秦山核电厂发电机惰走保护的改进与试验
王东博，张 旭，钱厚军，陈富杰，黄贵鑫，沈唯威，赵英男
(中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300)
核电厂正常运行期间，若出现全厂失电或主泵电源异常跳闸将引发反应堆一回路主泵转速降低，反应堆冷却剂流量下滑，反应堆堆芯热量无法及时导出，燃料棒温度将持续升高，因此引发反应堆冷却剂温度进一步升高，反应堆压力容器压力升高，若无进一步干预措施，将引起燃料包壳烧毁，堆芯熔化等重大核安全事故。因此维持主泵的正常运转在核电厂运行中具有重大意义。秦山核电厂在发变组保护模块中设计了特有的发电机惰走保护，保障在事故状态时汽轮机主汽门关闭状况下汽轮发电机仍可利用剩余惯性惰走能量保障主泵供电，直至电压、频率等不满足主泵运行条件后切除发电机，改用其他方式带厂用电运行，从而延长主泵等负荷冷却反应堆的时间。2018年秦山核电厂OT-118大修中对发变组保护进行变更改造，本次改造优化了发电机惰走保护，提高了保护的可靠性和选择性。
秦山核电厂一次系统主接线图如图1所示。
图1 秦山核电厂一次系统主接线图Fig.1 The main wiring of the primary system of Qinshan NPP
其中2P59线和2428线为电厂送出线路，当电网异常波动或外线路故障导致两条出线均跳闸，或出线开关2001M异常跳闸时，汽轮机(Digital Electric Hydraulic Control System，简称DEH，是汽轮机数字电液控制系统，通过控制汽轮机主汽门和调门的开度，实现对汽轮发电机组的负荷、压力、转速等的控制)根据机组运行条件判别逻辑，此时DEH由负荷控制模式切换至转速控制模式，DEH迅速调节汽轮机主汽门位置，如果由于主给水调节阀调节异常导致蒸发器水位过高停机或蒸发器水位过低停堆，或在甩负荷瞬态下汽轮机转速达3090 r/min时，OPC汽轮机超速保护控制单元(Over speed Protect Controller,简称OPC)未动作或在汽轮机转速3300 r/min时电超速保护未动作，导致汽轮机超速引发停机，则发变组保护启动惰走保护。
秦山核电厂快切装置为双套配置，每套装置含有两种不同切换方式，可根据运行要求进行切换方式的选择。其一为605/603,606/604自动切换方式，跳开工作段进线开关605/606，合上启备变进线开关603/604，即全切模式。其二为630/603,640/604自动切换模式，跳开工作段和公用段联络开关630/640，合上启备变进线开关603/604，即半切模式，目前本厂正常运行条件下采用此种切换方式。
1.1 1987年发电机惰走保护分析
1987年秦山核电厂主接线图与图1基本一致，但运行方式有所不同。6 kV厂用电工作I、II段由高压厂变带载运行，6 kV公用I、II段，安全I、II段由高压启备变带载运行，其中工作段、公用段联络开关630、640在热备用状态，两台220 kV变压器分列运行。根据惰走保护逻辑图(图2)所示， 在220 kV母线低电压，停堆或停机信号，且发电机未出现逆功率的条件下，惰走保护启动，此时跳出口断路器2001M，同时闭锁快切。此时快切采用半切模式(断开工作段进线开关605/606，合上联络开关630/640)。
图2 惰走保护逻辑图Fig.2 The logic of generator coasting operation protection
故障状态下，发电机惰走保护启动闭锁快切，保障发电机惰走能量全部供给至工作段负荷，保障主泵的持续运行。待发电机频率低于46 Hz后，发电机解列，同时跳开工作段进线开关。由此可得出结论：在该运行条件下，惰走保护逻辑合理。
1.2 2003年发电机惰走保护分析
2003年发变组保护由电磁式保护改为微机式保护ABB RET521型，其中惰走保护启动沿用1987年逻辑，即在惰走开始启动时闭锁快切。但2003年发变组改造时，秦山核电厂厂用电运行方式已发生改变，正常运行时，公用I、II段进线开关603/604在热备用状态，公用I、II段由工作段母线经联络开关630/640带载运行。此时发生故障，惰走启动即闭锁快切，将造成发电机在惰走期间同时带工作段、公用段、安全段全部负荷运行，由于丧失汽轮机动力，发电机转速将持续下降，电能质量下降，电压及频率均降低，直接影响下游负荷的正常运行。低电压情况下，将造成海水泵、安注泵、喷淋泵等负荷无法正常启动。影响机组的安全稳定运行。待惰走结束后，发变组保护跳开出口断路器2001B并解列灭磁，同时待运行人员手动复归快切装置后，快切恢复正常工作状态，检测工作段电压低于定值后，启动切换，断开630/640联络开关，合上603/604开关，公用段由启备变带载运行；
若启备变不可用，快切将闭锁切换功能，由应急柴油发电机提供厂用电源。
