核電廠低壓配電系統(tǒng)接地保護(hù)配置優(yōu)化探討

摘

要：通過(guò)對(duì)近年來(lái)核電廠低壓配電系統(tǒng)負(fù)荷接地故障導(dǎo)致的越級(jí)跳閘等事故進(jìn)行分析，分析了造成接地保護(hù)不正確動(dòng)作的根本原因，指出了目前核電廠配電系統(tǒng)接地保護(hù)配置存在的薄弱點(diǎn)，并提出了改進(jìn)建議，以防止同類(lèi)問(wèn)題反復(fù)發(fā)生，提高核電廠配電系統(tǒng)的供電可靠性關(guān)鍵詞：配電盤(pán)；接地保護(hù)；剩余電流；越級(jí)跳閘；配置優(yōu)化0引言核電廠大部分廠用電負(fù)荷通過(guò)380V低壓交流配電系統(tǒng)供電。380V低壓配電系統(tǒng)主要向功率小于160kW的負(fù)荷供電，這些負(fù)荷按照重要程度不同，可分為核安全相關(guān)負(fù)荷和核安全無(wú)關(guān)負(fù)荷。提高低壓配電系統(tǒng)的供電可靠性，對(duì)于保障核電廠正常生產(chǎn)和核安全都有著重要意義。低壓配電系統(tǒng)用電負(fù)荷主要包括電動(dòng)機(jī)、加熱器、閥門(mén)、配電箱柜等。這些負(fù)荷分布在核電廠核島、常規(guī)島、BOP等多個(gè)區(qū)域。用電負(fù)荷受到制造質(zhì)量缺陷、絕緣劣化、環(huán)境潮濕或定期切換瞬態(tài)沖擊等因素影響，配電系統(tǒng)電氣故障時(shí)有發(fā)生，其中接地故障是占比最大的故障模式。據(jù)統(tǒng)計(jì)，配電系統(tǒng)接地故障數(shù)量約占總故障數(shù)量的75%以上。針對(duì)單一負(fù)荷的接地故障，如果保護(hù)能夠正確動(dòng)作切除故障，不會(huì)影響核電機(jī)組的正常運(yùn)行。近年來(lái)，核電廠配電系統(tǒng)負(fù)荷發(fā)生接地故障時(shí)，負(fù)荷保護(hù)元件未及時(shí)切除故障，上游降壓變壓器零序保護(hù)動(dòng)作越級(jí)斷開(kāi)中壓開(kāi)關(guān)，導(dǎo)致整列配電盤(pán)失電的事件時(shí)有發(fā)生。這些越級(jí)跳閘事件的發(fā)生，說(shuō)明需要進(jìn)一步優(yōu)化核電廠低壓配電系統(tǒng)接地保護(hù)配置。1

配電系統(tǒng)接地保護(hù)配置現(xiàn)狀核電廠低壓配電系統(tǒng)由6.6

kV中壓母線，通過(guò)裝在低壓配電盤(pán)內(nèi)的6.6kV/380V干式降壓變壓器供電，降壓變壓器中性點(diǎn)直接接地。核電廠低壓配電盤(pán)典型接線圖如圖1所示。低壓配電系統(tǒng)主要由降壓變壓器、監(jiān)控倉(cāng)以及各類(lèi)負(fù)荷開(kāi)關(guān)抽屜、倉(cāng)室組成。針對(duì)降壓變壓器，通常在中性線設(shè)置零序保護(hù)，作為低壓側(cè)單相接地故障短路保護(hù)，并與下游饋線回路進(jìn)線配合。降壓變零序保護(hù)由電流互感器和接地故障過(guò)流繼電器組成，當(dāng)中性線有接地電流通過(guò)，超過(guò)定值時(shí)，繼電器動(dòng)作，跳開(kāi)6.6

kV進(jìn)線開(kāi)關(guān)。380

V饋線配電回路通常配置斷路器本體保護(hù)、保險(xiǎn)、熱偶保護(hù)、接地保護(hù)等，其中采用斷路器本體實(shí)現(xiàn)速斷保護(hù)，保險(xiǎn)實(shí)現(xiàn)過(guò)流/過(guò)負(fù)荷保護(hù)，熱偶主要實(shí)現(xiàn)過(guò)負(fù)荷保護(hù)，并對(duì)部分饋線回路配置進(jìn)行接地保護(hù)。接地保護(hù)由剩余電流互感器及漏電繼電器組成，漏電保護(hù)原理如圖2所示。當(dāng)開(kāi)關(guān)下游設(shè)備發(fā)生接地故障時(shí)，在故障點(diǎn)電流發(fā)生分流，漏電電流無(wú)法流經(jīng)電流互感器，致使互感器流進(jìn)、流出的電流不平衡，一次線圈產(chǎn)生剩余電流。因此，配電系統(tǒng)漏電保護(hù)也被稱(chēng)為剩余電流保護(hù)。2

