核電廠核級(jí)配電盤(pán)越級(jí)跳閘問(wèn)題分析與解決

宋鵬飛 蔡三艷

（中廣核工程有限公司設(shè)計(jì)院，廣東 深圳 518172）

2014年2月，某核電廠低壓電加熱器發(fā)生燒熔故障（見(jiàn)圖1），其電源回路保護(hù)開(kāi)關(guān)未及時(shí)動(dòng)作，低壓核級(jí)配電盤(pán)的零序電流超過(guò)整定值，觸發(fā)中壓配電盤(pán)開(kāi)關(guān)回路跳閘，造成核島核級(jí)配電盤(pán)整列盤(pán)斷電，由此核級(jí)低壓配電盤(pán)供電的用電負(fù)荷全部失電。

圖1 燒熔故障電加熱器

該事件屬于典型的核級(jí)配電盤(pán)越級(jí)跳閘問(wèn)題，故障影響范圍擴(kuò)大，導(dǎo)致核級(jí)電氣系統(tǒng)失電，影響到核電廠其他安全設(shè)備的運(yùn)行。

1 跳閘事故過(guò)程

1.1 回路配置

發(fā)生越級(jí)跳閘故障回路的用電設(shè)備為低壓電加熱器（9DVN017RS），其額定功率40kW，額定電流60.8A。圖2為故障回路上下級(jí)保護(hù)配置。

圖2 故障回路上下級(jí)保護(hù)配置

電加熱器由 380V核級(jí)配電盤(pán)（1LLC001TB）低壓饋線（1LLC02P1）配電，配置有熔斷器（NH00-100A，aM），熱繼電器（TA75DU80，TC20）和接觸器（AE75-30-11），低壓核級(jí)配電盤(pán)接自630kVA低壓廠用變壓器（1LLC001TR），上游電源接至 6.6kV核級(jí)配電盤(pán)（1LHA001TB）中壓饋線（1LHA116）。

1.2 定值設(shè)定

電加熱器（9DVN017RS）電源回路設(shè)置有過(guò)載保護(hù)和短路保護(hù)。過(guò)載保護(hù)由熱繼電器實(shí)現(xiàn)，過(guò)載保護(hù)設(shè)置為 1.05倍額定電流，過(guò)載電流整定值63.84A。短路保護(hù)由熔斷器實(shí)現(xiàn)，熔斷器過(guò)流保護(hù)呈反時(shí)限特性，當(dāng)故障電流達(dá)到 840A時(shí)動(dòng)作時(shí)間1s。

低壓核級(jí)配電盤(pán)（1LLC001TB）設(shè)置有短路保護(hù)和零序保護(hù)，由電壓監(jiān)測(cè)單元的保護(hù)繼電器實(shí)現(xiàn)，并配置有變比為250/1A的零序電流互感器。短路保護(hù)設(shè)定值為7500A，延時(shí)0.1s動(dòng)作，零序保護(hù)設(shè)定值為440A，延時(shí)1s動(dòng)作。

1.3 動(dòng)作記錄

電加熱器（9DVN017RS）在發(fā)生故障后，現(xiàn)場(chǎng)檢查加熱器發(fā)現(xiàn)A相嚴(yán)重?zé)郏珺相、C相存在過(guò)熱現(xiàn)象。對(duì)加熱器本體直流電阻測(cè)量，A相18.6Ω，B相3.8Ω，C相3.8Ω。加熱器A相實(shí)測(cè)電阻值與理論計(jì)算值3.63Ω存在嚴(yán)重偏差。

表1 核級(jí)配電盤(pán)故障記錄數(shù)據(jù)表

根據(jù)核級(jí)配電盤(pán)（1LLC001TB）電壓檢測(cè)回路繼電器（001XI）數(shù)據(jù)記錄（表1），變壓器A相低壓側(cè)電流值達(dá)到 900A，B相、C相分別為 135A、195A。變壓器低壓側(cè)零序電流值3IN0達(dá)到825A。

電加熱器出現(xiàn)燒熔故障，電源回路的熱繼電器過(guò)載保護(hù)未動(dòng)作，熔斷器未能在1s內(nèi)及時(shí)動(dòng)作，核級(jí)配電盤(pán)零序保護(hù)在延時(shí)1s跳閘中壓開(kāi)關(guān)。單個(gè)加熱器回路故障導(dǎo)致了整列配電盤(pán)失電，事故影響范圍擴(kuò)大。

