核電站中微機(jī)型繼電保護(hù)裝置的運(yùn)用及優(yōu)化建議論文
引言
隨著微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)型繼電保護(hù)裝置在工程中的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。某核電站引入了微機(jī)型繼電保護(hù)裝置應(yīng)用于ECS（主交流電源）系統(tǒng)中低壓部分的保護(hù)與控制。ECS系統(tǒng)中壓母線電源引自UAT（廠用變）、RAT（備用變）和DG（柴油發(fā)電機(jī)組，僅核島母線），對(duì)應(yīng)的進(jìn)線斷路器分別為M1進(jìn)線斷路器、M2進(jìn)線斷路器和DG進(jìn)線斷路器。本文將針對(duì)裝設(shè)在M1進(jìn)線斷路器、M2進(jìn)線斷路器和DG進(jìn)線斷路器開(kāi)關(guān)柜中的微機(jī)型繼電保護(hù)裝置的應(yīng)用，對(duì)比采用微機(jī)型繼電保護(hù)裝置與采用傳統(tǒng)核電站繼電保護(hù)和控制設(shè)備的異同，并就國(guó)產(chǎn)化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)提出相關(guān)改進(jìn)建議。
1 功能應(yīng)用
某核電站采用美國(guó)SEL公司的微機(jī)型繼電保護(hù)裝置，在M1進(jìn)線斷路器、M2進(jìn)線斷路器和DG進(jìn)線斷路器開(kāi)關(guān)柜中裝設(shè)SEL-351微機(jī)型繼電保護(hù)裝置（以下簡(jiǎn)稱SEL裝置），它們集成了繼電保護(hù)、 同期監(jiān)控及邏輯控制功能。
�。�1）過(guò)電流保護(hù)。配置反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)（51）和接地故障保護(hù)（51G），通過(guò)測(cè)量回路電流，在電流和持續(xù)時(shí)間超過(guò) 整 定 值 時(shí)，SEL裝 置 觸 發(fā) 出 口 繼 電 器 （86M1/86M2），使母線上所有斷路器分閘，并閉鎖這些斷路器。只有故障排除且在SEL裝置面板上手動(dòng)復(fù)位后，繼電保護(hù)跳閘信號(hào)才會(huì)消除。
�。�2）低電壓保護(hù)。測(cè)量母線、電源電壓，當(dāng)兩者均低于30%額定電壓時(shí)，使相應(yīng)進(jìn)線斷路器分閘。
�。�3）斷路器失靈保護(hù)。在收到保護(hù)跳閘信號(hào)后，若故障持續(xù)存在，則認(rèn)為相應(yīng)進(jìn)線斷路器失靈，無(wú)法切除故障。SEL裝置觸發(fā)裝設(shè)在另一個(gè)進(jìn)線斷路器柜內(nèi)的出口繼電器使母線上所有斷路器分閘，并閉鎖這些斷路器。
�。�4）斷路器允許合閘判斷。在下列情況下允許M1/M2進(jìn)線斷路器合閘：母線不可用，進(jìn)線電源可用；母線可用，進(jìn)線電源可用，電源倒換條件（同期監(jiān)控）滿足；母線可用，DG電源可用，電源倒換條件（同期監(jiān)控）滿足。判斷母線和電源可用與否的條件：可用時(shí)，電壓不低于90%額定電壓；不可用時(shí)，電壓不高于30%額定電壓。
�。�5）自動(dòng)切除并聯(lián)斷路器。M1（M2）收到合閘命令并合閘30s后，若M2（M1）進(jìn)線斷路器未分閘，則向其發(fā)出分閘命令。
�。�6）啟動(dòng)DG同期。UAT（RAT）電源恢復(fù)后，為了滿足允許合閘條件，使進(jìn)線斷路器順利合閘，命令DG根據(jù)UAT（RAT）電源進(jìn)行同期。
（7）故障快速切換與殘壓切換（僅適用于M2進(jìn)線斷路器）。在收到電源切換命令后， 通過(guò)同期監(jiān)控與邏輯判斷，若滿足快速切換條件，則在0.2s內(nèi)允許母線快速切換。若在0.2s內(nèi)母線快速切換失敗，則在0.2s后僅允許殘壓切換。
�。�8）DG保護(hù)停機(jī)。在監(jiān)測(cè)到故障或收到DG停機(jī)信號(hào)后，向DG發(fā)出停機(jī)命令。
�。�9）DG運(yùn)行模式更改。當(dāng)DG處于試驗(yàn)?zāi)Ｊ綍r(shí)，若收到母線快速切換啟動(dòng)信號(hào)或斷路器分閘命令，則使DG退出試驗(yàn)?zāi)Ｊ蕉臑閭溆媚Ｊ健?/p>
�。�10）啟動(dòng)DG同期。在DG進(jìn)行并網(wǎng)試驗(yàn)時(shí)，啟動(dòng)DG同期功能，使DG根據(jù)母線電源進(jìn)行同期。
2 與傳統(tǒng)繼電保護(hù)及控制方案的比較
其它核電站的中壓系統(tǒng)一般采用傳統(tǒng)的繼電保護(hù)及控制方案，其繼電保護(hù)、同期監(jiān)控、邏輯控制等功能分別通過(guò)繼電保護(hù)裝置、電壓繼電器、同期監(jiān)控裝置和中間繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此SEL裝置與傳統(tǒng)繼電保護(hù)和控制方案存在不同。
�。�1）繼電保護(hù)功能方面，SEL裝置與傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置一致，配置過(guò)電流保護(hù)（51）、速斷保護(hù)（50）等保護(hù)功能，在電流/時(shí)間達(dá)到整定值時(shí)，保護(hù)繼電器邏輯輸出為“1”.