接地保護(hù)配置存在的主要問(wèn)題2.1

饋線接地保護(hù)選配造成的越級(jí)跳閘問(wèn)題核電廠低壓配電系統(tǒng)針對(duì)電機(jī)等饋線負(fù)荷，根據(jù)額定容量選配接地保護(hù)。通常核島配電盤(pán)75

kW及以上、常規(guī)島配電盤(pán)100kW及以上電動(dòng)機(jī)類(lèi)負(fù)荷配置接地保護(hù)?！痘鹆Πl(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》第8.7.1條第2點(diǎn)，對(duì)單相接地短路保護(hù)的配置要求如下：對(duì)容量為100kW以上的電動(dòng)機(jī)，裝設(shè)單相接地短路保護(hù)；對(duì)55kW及以上的電動(dòng)機(jī)，如相間短路保護(hù)能滿(mǎn)足單相接地短路的靈敏度要求時(shí)，由相間短路保護(hù)兼作接地短路保護(hù)，當(dāng)不能滿(mǎn)足時(shí)，另裝接地短路保護(hù)。核電廠配電系統(tǒng)接地保護(hù)的配置也基本遵循《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》的要求，容量75

kW及以下電動(dòng)機(jī)負(fù)荷沒(méi)有專(zhuān)門(mén)配置接地保護(hù)，當(dāng)下游發(fā)生接地故障時(shí)，需要依靠開(kāi)關(guān)保險(xiǎn)或斷路器相間短路保護(hù)動(dòng)作切除故障。開(kāi)關(guān)相間短路保護(hù)因?yàn)殪`敏度或動(dòng)作時(shí)限的原因，存在無(wú)法及時(shí)切除故障的風(fēng)險(xiǎn)，若此時(shí)接地電流已超過(guò)上游降壓變壓器零序保護(hù)動(dòng)作定值，則降壓變壓器零序保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)6.6kV開(kāi)關(guān)，越級(jí)跳閘造成整盤(pán)失電，擴(kuò)大停電范圍。類(lèi)似事故在核電廠已經(jīng)發(fā)生多起，一個(gè)典型案例是某A核電廠常規(guī)島負(fù)荷4SEK004PO（電動(dòng)機(jī)功率45

kW，額定電流90

A）發(fā)生接地故障，接地故障電流約800

A，其供電開(kāi)關(guān)4LKT401配置斷路器本體速斷保護(hù)（整定值1

280

A）和熱偶保護(hù)，沒(méi)有配置接地保護(hù)，接地故障電流導(dǎo)致上游380

V配電盤(pán)4LKT001TB零序保護(hù)繼電器（整定值364.8

A，延時(shí)0.4

s）動(dòng)作，越級(jí)造成中壓開(kāi)關(guān)4LGD502跳閘，4LKT001TB整盤(pán)失電。2.2

接地保護(hù)級(jí)差配合問(wèn)題核電廠配電系統(tǒng)接地保護(hù)的級(jí)差配合，主要體現(xiàn)在負(fù)荷接地保護(hù)與降壓變壓器中性點(diǎn)零序保護(hù)的配合關(guān)系，既有電流定值的配合問(wèn)題，又有延時(shí)配合的問(wèn)題。核電廠配電系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，因動(dòng)作電流或延時(shí)級(jí)差配合問(wèn)題，接地保護(hù)曾發(fā)生過(guò)誤動(dòng)作，問(wèn)題主要出現(xiàn)在采用“熔斷器+接觸器”方式供電的饋線開(kāi)關(guān)，與上游降壓變采用零序電流保護(hù)的配合關(guān)系上。降壓變下游負(fù)荷眾多，有加熱器、電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)頭等，這些負(fù)荷所在回路的熔斷器種類(lèi)和容量都不盡相同，熔斷器熔斷特性曲線差別較大，使得零序保護(hù)不能完全匹配下游所有熔斷器特性曲線，存在保護(hù)配合死區(qū)，而這些死區(qū)的存在可能會(huì)導(dǎo)致越級(jí)跳閘。一個(gè)典型的案例是某B核電廠2RRM003ZV電動(dòng)機(jī)三相接地短路故障，導(dǎo)致上游配電盤(pán)2LLE001TB整盤(pán)失電。2RRM003ZV電動(dòng)機(jī)額定功率為90kW，額定電流為180A，上游供電主回路開(kāi)關(guān)為2LLE04R1，2LLE04R1開(kāi)關(guān)采用“熔斷器+接觸器”的組合方式，配備了短路保護(hù)（熔斷器）和接地保護(hù)（漏電繼電器）。2LLE04R1漏電繼電器保護(hù)定值為30A，延時(shí)0.06

