AP1000机组主泵过载保护计算及校验优化
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
山东核电有限公司的研究人员任少义、徐晓玥、陈腾飞，在2017年第8期《电气技术》杂志上撰文，根据AP1000机组主泵电机过载保护定值的计算结果和校验方式，详细阐述了SEL-710型综合保护继电器过载保护定值计算方法，分析了现行的主泵电机过载保护定值及其校验方式存在的缺陷与不足，提出了新的过载保护定值及校验方式，并通过试验验证了新的保护校验方式合理可行，为完善AP1000主泵电机及其它电机负荷的过载保护计算及校验提供了建议和参考。
AP1000机组反应堆冷却剂泵（简称主泵、RCP）作为一回路的动力之源，通过建立强迫循环带出反应堆堆芯热量，对维持压力边界、保持热阱等安全相关功能的执行有重要作用[1]。
AP1000主泵采用屏蔽泵设计，设计寿命60年，一旦主泵出现故障需要解体检修，考虑到主泵安装复杂、工程量大等因素，将严重降低电厂效益，甚至可能挑战核电厂安全裕量。所以，完善的主泵保护对于提高AP1000机组运行的可靠性及经济性有着重要意义。
1主泵电源配置简介
AP1000机组配置了四台主泵，电源分别取自常规岛四段10.5kV、50Hz中压母线，通过主泵变频器输出6.9kV、60Hz电源，再经两个串联的1E级断路器连接至主泵电机[2]，如图1所示。
图1 主泵电源主接线图
两列主泵断路器均为主泵及其相连的电缆、安全壳贯穿件提供相关的电气保护。其中，B列主泵断路器配置了SEL-751A型综合保护继电器，设有欠/过压、过频、过流/速断和逆功率等保护。C列主泵断路器配置了SEL-710型综合保护继电器，设有欠压、过载、过流/速断等保护[3]。C列主泵断路器配置的过载保护，主要为主泵电机的过载和堵转等工况提供保护。
2主泵过载保护定值优化
AP1000机组主泵电机过载保护选用了SEL-710继电器过载（49）保护元件的标准热曲线（Curve ThermalMethod）方式，SEL-710继电器提供了45条标准曲线供用户使用。在相同的电流作用下，曲线数值越大，过载保护动作时间越长。
2.1 定值计算
过载保护定值计算需要如下主泵电机数据：额定功率P—5518kW（7400hp）；额定电压V—6900V；额定电流FLA—781A；堵转电流LRA—2769A；堵转时间（热态）t—14s；服务系数SF—1.15。
根据SEL-710继电器说明书，按照下述公式确定需要选用的标准热保护曲线。将主泵参数代数上式，得Curve < 2.35。为了获得更大的安全裕量，取Curve=1。
需要说明的是，在实际的电机运行中，当SF<I<2.5时，SEL-710继电器热态条件下的定子热元件起主要作用，其电流-时间数学关系如下：当I≥2.5时，SEL-710继电器冷态条件下的转子热元件起主要作用，其电流-时间数学关系如下：其中，I—电机电流与额定电流之比，T—跳闸时间。
2.2配合校验
根据AP1000主泵电机设计数据，其定子绕组运行工况下过载限制、不同条件下堵转限制数据如表1所示。
表1 主泵电机过载、堵转限制数据
根据SEL-710继电器过载保护特性曲线Curve=1的电流-时间数学关系，结合主泵电机限制数据，可以得出主泵电机过载保护配合关系如图2所示。
图2 主泵过载保护配合
由图2可以看出，选用SEL-710继电器过载保护标准曲线Curve=1，对于主泵电机定子绕组过载及高电压、大堵转电流工况保护灵敏度很高、动作较迅速，但是对于低电压、堵转电流较小时的工况则灵敏度较低，甚至无法动作。需要另外通过过流/速断保护，以实现对主泵电机的全范围的电流保护。
2.3定值优化
过载保护特性曲线无法完全包络主泵电机定子过载限制、堵转限制曲线，不能实现对主泵电机全面的过载、堵转保护。虽然针对此问题设计方增设了反时限过流和速断保护，但是这些过流元件既无法累计主泵电机的历史发热量，也不能紧密跟踪电机温度骤变的工况[4、5]，而SEL-710继电器过载保护元件在这些方面较电流元件优势显著。
所以，如果能改善过载保护的特性曲线，使其完全包络主泵电机的限制曲线，结合过流/速断保护，将对主泵电机实现更灵敏、更可靠的电气保护。
Curve=1已经是SEL-710继电器过载保护所能提供的最小标准曲线，所以，标准的热保护曲线已无法为主泵电机提供更全面的过载保护。