�。�2）同期監(jiān)控功能方面，SEL裝置內(nèi)配置的電壓、頻率、相角監(jiān)測(cè)裝置，通過(guò)邏輯計(jì)算，在滿足同期設(shè)置條件時(shí)，其同期繼電器邏輯輸出為 “1”;傳統(tǒng)控制方案需配置單獨(dú)的同期監(jiān)控裝置，對(duì)母線電源同期倒換和事故切換進(jìn)行監(jiān)控[1,2].
�。�3）控制功能方面，SEL裝置通過(guò)邏輯編程，結(jié)合自定義的輸入端口信息、繼電保護(hù)及同期繼電器信息，對(duì)斷路器進(jìn)行邏輯控制；傳統(tǒng)控制方案通過(guò)中間繼電器、時(shí)間繼電器等對(duì)斷路器進(jìn)行邏輯控制。
（4）通信功能方面，SEL裝置能夠通過(guò)通信協(xié)議與DCS傳輸信息；傳統(tǒng)控制方案通過(guò)硬接線與DCS傳輸信息。
采用這兩種不同方案，M1進(jìn)線斷路器、M2進(jìn)線斷路器和DG進(jìn)線斷路器開(kāi)關(guān)柜中需裝設(shè)的設(shè)備對(duì)比見(jiàn)表1,采用SEL裝置后繼電器數(shù)量顯著下降。
3 微機(jī)型繼電保護(hù)裝置同期監(jiān)控功能原理
將繼電保護(hù)功能與同期監(jiān)控功能結(jié)合，是SEL系列產(chǎn)品與傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置最大的區(qū)別。
SEL裝置內(nèi)置同期繼電器（25）的邏輯如圖1~3所示，同期輸入?yún)?shù)定義見(jiàn)表2,在AP1000核電項(xiàng)目中同期整定值定義和設(shè)定見(jiàn)表3,同期判斷需經(jīng)過(guò)2個(gè)過(guò)程。
3.1電壓和滑差判斷將輸入電源（VP、VS、VA）的電壓幅值與電壓整定值（25VLO、25VHI）比較。若電源電壓幅值在規(guī)定幅值范圍內(nèi)，同時(shí)SEL裝置未閉鎖同期功能，則允許進(jìn)行滑差計(jì)算和判斷。
滑差計(jì)算器通過(guò)計(jì)算得出2個(gè)電源的滑差后，與滑差整定值25SF比較。若滑差在整定值范圍內(nèi)，則允許進(jìn)行相角差計(jì)算和判斷。
3.2相角差判斷
�。�1）“不滑動(dòng) ”電源間相角差判斷。 若滑差不大于0.005Hz,則認(rèn)為2個(gè)電源間 “不滑動(dòng) ”,在計(jì)算相角差時(shí)無(wú)需考慮斷路器合閘時(shí)間補(bǔ)償，相角差計(jì)算邏輯如圖2所示。 在 相 角 差 小 于 整 定 值 時(shí)， 同 期 繼 電 器 輸 出 為“1”.
