王兆鹏
（广东省电力设计研究院，广东广州510663）
摘要：介绍了1000MW 级核电机组的接线方式和运行特点，提出发变组保护的配置原则：主保护双重化配置，加强主保护及简化后备保护。按主保护及后备保护的分类，主要对差动保护、100%定子接地保护、过激磁保护、失磁保护、转子接地等保护进行配置说明，其中对100%定子接地保护、失磁保护、转子接地保护所采用的保护原理及出口方式进行了详细介绍，例如100%定子接地保护采用外加20Hz 交流信号；失磁保护采用导纳原理的定子回路判据；转子接地保护采用单端注入式原理，定期进行转子对地绝缘检测。此外对核岛系统的联锁保护做了一定说明，例如反应堆冷却剂泵转速低保护需要联跳500kV 超高压开关，使发电机带厂用电运行。对发电机差动保护有重要影响的电流互感器，主要受到空间大小的因素影响而选择P 级电流互感器，经计算校验表明选择5P60的电流互感器可满足保护不拒动的要求。关键词：核电站；发电机；变压器；保护；电流互感器中图分类号：TM 772；TM 623文献标识码：A 文章编号：1006－6047（2010）06－0111－04
收稿日期：2009－10－21；修回日期：2010－01－15
电力自动化设备
Electric Power Automation Equipment
Vol．30No .6Jun.2010
第30卷第6期2010年6月
0引言
GB14285-2006《继电保护和安全自动装置技术规程》4.2中对发电机保护所做的规定，对核电站
的大机组保护可参照执行。本文根据二代加核电站电气主接线及核岛设备运行的特点，在吸收国外核电及国内大机组保护的工程经验的基础上，提出了核电站发变组保护配置方案并对保护用的电流互感器进行了计算校验。
1核电站电气主接线及运行特点
核电站1000MW 级机组以发电机-双圈变压器组的单元接线接入系统，发电机和主变压器之间装设发电机出口断路器，发电机中性点采用接地变压器接地方式。2台降压变从主变压器低压侧和发电机出口断路器之间引接，降压变为低压侧双绕组的有载调压变压器，高压绕组为星形接线，低压绕组为三角形接线，其中一台降压变的高压星形绕组中性点通过接地变压器接地。中压厂用电系统采用不接地方式以提高供电的可靠连续性，不同于常规火电采用的中压系统经中电阻接地的方式。
核电站对于厂用电的要求很高，在正常运行时必需保证2路不同厂外电源可用［1］，而且彼此应是相互的和实体分隔的，以尽可能降低同一故障引起2路电源同时断电的概率。另外，核岛部分设备诸如反应堆冷却剂泵的运行情况直接影响到反应堆的安全问题，需要启动发变组保护联跳。
2发变组继电保护的配置
为确保核电站机组安全和厂用电的可靠，对主
要的电气故障和异常运行工况都设置有双重化保
护，双套保护的110V 直流电源分别来自常规岛和核岛各自的直流系统。本工程共设5面保护柜，保护A 、C 柜配有发电机的双重化保护装置，保护B 、D 柜配有主变及厂变的双重化保护装置，保护E 柜为非电量保护柜，除主变及厂变的非电量保护外，还设有励磁变保护及其他系统联锁保护。保护配置的主要原则为主保护双重化配置，加强主保护及简化后备保护。
2.1主保护及后备保护
2.1.1发电机差动保护及匝间保护
发电机完全纵差保护对相间故障的灵敏度最高，但对定子绕组匝间短路和开焊故障却为力。由于目前国内三大电机厂与外方合作的产品都只能做到发电机中性点引出3个端头，不可能安装可反应相间短路的横差保护、不完全差动保护和裂相差动保护，只能采用发电机完全纵差保护作为主保护。对于核电站而言，装有发电机出口断路器，无需再配置发变组大差动保护［2］。
发电机端部结构复杂，既有相间绝缘又有匝间绝缘，如果端部固定不当或发生振动，水冷系统漏水等都可能会使绝缘逐渐磨损引起短路，因此有必要装设匝间短路保护。由于发电机结构方面的原因，不能装设单元件横差保护、不完全差动保护、裂相差动保护等对匝间短路有很好技术性能的保护，只能使用纵向零序电压原理的保护。2.1.2主变压器差动保护
核电站的主变采用单相变压器，其相间短路的几率大幅降低，而接地短路的几率相对增加。主变零差保护将Yn 侧的三相电流互感器（TA ）二次侧接成零序滤过器的方式，再与中性点TA 二次组成差动接
第30卷
电力自动化设备
线。其整定值与其他保护无关，不需要电流相位和大
小的纠正，对涌流和过励磁电流不敏感。主变配置
纵差保护作为主保护，在纵差保护对高压绕组单相
接地灵敏度不够时配置零差保护。
2.1.3100%定子接地保护
由于发电机差动保护动作整定值被整定在定子
额定电流的10%～20%左右，对被在10A的
定子接地故障，发电机差动保护不能动作，因此必须
单独设发电机定子接地保护［3］。100%定子接地保护