当选取Curve=46时，SEL-710继电器允许用户自定义一条符合实际主泵电机过载限制的保护曲线。自定义曲线需要输入至少5个、最多28个电流-跳闸时间信息。根据主泵电机定子过载、堵转限制数据，结合SEL-710继电器过载自定义跳闸曲线电流数据，确定输入的10个跳闸时间，如表2所示。
表2 自定义过载保护Curve=46数据
原则上，这些跳闸时间要比主泵电机过载限制允许时间小，留出足够的裕度以避免对主泵电机造成损伤。剩余点跳闸时间设置为AUTO，由SEL-710继电器自行计算。
根据Curve=46的自定义、自整定数据，主泵电机新的过载保护特性曲线及其配合关系如图3所示。
图3 自定义主泵过载保护配合
从图3中可以看出，新的过载保护曲线可以完全包络主泵电机的定子绕组过载和堵转限制曲线，实现对主泵电机更全面的保护。
3 过载保护定值校验优化
3.1 过载保护定值校验存在的问题
根据前文计算可知，SEL-710继电器过载保护特性曲线分为两段：SF<I<2.5时的热态定子过载保护特性曲线，I≥2.5时的冷态堵转保护特性曲线。但目前的AP1000主泵过载保护校验程序只验证了冷态条件下的动作曲线，而未对更贴近实际运行条件的热态定子过载保护动作特性做校验。
对比电机热态与冷态工况，两者初始条件不同，电流-时间关系也不相同。以2.2倍主泵额定电流条件为例，冷态条件下约110s过载保护动作跳闸，而热态条件下仅不到24s即跳闸，时间差距较大。
显然，仅验证冷态条件下的定子过载保护动作特性，对于主泵过载保护定值配合校验来说是不够严谨的，也无法全面验证SEL-710继电器过载保护元件数据合格、可靠，这将给主泵运行带来安全隐患[6、7]。
3.2 过载保护校验改进方案
对于SEL-710继电器过载保护，如果能验证热态条件下的定子过载保护特性曲线、冷态条件下的堵转保护特性曲线，严格模拟实际的主泵电机过载保护运行特性，将会更为直接、准确地确认SEL-710继电器过载元件性能是否合格、可靠。这也会降低主泵安全隐患，对于核电厂运行的安全和效益有着重要意义。
对于热态条件下定子过载保护特性校验，最大的难点在于，如何在离线的条件下模拟SEL-710继电器初始的热态工况。根据研究SEL-710继电器过载保护发热量数学计算模型及相关条件，可知其过载保护元件在发热量达到81%时，即判定电机处于热态工况（达到100%后过载保护即动作跳闸）。
所以，校验方案可以先施加较大的电流（如1.1倍额定电流），时刻观察定子发热量（Stator TCU）的变化。当其增至81%左右时，迅速施加预先计算好的电流量以测得相应的跳闸时间，与理论计算结果对比、分析。
3.3 试验验证
根据SEL-710继电器过载保护标准曲线，热态条件下定子过载保护电流-时间数学关系：选取计算2.2、2.3、2.4倍额定电流对应的跳闸时间，分别为23.892s、21.264s、19.072s。试验装置接线如图4所示，CT接线为Y型。
图4 SEL-710试验电流接线
首先对SEL-710施加1.1倍额定电流，观察Stator TCU增加至81%左右，然后迅速施加2.2倍额定电流，测得相应的跳闸时间。重复以上步骤，分别测得2.3、2.4倍额定电流下热态定子过载保护的跳闸时间，试验结果及误差见表3。
表3 过载保护定值热态校验数据
考虑到测量时间包括了SEL-710继电器热过载元件、出口节点的动作时间，加之试验的关键步骤需要人为判断、手动操作，这不可避免的增加了人因误差。综合考虑以上因素，笔者认为10%的误差是可接受的。
4 结语
主泵是AP1000机组的核心部件之一，对于整个机组的重要性不言而喻。目前，主泵过载保护及其校验方式存在以下问题：
1）过载保护无法对小堵转电流工况做出响应，需要增加过流/速断保护；
2）主泵过载保护校验未对更符合实际运行工况的热态定子过载保护特性做校验，仅验证冷态定子保护特性无法保证SEL-710继电器过载保护元件参数合格、运行可靠。
以上两个问题对主泵的安全运行有较大的安全隐患，尤其后一问题，笔者了解到行业范围内对于热态条件下的电机过载保护校验均存在此类问题。
希望本文能够抛砖引玉，业界同仁们能够制定更多、更详尽方案和措施，完善大型电机类负荷的保护及其校验规程，减小电机运行安全方面的隐患和不确定性。