2 故障分析

2.1 保護(hù)曲線配合

低壓核級(jí)配電盤(pán)的加熱器回路采用“熔斷器-接觸器-熱繼電器”配置。從故障回路元器件配合曲線（圖3）中看出，當(dāng)故障電流值達(dá)到600A前，熱繼電器觸發(fā)接觸器動(dòng)作斷開(kāi)故障，當(dāng)電流值超過(guò)600A時(shí)，熔斷器在曲線對(duì)應(yīng)的時(shí)限內(nèi)熔斷。

圖3 故障回路元器件配合曲線

低壓配電盤(pán)的零序保護(hù)觸發(fā)值 440A，延時(shí) 1s動(dòng)作。從圖3看出熔斷器在故障電流達(dá)到840A時(shí)，熔斷時(shí)間1s。當(dāng)加熱器回路發(fā)生單相故障且故障電流值在440～840A之間，熔斷器熔斷時(shí)間超過(guò)1s，導(dǎo)致 380V配電盤(pán)零序保護(hù)越級(jí)動(dòng)作，觸發(fā) 6.6kV配電盤(pán)接觸器跳閘。

2.2 動(dòng)作電流說(shuō)明

電加熱器（9DVN017RS）電源電纜為3×70mm2銅芯電纜，電纜長(zhǎng)度 100.69m，低壓廠用變壓器（1LLC001TR）容量為630kVA，阻抗電壓為4.5%。計(jì)算出電加熱器的饋線電纜末端發(fā)生單相接地短路電流值[1]約為1.85kA。從圖3配合曲線看出，達(dá)到該電流值時(shí)，低壓熔斷器在小于1s時(shí)間內(nèi)熔斷可靠動(dòng)作，此時(shí)核級(jí)低壓配電盤(pán)零序保護(hù)尚未達(dá)到1s延時(shí)要求，不會(huì)越級(jí)跳閘。計(jì)算結(jié)果說(shuō)明當(dāng)電加熱器饋線回路發(fā)生電纜末端短路故障時(shí)，熔斷器優(yōu)先于零序保護(hù)動(dòng)作，滿(mǎn)足選擇性要求。

低壓核級(jí)配電盤(pán)（1LLC001TB）保護(hù)裝置記錄數(shù)據(jù)顯示，故障時(shí)核級(jí)配電盤(pán)A相電流為900A，B相和C相約為150A?？梢酝茢啵娂訜崞鰽相故障電流值約在750A左右，查詢(xún)圖3配合曲線，該電流值下熔斷器熔斷時(shí)間超過(guò)1s。熔斷器不會(huì)熔斷，而零序保護(hù)延時(shí)1s后發(fā)生越級(jí)跳閘。

2.3 級(jí)差配合方法

電氣保護(hù)應(yīng)當(dāng)具有選擇性，電加熱器的低壓回路發(fā)生故障，低壓饋線保護(hù)須優(yōu)先動(dòng)作，低壓配電盤(pán)和中壓配電盤(pán)保護(hù)不應(yīng)越級(jí)動(dòng)作。在電氣短路電流計(jì)算中，電加熱器的低壓饋線電纜末端發(fā)生單相接地短路故障時(shí)低壓熔斷器應(yīng)當(dāng)可靠靈敏動(dòng)作[2]。

核電廠電氣系統(tǒng)的保護(hù)級(jí)差配合的選擇性分析，將故障回路計(jì)算出的最大、最小故障電流作為校驗(yàn)基礎(chǔ)。一般情況下，設(shè)計(jì)人員將饋線回路末端發(fā)生單相金屬性接地故障的短路電流值作為最小故障電流，將饋線回路的首端發(fā)生三相短路故障作為最大故障電流。

2.4 原因分析

根據(jù)動(dòng)作電流情況和級(jí)差配合原則，電加熱器（9DVN017RS）故障燒毀時(shí)，加熱器的A相故障電流達(dá)到約750A，說(shuō)明在電加熱器的故障點(diǎn)存在接觸電阻及加熱電阻絲部分電阻，并非典型的金屬性單相接地故障，使A相故障電流未能達(dá)到熔斷器動(dòng)作電流值。因故障點(diǎn)的接觸電阻不可預(yù)期，當(dāng)單相故障電流值在440～850A之間時(shí)，電加熱器的饋線熔斷器不能在1s內(nèi)及時(shí)熔斷，而低壓核級(jí)配電盤(pán)的零序保護(hù)延時(shí)1s后動(dòng)作，發(fā)生越級(jí)跳閘。