为外加电源方式的定子绕组单相接地保护，通过发
电机中性点接地变压器对发电机定子绕组注入
20Hz低频交流信号，如图1所示，发电机正常运行
时，三相定子回路对地是绝缘的，注入信号只产生很
小的电容电流，而发生发电机定子单相接地故障时，
注入信号将产生电阻性电流保护装置采集注入电压
和回路的测量电流，通过数字滤波器滤出20Hz的
电压和电流分量来确定故障电阻阻值。
对20Hz注入式100%定子接地保护影响较大
的参数为负载电阻，此电阻与带通滤波器的等效电
阻共同组成电阻分压器，经计算中性点接地变二次
侧负载电阻值取1.2Ω，有利于减少20Hz电源的正
常负荷和提高接地保护灵敏度。目前，国内保护装置
用保护级TA很难保证在微小电流情况下的测量精
度，误差大，尤其是相位误差，建议中性点接地变二次
侧TA采用高精度的保护装置用TA，使小电流测量
精度得到满足。定子接地保护能探测从发电机中性
点到主变压器低压侧的全面接地故障，为机组提供
从静止、启动到运行的全程监视，可做为发电机启停
机保护，实现了真正的100%定子接地故障保护。
2.1.4过激磁保护和发电机过电压保护［4］
过激磁保护用于防止发电机、变压器因激磁增加而引起过热导致绝缘老化。GB／T14285-2006《继电保护和安全自动装置技术规程》4.2.13中说明过激磁保护动作于解列灭磁或程序跳闸，按程序跳闸的定义，保护出口后先关闭主汽门，待出现逆功率后再解列灭磁。保护出口后过激磁仍然存在，其持续时间的长短将取决于逆功率出现的早晚，关闭主汽门会减少原动机的出力，导致频率进一步下降，使得过激磁情况加剧。另外，发电机组处于起励阶段时出现过励磁，动作于程序跳闸后即使关闭主汽门，也不会出现逆功率，保护无法出口，使得过激磁故障长时间
存在，严重危及发电机安全。因此，发电机的过激磁保护应动作于解列灭磁，由于设有发电机出口断路器，应分别配置发电机和主变压器的过激磁保护。
虽然GB／T14285-2006《继电保护和安全自动装置技术规程》4.2.13中说明“汽轮发电机装设了过激磁保护可不再装设过电压保护”。考虑到过电压保护所用电压量的计算不受频率变化的影响，且过激磁依据反时限曲线的动作时间往往与过电压保护的动作时间难以配合，故保留装设过电压保护，动作于解列灭磁。
2.1.5发电机失磁保护［5］
核电机组的直轴电抗、暂态电抗、次暂态电抗相对较大，发电机的静稳储备减小，在系统受到扰动或者发电机励磁系统发生故障时很容易失去稳定，因此有必要加强失磁保护的应用，保护发电机不至于运行在异步状态而导致转子过热。失磁保护主要使用定子判据和转子判据，由于采用旋转励磁的转子回路励磁电压不能直接取出，励磁系统提供励磁电压消失的信号给保护装置作为转子判据。
对于定子回路判据，保护装置采用电流和电压的正序分量计算出阻抗的倒数（相当于导纳）。导纳测量的方法物理上近似于发电机的稳定极限，这个稳定极限与机端电压相对额定电压的偏移无关，保护装置的动作特性可以很好地接近发电机的稳定特性。如图2所示，失磁保护提供3段的保护特性，特性1、2与静态稳定极限曲线相适应，特性3与动态稳定极限曲线相适应。发电机失磁时对比图2中的失磁保护特性曲线，失磁轨迹将首先进入导纳原理的失磁保护特性区域，保护很快动作，可见基于导纳原理的定子回路判据用于核电机组，比常规火电使用的阻抗圆原理判据更为灵敏、快速、可靠。
核电发电机组要求具有功率因数0.95（超前）的进相运行能力，在进相运行允许的范围内，整定失磁保护的定值时需与励磁调节器的低励曲线配合，做到低励先于失磁保护动作［6］。
2.1.6发电机及厂用电低频保护
核电厂的机组厂用母线带着核岛及其相关的重要设备，如果发电机或系统故障造成机组厂用母线频率下降到定值，经定时限Ⅰ后跳开500kV超高压开关。如果是系统故障，通过跳开超高压开关将故障
d
图2导纳原理与阻抗原理的失磁保护特性比较
Fig.2Comparison of loss-of-excitation protection
characteristic between admittance
and impedance principles
中性点接地变
负载
电阻
R x5:2
带通滤波器20Hz信号
发生器
保护
装置
110V
DC
图1100%定子接地保护外部设备与接线图Fig.1External devices and connection of
100%stator grounding protection
发电机王兆鹏
：核电站1000MW级机组的发变组保护配置
第6期
点隔离，发电机及机组厂用母线的频率恢复正常，发电机带厂用负荷运行；如果超高压开关跳开后故障仍未消除，经定时限Ⅱ后跳发电机出口断路器、灭磁、关闭主汽门，此时机组厂用母线完全失去电源，通过分布式控制系统的厂用电慢切功能，由辅助变供电给永久母线，以保证应急厂用负荷正常供电。2.1.7发电机复压闭锁过流保护