�。�2）“滑動(dòng) ”電源間相角差判斷。若滑差大于0.005Hz,則認(rèn)為2個(gè)電源間 “滑動(dòng) ”,在計(jì)算相角差時(shí)需考慮斷路器合閘時(shí)間補(bǔ)償，相角差計(jì)算邏輯如圖3所示。
�、偃粝嘟遣钤谶f減，即VS靠近VP,則同期繼電器輸出為 “1”的條件為VP與VS的`相角差為0°,此時(shí)對(duì)系統(tǒng)沖擊最小。
②若相角差在遞增，即VS遠(yuǎn)離VP,則同期繼電器輸出為 “1”的條件為經(jīng)過(guò)合閘時(shí)間補(bǔ)償計(jì)算的相角差小于整定值。合閘時(shí)間補(bǔ)償相角計(jì)算式為：A=（fVS-fVP）×tCLOSD×360°式中，fVS為VS的 頻 率，Hz;fVP為VP的 頻 率，Hz;tCLOSD為斷路器合閘時(shí)間，s.假設(shè)VP的頻率為50.0Hz,VS的頻率為50.1Hz,斷路器合閘時(shí)間為70ms,則A為2.52°（VS超前VP）。
相角差遞減、遞增情況下，同期過(guò)程（VS超前VP）電壓示意圖如圖4、圖5所示。
4 設(shè)計(jì)改進(jìn)建議
4.1提高電源切換的合理性和可行性
該核電站電源切換（正常電源倒換和故障快速切換工況）需同時(shí)滿足以下條件：電壓差小于10%;相角差小于20°;滑差小于0.05Hz;考慮斷路器合閘時(shí)間相角補(bǔ)償。
根據(jù)參考文獻(xiàn)[3],允許并聯(lián)切換（正常電源倒換）和故障快速切換的條件并不相同。并聯(lián)切換必須同時(shí)滿足滑差小于0.2Hz,相位差小于15°,電壓幅值差小于5V;而故障快速切換只需滿足滑差小于2.0~3.0Hz且相位差小于20~40°或電壓矢量差幅值小于40~60V或電壓矢量差與滑差之積小于80~180V·Hz其中一項(xiàng)即可。快速切換的同期限制要求遠(yuǎn)低于并聯(lián)切換，因此目前的同期切換整定值對(duì)于正常電源倒換和故障快速切換工況均有不當(dāng)之處。
4.1.1正常電源倒換根據(jù)圖1~圖3,相比專業(yè)的同期監(jiān)測(cè)裝置，SEL裝置的同期繼電器僅判斷電源電壓的幅值是否在正常范圍內(nèi)，而沒(méi)有計(jì)算電壓幅值差。根據(jù)現(xiàn)有的整定值，電源電壓只要在90%~110%額定電壓內(nèi)均允許切換，但是有可能出現(xiàn)2個(gè)電源的電壓幅值差為20%的極端情況�？紤]到正常切換時(shí)將同期沖擊減到最小，建議將電壓幅值差整定值設(shè)置為不大于5%.
SEL裝置雖然能設(shè)置2個(gè)同期相角差整定值，但是只能設(shè)置1個(gè)同期滑差整定值。在故障快速切換時(shí)，M1側(cè)的頻率下降迅速，若將同期滑差整定值設(shè)定為0.05Hz,則會(huì)降低快速切換成功率。為保證快速切換成功率，建議將同期滑差整定值設(shè)定為不大于0.2Hz.
綜上所述，在正常倒換時(shí)，受限于SEL裝置的同期監(jiān)控功能，無(wú)法滿足繼電保護(hù)準(zhǔn)則中允許同期切換的條件。
4.1.2故障快速切換根據(jù)目前的故障快速切換同期整定值，故障快切的成功率大為降低。為了提高故障快切的成功率，在減小對(duì)設(shè)備沖擊的前提下，應(yīng)適當(dāng)放寬故障快速切換整定值。修改后的故障快速切換條件為同時(shí)滿足電壓差小于10%,相角差小于25°（對(duì)于固有相角差較大的，另行制定），滑差小于2Hz,考慮斷路器合閘時(shí)間相角補(bǔ)償。
4.2增加母線低電壓保護(hù)
根據(jù)參考文獻(xiàn)[4],應(yīng)設(shè)置低電壓保護(hù)以應(yīng)對(duì)持續(xù)低電壓工況，其電壓整定值及延時(shí)設(shè)置應(yīng)能避免持續(xù)低電壓損壞電氣設(shè)備。雖然在該核電站中ECS中壓系統(tǒng)為非1E級(jí)，但是考慮到設(shè)備安全也應(yīng)配置相應(yīng)的保護(hù)。
目前設(shè)置的母線低電壓保護(hù)，當(dāng)母線電壓低于90%額定電壓時(shí)，僅報(bào)警而不發(fā)分閘命令；在母線電壓低于75%額定電壓且持續(xù)時(shí)間超過(guò)3s后才使除LC饋線斷路器以外的所有饋線斷路器分閘。
在電廠運(yùn)行過(guò)程中，有可能出現(xiàn)故障導(dǎo)致中壓母線電壓維持在75%~90%額定電壓的情況。為避免持續(xù)低電壓損壞電氣設(shè)備，應(yīng)增加90%低電壓分閘保護(hù)，延時(shí)30s使M1或M2進(jìn)線斷路器分閘。
5 結(jié)束語(yǔ)
在該核電站中，SEL裝置作為ECS中壓系統(tǒng)繼電保護(hù)、同期監(jiān)控、邏輯控制的核心部件，相比傳統(tǒng)繼保裝置和控制設(shè)備有著設(shè)備功能集中，設(shè)計(jì)、接線和維護(hù)便捷以及空間節(jié)省等優(yōu)勢(shì)，但是仍存在電源切換整定值不合理等問(wèn)題。在按照本文所述方式修改設(shè)計(jì)后，SEL裝置滿足了系統(tǒng)要求。
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