在发电机惰走期间，保护已闭锁快切，快切装置需要运行人员手动复归才可正常工作。惰走结束后发电机解列灭磁，若此时运行人员未能及时复归快切装置，将造成全厂失电的重大停电事故。公用段母线电压跌至2.4 kV时，将引起公用段负荷低电压保护跳闸。安全段电压跌至4.41 kV时，将引起柴油机发电机应急启动，若此时发电机尚在惰走状态时，将引发发电机逆功率等故障，直至应急柴油发电机过载导致跳闸，引起事故进一步扩大。由此可发现，在这种运行方式下，惰走保护逻辑不合理。
针对原惰走保护逻辑，对新保护逻辑进行优化，如图3所示。
图3 新惰走保护逻辑图Fig.3 The new logic of generator coasting operation protection
(1)增加孤岛运行模式。将2001M和2001B开关双位置接点(一组常开，一组常闭)分别引入至保护装置，在确保2001M正确分闸，2001B正确合闸条件下，机组进入孤岛模式，即发电机甩开外电网，仅带厂用电运行。若发电机能够维持住3000 r/min，机端电压维持在18 kV，可待厂外电源恢复或消除外线路故障后，通过同期装置合闸2001M开关，从而恢复正常并网运行模式。孤岛运行模式设置单独光子牌，以便提醒运行操作人员的正确操作。
(2)入口条件优化。相较于2003年惰走保护，原逻辑增加孤岛运行状态，确保在机组进入孤岛运行方式后，出现停机/停堆信号，且未发生发电机逆功率条件下，启动发电机惰走保护开始逻辑。提高惰走保护的可靠性，降低保护误动概率。
(3)出口方式优化。将原出口方式“闭锁快切”变更为“启动快切”，发电机进入惰走状态时，发电机是不可靠的，发电机仅需要以惰走能量带工作段主泵运行即可，同时发变组保护装置触发启动快切信号，若此时启备变正常，将根据快切装置切换逻辑把除工作段以外其他负荷全部切至启备变带载运行；
若此时启备变异常(由快切装置逻辑判断)，则闭锁快切切换逻辑，此时将由核电厂专设逻辑根据安全段电压情况判断是否触发“失电”逻辑，后续将启动应急柴油发电机，由应急柴油发电机带安全段运行，确保反应堆安全。
(4)惰走结束跳闸出口优化。惰走结束后，增加跳工作段进线开关605/606，降低运行风险。
1991年，作为中国向国外出口的第一座核电站，巴基斯坦恰希玛核电厂1～4号机组中发电机惰走保护采用的保护逻辑与1987年秦山核电厂基本一致。由恰希玛核电厂一次主接线图4(以2号机组为例，其他机组类同)中由惰走保护逻辑图5可分析，当220 kV、132 kV系统均出现故障，且发电机惰走保护启动时，保护将闭锁厂用电源切换。由于外电网均已不可靠，仅由发电机惰走惯量给厂内负荷供电，保障主泵的运行，并在发电机频率低于45 Hz条件下跳开GCB(Generator Circuit-Breaker发电机出口断路器)，由应急柴油发电机向厂内负荷提供电源。
图4 恰希玛C-2核电厂主接线图Fig.4 The main wiring of the primary system of CHASNUPP 2
图5 恰希玛C-2核电厂惰走保护逻辑图Fig.5 The logic of generator coasting operation protection in CHASNUPP 2
快切保护逻辑中，若工作电源与备用电源均发生故障，则快切保护将自动闭锁切换，并于备用电源恢复时自动解除闭锁。若132 kV辅助变进线电源仅为瞬时故障，此时发电机已经开始惰走条件下，惰走保护闭锁快切，即在快切本可正常进行切换时而无法进行厂用电切换(保护闭锁快切需手动复归，所需时间较长)，这将给机组带来一定的运行隐患。因此在现有保护逻辑下，无需保护出口闭锁快切，由快切装置自身逻辑判断即可。220 kV系统和132 kV系统故障时，快切装置启动闭锁逻辑，发电机惰走开始，若132 kV系统未在发电机惰走期间恢复，即可在惰走结束后跳开GCB开关解列灭磁，若132 kV系统在发电机惰走期间恢复，即可正常启动快切逻辑，保障厂用电负荷的正常运行。
改造后，秦山核电厂在启机后分别在50%、100%功率平台进行发电机甩厂外负荷试验。在功率平台下，运行人员将调节棒T4控制在高位，确认DEH上IMP、MW信号正确后，手动断开2001M出线开关，汽轮机DEH迅速调节主汽门位置，调门开度下降至8.4(50%FP)、9.4(100%FP)，发电机转速控制在3000 r/min并保持稳定，未出现汽机超速现象。主控室报“孤岛模式”运行，AVR迅速调节发电机机端电压，使其稳定在18 kV，发电机带厂用电正常运行，未发生发电机惰走情况，发变组保护响应正确。
本文通过对历次发电机惰走保护的改造进行总结并分析，在此基础上提出一种新的惰走保护逻辑，并于改造中验证，满足当前运行条件，贯彻了核电厂纵深防御安全管理及技术理念。同时分析同类型电厂惰走保护逻辑，提出设计优化方案。针对于其他核电厂的不同类型的运行方式，需要进行更进一步理论分析和验证。
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