本次核電廠發(fā)生的電加熱器燒熔事件，屬于加熱器內(nèi)部故障，非電纜末端的金屬性接地短路故障。設(shè)備內(nèi)部故障點(diǎn)接入的接觸電阻值不可預(yù)知，故障電流值變動(dòng)超出了選擇性校驗(yàn)的電流范圍。此次加熱器故障電流值比設(shè)計(jì)驗(yàn)算最小故障電流值還要低，導(dǎo)致出現(xiàn)低壓核級(jí)配電盤(pán)的越級(jí)跳閘。

低壓配電盤(pán)饋線回路保護(hù)與低壓配電盤(pán)零序保護(hù)之間存在小故障電流保護(hù)盲區(qū)是本次越級(jí)跳閘事件的根本原因。電氣設(shè)計(jì)人員開(kāi)展保護(hù)驗(yàn)算時(shí)按照通用的短路電流計(jì)算方案，考慮的是對(duì)饋線電纜末端短路的故障電流值，未考慮用電設(shè)備發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)的電流波動(dòng)范圍，保護(hù)級(jí)差配合沒(méi)有做到全故障電流范圍分析。

3 解決方案

避免核電廠核級(jí)配電盤(pán)發(fā)生類(lèi)似的越級(jí)跳閘問(wèn)題，需完善核電廠低壓核級(jí)配電盤(pán)全電流范圍內(nèi)的保護(hù)級(jí)差配合。根本上解決核級(jí)配電盤(pán)饋線保護(hù)與零序保護(hù)之間的選擇性，可從上級(jí)低壓配電盤(pán)零序保護(hù)或從下級(jí)低壓饋線回路保護(hù)兩個(gè)方面著手。

1）低壓配電盤(pán)零序保護(hù)由“定時(shí)限”保護(hù)特性調(diào)整設(shè)置為“定時(shí)限+反時(shí)限”

低壓電動(dòng)機(jī)饋線回路的“熔斷器-接觸器-熱繼電器”配置均不做改動(dòng)，采用將低壓配電盤(pán)的零序保護(hù)調(diào)整為“定時(shí)限+反時(shí)限”兩段保護(hù)設(shè)置。Ⅰ段定時(shí)限作為低廠變和低壓母線接地故障保護(hù)的主保護(hù)，定時(shí)限電流整定值躲過(guò)配電盤(pán)最大熔斷器的0.5s熔斷電流值，并延時(shí)0.5s動(dòng)作；Ⅱ段反時(shí)限作為本低壓配電盤(pán)饋線中發(fā)生母線非金屬性接地故障及下級(jí)接地故障的后備保護(hù)，與下游最大熔斷器“時(shí)間-電流”曲線配合。

2）低壓饋線回路設(shè)置獨(dú)立的接地故障保護(hù)

低壓配電盤(pán)零序保護(hù)維持原有設(shè)計(jì)，采用定時(shí)限特性，零序保護(hù)定值為440A，延時(shí)1s。當(dāng)?shù)蛪吼伨€回路采用63A的熔斷器時(shí)，1s內(nèi)熔斷對(duì)應(yīng)的電流值為250A，此時(shí)級(jí)差保護(hù)可以實(shí)現(xiàn)配合。對(duì)于熔斷器額定電流值大于63A的饋線回路，級(jí)差配合存在小電流故障配合盲區(qū)，可將熔斷器額定電流值大于63A的饋線回路增加單獨(dú)的接地故障保護(hù)。在增加單獨(dú)的接地故障保護(hù)后，可實(shí)現(xiàn)全故障電流范圍的級(jí)差配合。

4 結(jié)論

核電廠核級(jí)配電盤(pán)發(fā)生因用電設(shè)備故障引起的整個(gè)配電盤(pán)系統(tǒng)不可用的案例，屬于典型的越級(jí)跳閘問(wèn)題。結(jié)合故障回路配置和保護(hù)動(dòng)作過(guò)程，分析出導(dǎo)致核級(jí)配電盤(pán)越級(jí)跳閘的根本原因。為避免類(lèi)似問(wèn)題在后續(xù)核電項(xiàng)目的發(fā)生，提出相應(yīng)的解決方案，近而提高核電廠核級(jí)電氣系統(tǒng)的安全性。

[1] 電力行業(yè)電力規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). DL/T 5153—2002. 火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].

[2] 高友權(quán). 配電系統(tǒng)繼電保護(hù)[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2005.