s動(dòng)作于接觸器跳閘，接觸器型號(hào)AF260，最大開(kāi)斷電流值2600A。熔斷器型號(hào)為aM250A，熔斷器動(dòng)作具有反時(shí)限動(dòng)作特性，故障電流越大，熔斷時(shí)間越快。2LLE001TB配電盤(pán)變壓器低壓側(cè)配置有零序過(guò)流保護(hù)，定值為1

500

A，延時(shí)0.5

s。某次2RRM003ZV發(fā)生三相接地短路故障，漏電繼電器延時(shí)0.06

s動(dòng)作試圖跳開(kāi)接觸器，因故障電流超出接觸器最大開(kāi)斷電流（接觸器最大開(kāi)斷電流為2

600

A），接觸器出現(xiàn)粘連現(xiàn)象，接地故障電流持續(xù)存在，引起A/C相保險(xiǎn)熔斷，A/C相主回路斷開(kāi)，B相因?yàn)榻拥仉娏鬏^A/C相實(shí)際要?。˙相漏電保護(hù)記錄接地電流2

632

A），未能及時(shí)熔斷，B相持續(xù)存在接地電流，0.5

s后2LLE001TB配電盤(pán)變壓器零序過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)6.6

kV開(kāi)關(guān)，造成整盤(pán)失電。后經(jīng)查閱熔斷器熔斷特性曲線，接地故障電流在2

632

A的情況下，熔斷器熔斷時(shí)間最短為1.0

s。從這起案例可以看出，除了接觸器選型配置有問(wèn)題外，熔斷器熔斷特性曲線與上游零序保護(hù)延時(shí)級(jí)差配合不當(dāng)，也是引起越級(jí)跳盤(pán)的一個(gè)主要因素。2.3

剩余電流互感器性能問(wèn)題核電廠配電系統(tǒng)針對(duì)饋線接地故障配置的漏電保護(hù)采用剩余電流原理，剩余電流互感器是漏電保護(hù)的檢測(cè)元件，它的主要功能是檢測(cè)通過(guò)互感器鐵芯的主回路剩余電流（觸電、漏電等接地故障電流），并將一次回路的剩余電流變換成二次回路的輸出電壓。剩余電流互感器一次回路的勵(lì)磁電流很小，處于在弱磁場(chǎng)條件下工作。核電廠配電系統(tǒng)的饋線主回路經(jīng)常會(huì)受到幾百安培至上千安培大啟動(dòng)電流或幾萬(wàn)安培的短路電流沖擊，剩余電流互感器性能不佳，易處于極端飽和狀態(tài)，在這種情況下，剩余電流互感器會(huì)因沖擊電流產(chǎn)生的剩磁影響動(dòng)作特性，甚至造成漏電保護(hù)拒動(dòng)。某C核電廠曾發(fā)生因剩余電流互感器在接地短路電流沖擊下迅速飽和，漏電保護(hù)拒動(dòng)而導(dǎo)致的越級(jí)跳閘事件。事件過(guò)程為：運(yùn)行人員在進(jìn)行3CVI系統(tǒng)定期切換時(shí)，當(dāng)啟動(dòng)備用列3CVI101PO電動(dòng)機(jī)（額定容量185kW，額定電流383.4

