的条件为C7A触发，即汽机功率在2min内下降15%功率。

当CIV触发时短时电功率下降至170MW，虽然汽机功率下降幅度远超15%，但是，C7A信号是来自汽机冲动级压力GRE023/024/025/026MP的次高选。这4个表引自高压缸第一级叶片后的蒸汽压力。CIV动作时，再热调节阀关闭，主调门开度未改变，因此，汽机冲动级压力未改变，C7A信号不会触发，因此GCTc也不会开启。

再热调节阀关闭的0.5s内，高压缸的排出蒸汽将积聚在汽水分离再热器MSR内。经计算，0.5s时间内的排至MSR的蒸汽量为0.52t，导致MSR壳侧压力短时升高。

3.5 1/2号机组CIV动作情况

1/2号机组与3/4号机组的不同处在于CIV导致再热调节阀关闭0.5s后重新开启，1/2号机组设置有快开电磁阀，快开时间约2s，3/4号机组再热调节阀无快开功能，开启时间约8～15s。当6个再热调节阀同时开启时，GFR油流量将增加，相应的GFR油压将降低。经试验，6个再热调门关闭0.5s后快开时，EH母管油压、AST油压快速下降，主汽门关闭3 s后开启。3、4号机组无快开电磁阀，但在汽机挂闸时6个再热调节阀会同时开启，GFR母管油压下降约0.5Mpa，对GFR基本无影响。

因此，当CIV动作时，1/2号机组GFR油压大概率会降低至停机值。若GFR油压未降低至停机值，主调门因油压降低导致关闭3s，再热截止阀也关闭，电功率突降为0；同时C8（汽机停机）信号误触发，最终功率整定值在20%Pn，GCTc快开，控制棒快速下插。但DEH中电功率整定值并未改变，主调门开度接近全开，在GFR油压恢复后，主汽门开启，汽机功率急速上升，在此过程中有大概率将因蒸发器水位波动而停堆。

4 电网瞬间故障时CIV触发后的动作序列

基于本文第3节的理论分析，对于秦二厂，在电网发生瞬间故障时最有可能的动作序列。

5 秦二厂CIV保护的建议

经前文分析，在电网瞬间故障时，DEH功率变送器可能因为电网扰动导致输出畸变，从而导致机组CIV动作，当CIV触发后，1、2号机组会因再热调节阀快关后快开导致GFR油压降低，导致停机，甚至停堆；3、4号机组会因MW反馈的退出导致反应堆超功率触发runback。在CIV触发后会引起机组大的瞬态，故，对秦二厂CIV提出以下建议。

5.1 取消秦二厂机组CIV功能

CIV保护的是在机组并网时，防止机组超速。在发电机组仍然并网，而电网侧有出线跳闸，但仍然有其他出线和联络线正常运行时，目前的电网构架看，电网频率不可能存在大幅上升（一次调频动作）。因此CIV保护就没有必要动作；而且，当在发电机组仍然并网，而电网侧出线、联络线全部跳闸这种极端工况（孤网运行）下，OPC可以保护动作。

对于电网来说，目前的电网网架实际已足够大，当电网瞬间故障时，其自身能够快速动态稳定，不需要通过发电机组的保护来改善电网的动态特性，保护的误动作反而影响电网稳定[3]。

在目前国内火力发电厂和核电厂DEH系统的控制和保护系统的验收准则中均无CIV保护功能相关要求，目前哈汽设计的大机组如超临界/超超临界机组的控制系统均CIV保护功能。

基于以上原因，可以取消秦二厂的CIV保护逻辑功能。

5.2 采用更可靠的功率变送器

当前4号机组频繁出现因电网扰动导致的“MW SENSOR ALARM”报警，3、4号机组在电网瞬间故障时测得的功率也大幅波动。对目前市场进行充分调研，采用更为先进可靠的功率变送器，如智能型数字变送器，或优化功率变送器的逻辑，使功率变送器的输出更为可靠稳定，减少机组因电网故障导致的瞬态。

5.3 优化3/4号机组MW反馈退出时Setpoint设定逻辑

3/4号机组在MW反馈退出时，将Setpoint设定为MW退出前的流量请求值*700。因3、4号机组在夏季满功率运行时，机组效率较差，流量请求值偏大，为97%左右，在MW反馈退出时Setpoint设置为679MW，导致一回路超功率。鉴于此，可优化MW反馈退出时Setpoint设定逻辑：在MW反馈退出时，Setpoint设定在当前功率值。这将大大减小机组的瞬态。

5.4 取消1、2号机组的再热调节阀快开功能

当CIV触发后，相比于1、2号机组快开导致GFR油压降低，造成停机甚至停机的影响，3、4号机组导致的短时超功率后进行Runback，瞬态较小，因此可以取消1、2号机组再热调节阀的快开逻辑。

6 结语

在秦山核电二厂机组当前的保护配置下，电网瞬间波动是可以引起机组发生瞬态，轻则导致汽机功率速降，重则导致机组停机停堆。基于此，取消秦山核电二厂CIV的保护逻辑很有必要。同时，对其它核电机组也有很大的参考意义。