核电站采用的是自励无刷旋转励磁系统，其主励磁机的正常励磁电源取自发电机机端，并采用外加220V直流电源作为强励电源，当发电机机端或近端三相短路导致机端电压下降时，可提供2A的强励电流，其励磁外特性较好。同时由于发电机的励磁电源是经主励磁机供给的，增加了励磁系统的时间常数，因而短路电流的衰减要比自并励静止励磁系统慢，不会出现故障电流迅速衰减而导致复压过流保护不出口的问题。因此发电机复压闭锁过流保护可作为发电机保护和相邻设备的后备保护，而不必采用低压记忆过流保护。
2.2其他系统联锁保护
2.2.1转子接地保护及励磁变保护
核电站采用旋转无刷励磁系统，按常规的方法很难检测到转子接地故障，GB／T14285-2006《继电保护和安全自动装置技术规程》中4.2.11条规定“对旋转励磁的发电机宜装设一点接地故障定期检测装置”，采用转子自动举刷装置，固定引出转子绕组的一端，由于此时转子电压无法引出,无法采用切换采样式转子接地保护原理，必须采用单端注入式转子接地保护原理［7］，定期进行转子对地绝缘检测。转子接地保护装置宜装在励磁柜并由励磁厂家供货，保护包括2段定值，第1阶段接地电阻≤4kΩ时动作于信号，第2阶段接地电阻≤2kΩ时动作于程序跳闸。
另外对于励磁变保护，可在励磁变低压侧引出线设置励磁绕组过电流保护，保护躲过强励时间，动作于停机。励磁变温度保护、励磁变零序过电压保护、励磁过流保护也由励磁厂家提供，统一安装在励磁柜内。
2.2.2反应堆冷却剂泵转速低保护
在核电站的反应堆冷却剂（RCP）系统中，当稳压器冷却剂泵的转速降低，稳压器冷却剂的液位、温度也发生相应的变化，RCP泵转速传感器动作，表示此转速低的开关量信号接入发变组的非电量保护装置。从设计上考虑，当主泵的转速下降到一定值时，这种主泵转速的降低首先是由电网引起的，如果发电机并网运行且有报警信号时，则首先跳开500kV 超高压开关，使发电机带厂用电运行。如果此时RCP 泵的转速继续下降到另一定值时，则断开主泵电源开关使主泵跳闸，同时反应堆紧急停堆，并通过汽机联锁保护跳发电机出口断路器、灭磁、关闭主汽门。
2.2.3核岛直流系统失压
对于供电给RCP、棒控电源系统（RAM）等核安全相关设备的核岛直流系统，由于供电可靠性涉及到核安全，其失压信号（由3个的开关量信号组成）送至发变组非电量保护柜，当3个开关量信号中不少于2个动作时，通过3取2逻辑出口，保护延时后动作于全停。
3保护用TA的选择、校验
文献［8］7.4.2中指出，对于容量为300MW级及以上的发电机和发电机-变压器组的差动保护回路，宜选用TPY级TA［8］。TPY级TA具有暂态特性好的特点，但TPY级TA比P级TA更大更重，考虑到空间、强度以及TA的散热和屏蔽等因素，在核电发电机侧仍然使用P级TA。
发电机机端短路时，中性点TA流过发电机提供的故障电流I pcf为183.068kA，已知发电机出口TA变比为33000／5，暂态系数K取10.5。
保护校验系数：
K pcf=I pcf
pn
=I″G
pn
=183.068×103=5.55
要求所选TA的准确限值系数K alf>KK pcf=10.5×5.55=57.275，中性点TA考虑选用5P60，即K alf=60，取互感器二次额定负荷大于实际二次负荷，另外发电机回路时间常数τp=0.235s，校验是否符合要求。
U s1=K alf I sn（R ct+R bn）=60×5×（7.3+3.2）=3150（V）U s=KK pcf I sn（R ct+R b）=10.5×5.55×
5×（7.3+1.8）=2606（V）
满足要求U s1＞U s。
中性点TA暂态饱和时间为
t=-τp ln1-K－1
2πfτp
≤≤=
-0.235×ln1-
10.5－1
314×0.235
≤≤=0.0324（s）=32.4（ms）另外已知高压侧系统时间常数τp=0.353s，按上述计算同理可得满足要求U s1>U s，主变低压侧TA暂态饱和时间t=36.5ms。
在发电机机端短路时，发电机中性点侧TA在约32.4ms开始饱和，主变低压侧TA约36.5ms开始饱和，发电机差动保护两侧TA饱和开始时间均大于一般微机保护中的发电机差动保护动作时间（<30ms），因此可以满足不拒动的要求。
4结语
综上所述，核电发电机组本身及励磁系统的选型决定了其发变组保护配置的特点，为了能设计出适用于核电站大机组保护的最优化配置方案，需要对发电机、变压器、励磁系统等相关设备的故障原因进行深入分析和研究，另外对核电站的运行方式及核岛相关设备的特性有全面了解，将有助于完善核电站发变组保护的设计。
参考文献：