A）后，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行約24

s后出現(xiàn)相間短路接地故障，其電源開(kāi)關(guān)3LKQ301漏電保護(hù)（定值30

A，延時(shí)0.06

s）未正確動(dòng)作，0.4

s后配電盤(pán)3LKQ001TB零序保護(hù)繼電器（定值600

A，延時(shí)0.4

s）動(dòng)作，聯(lián)跳上游6.6kV開(kāi)關(guān)3LGA702跳閘，導(dǎo)致3LKQ001TB整盤(pán)失電。經(jīng)分析，本次電動(dòng)機(jī)相間短路接地故障電流超過(guò)4500A，達(dá)到剩余電流互感器額定電流（250A）的18倍，鐵芯出現(xiàn)嚴(yán)重飽和現(xiàn)象。圖3是事件發(fā)生后外送上海電氣設(shè)備檢測(cè)所開(kāi)展的剩余電流互感器性能測(cè)試結(jié)果，可見(jiàn)當(dāng)輸入電流達(dá)到4.99

kA時(shí)，鐵芯飽和狀態(tài)下的輸出電壓波形產(chǎn)生畸變。3

接地保護(hù)優(yōu)化方案探討3.1

擴(kuò)大饋線接地保護(hù)配置范圍，提高保護(hù)動(dòng)作的靈敏性、快速性根據(jù)核電廠配電系統(tǒng)接地保護(hù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，只有電動(dòng)機(jī)類(lèi)饋線負(fù)荷功率超過(guò)一定數(shù)值，才考慮配置接地保護(hù)，導(dǎo)致大部分電動(dòng)機(jī)負(fù)荷沒(méi)有配置接地保護(hù)，需要通過(guò)相間短路保護(hù)對(duì)接地故障進(jìn)行保護(hù)。然而，電動(dòng)機(jī)類(lèi)負(fù)荷因?yàn)橐紤]躲過(guò)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流的影響，相間短路保護(hù)設(shè)定值通常都比較大，相間短路保護(hù)靈敏度難以滿(mǎn)足接地短路故障的需求。因此，用相間短路保護(hù)兼作接地短路保護(hù)，往往不能針對(duì)電動(dòng)機(jī)接地故障進(jìn)行快速切除，只能等到接地短路繼續(xù)發(fā)展成相間接地短路，才能由相間短路保護(hù)切除故障，延長(zhǎng)了保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間，使設(shè)備損害更加嚴(yán)重，同時(shí)，還可能導(dǎo)致上游降壓變零序電流保護(hù)搶先動(dòng)作，造成越級(jí)跳閘。隨著技術(shù)的發(fā)展，配電盤(pán)的制造工藝越來(lái)越模塊化、智能化，接地保護(hù)繼電器也越來(lái)越微機(jī)化、小型化，增設(shè)漏電保護(hù)繼電器和剩余電流互感器所需的空間、成本等限制條件不再突出，可以考慮針對(duì)所有電動(dòng)機(jī)類(lèi)負(fù)荷配置接地保護(hù)，以實(shí)現(xiàn)接地故障的全范圍保護(hù)，提高接地故障保護(hù)動(dòng)作的靈敏性、快速性。3.2

進(jìn)行配電系統(tǒng)接地保護(hù)定值核算，優(yōu)化降壓變零序保護(hù)配置相比較中高壓電氣系統(tǒng)，核電廠配電系統(tǒng)的保護(hù)定值核算和靈敏度校驗(yàn)工作在重視程度和執(zhí)行有效性方面都存在改進(jìn)的空間。尤其是針對(duì)配電系統(tǒng)接地保護(hù)的定值核算工作，因涉及各低壓配電盤(pán)饋線回路短路電流的計(jì)算，需收集的數(shù)據(jù)繁雜，同時(shí)需考慮系統(tǒng)、降壓變、低壓母排及低壓電纜的阻抗等信息，部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存在缺失；接地故障又存在金屬性接地、非金屬性接地等各種工況，都對(duì)配電接地保護(hù)的定值核算造成了困難，需要避免單一設(shè)備故障越級(jí)跳閘導(dǎo)致的整盤(pán)失電對(duì)核電機(jī)組造成瞬態(tài)沖擊，因此，有必要針對(duì)核電廠配電系統(tǒng)接地保護(hù)規(guī)范開(kāi)展定值核算和靈敏度校驗(yàn)工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)保護(hù)配置方面的問(wèn)題，予以改進(jìn)糾正。針對(duì)核電廠饋線接地保護(hù)和降壓變零序保護(hù)級(jí)差配合問(wèn)題，《廠用電繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》（DL/T1502—2016）9.2.3單相接地零序過(guò)流保護(hù)，關(guān)于動(dòng)作時(shí)間的整定方法要求如下：（1）下一級(jí)有零序過(guò)電流保護(hù)時(shí)，按與下一級(jí)單相接地零序過(guò)電流保護(hù)最大動(dòng)作時(shí)間配合進(jìn)行計(jì)算，級(jí)差時(shí)間可取O.2～O.3s。（2）下一級(jí)無(wú)零序過(guò)電流保護(hù)時(shí)，按與下一級(jí)相電流保護(hù)最大動(dòng)作時(shí)間配合進(jìn)行計(jì)算，級(jí)差時(shí)間可取O.2～O.3s?！洞笮桶l(fā)電機(jī)機(jī)組繼電保護(hù)整定計(jì)算與運(yùn)行技術(shù)》關(guān)于低壓廠用變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算中，也有針對(duì)低壓側(cè)中性點(diǎn)零序過(guò)流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的細(xì)致要求：變壓器中性點(diǎn)零序過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間可用定時(shí)限，也可用反時(shí)限，根據(jù)下一級(jí)零序過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作特性決定。當(dāng)?shù)蛪吼伨€無(wú)熔斷器保護(hù)時(shí)，變壓器中性點(diǎn)采用定時(shí)限零序過(guò)電流保護(hù)。當(dāng)?shù)蛪吼伨€有熔斷器保護(hù)時(shí)，變壓器中性點(diǎn)側(cè)過(guò)電流應(yīng)與熔斷器熔斷特性曲線配合，此時(shí)變壓器中性點(diǎn)側(cè)零序過(guò)流保護(hù)可采用反時(shí)限特性保護(hù)。為與熔斷器特性配合，其時(shí)限級(jí)差可取0.5～0.7s。根據(jù)以上規(guī)范要求，針對(duì)核電廠配電系統(tǒng)接地保護(hù)的級(jí)差配合問(wèn)題，需要優(yōu)化降壓變零序保護(hù)配置，主要包括以下兩點(diǎn)：（1）降壓變零序保護(hù)動(dòng)作時(shí)間不僅需要考慮與饋線接地保護(hù)最大動(dòng)作時(shí)間級(jí)差配合，還要考慮與饋線相電流保護(hù)的最大動(dòng)作時(shí)間級(jí)差配合，尤其是饋線采用熔斷器保護(hù)，需要結(jié)合熔斷器特性曲線考慮動(dòng)作時(shí)間。（2）早期投運(yùn)的核電廠，降壓變零序保護(hù)繼電器大多采用集成電路型繼電器，不具備反時(shí)限特性，可以利用集成電路型繼電器使用年限到期、老化換型的機(jī)會(huì)，更換為微機(jī)型零序保護(hù)繼電器，增設(shè)反時(shí)限動(dòng)作特性。3.3

注重剩余電流互感器選型，提升剩余電流互感器性能漏電保護(hù)作為核電廠配電系統(tǒng)接地故障的主要保護(hù)，在配電系統(tǒng)中得到了大量使用，而剩余電流互感器又是漏電保護(hù)中最關(guān)鍵的部件之一，其性能直接影響漏電保護(hù)動(dòng)作的可靠性。但在核電廠設(shè)備設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)維各環(huán)節(jié)中，往往忽視對(duì)剩余電流互感器的技術(shù)要求，導(dǎo)致漏電保護(hù)拒動(dòng)或誤動(dòng)，影響配電盤(pán)供電可靠性。筆者結(jié)合維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，主要有以下幾點(diǎn)優(yōu)化建議：（1）剩余電流互感器的選型，要注意其額定工作電流與回路額定電流相匹配。與回路額定電流偏差過(guò)大或過(guò)小，都會(huì)影響剩余電流互感器性能。前文案例所述的某C核電廠發(fā)生的3CVI101PO電動(dòng)機(jī)故障引起的剩余電流互感器飽和問(wèn)題，原因就在于其剩余電流互感器額定工作電流250A小于回路工作電流383.4A，導(dǎo)致負(fù)荷發(fā)生接地故障時(shí)，剩余電流互感器嚴(yán)重飽和，漏電保護(hù)拒動(dòng)。（2）漏電繼電器的工作環(huán)境和特點(diǎn)，決定需要選用的剩余電流互感器具有較大的變比、較大的飽和電流倍數(shù)、較大的容量。剩余電流互感器不僅需要檢測(cè)出正常運(yùn)行期間的負(fù)荷不平衡電流或絕緣劣化的漏電流，還要正確反映下游各種接地故障短路電流，尤其是饋線出口或負(fù)荷側(cè)入口的短路電流特別大，可能超過(guò)額定電流幾十倍。這種大跨度的電流傳變