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Generator &transformer protection configuration for
1000MW unit of nuclear power station
WANG Zhaopeng
（Electric Design Institute of Guangdong Province ，Guangzhou 510663，China ）
Abstract ：The connection type and operating characteristics of 1000MW nuclear power station are introduced and the configuration principle of generator &transformer protection system is put forward ：the dual -configured main protection should be enhanced and the backup protection simplified.According to the category of main protection and backup protection ，their configurations are described ，mainly including the differential protection ，100%stator grounding protection ，over -excitation protection ，loss -excitation protection ，rotor grounding protection ，etc.The protection principles and tripping actions of stator grounding protection ，loss -of -excitation protection and rotor grounding protection are analyzed in detail.The 100%stator groun -ding protection is based on external 20Hz AC signal principle ，the loss -of -excitation protection adopts admittance principle ，and the rotor grounding protection applies the single terminal injection principle by periodic detection of insulation between rotor and earth.The interlocking protection of nuclei island system is described briefly ，for example ，the low speed protection of reactor cooling pump needs 500kV circuit breaker for inter -tripping the unit into house generating operation.The P -series current transformer is selected for generator differential protection due to the space restriction and it is verified by calculation that 5P60current transformer can satisfy its requirement for no -rejection.
Key words ：nuclear power station ；generator ；transformer ；protection ；current
transformer
第30卷
中国标准出版社，2008.
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（责任编辑：李玲）
作者简介：
王兆鹏（1974-），男，湖南桃源人，工程师，硕士，从事发电厂电气二次设计工作（E-mail ：wangzhaopeng@gedi.com.cn ）。
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