核電廠中壓廠用電常見(jiàn)電氣事故及應(yīng)對(duì)處理

查東健，陳本林

（1.中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840；2. 海南核電有限公司，海南 海口 570125）

核電廠中壓廠用電常見(jiàn)電氣事故及應(yīng)對(duì)處理

查東健1，陳本林2

（1.中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840；2. 海南核電有限公司，海南 ?？?570125）

根據(jù)國(guó)內(nèi)核電工程建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試實(shí)踐和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，集中分析了中壓廠用電系統(tǒng)發(fā)生的典型事故案例，主要包括設(shè)備本體事故、開關(guān)意外合分閘、母線PT鐵磁諧振、單相接地事故、三相短路事故等，并且總結(jié)了事故特點(diǎn)、造成事故的常見(jiàn)原因，提出了相應(yīng)的預(yù)防措施和事后處理措施。為其他核電工程或電力建設(shè)項(xiàng)目提供了良好的經(jīng)驗(yàn)反饋和借鑒。

廠用電系統(tǒng)；不接地系統(tǒng)；三相短路事故；鐵磁諧振

核電廠廠用電系統(tǒng)為廠內(nèi)附屬設(shè)備提供電源，發(fā)電機(jī)、封閉母線、出口斷路器、主變、高廠變以及中壓配電裝置，完成電能在廠內(nèi)部分的傳輸。核電廠在生產(chǎn)電力過(guò)程中，有大量的以電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的機(jī)械被用以保證反應(yīng)堆、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等主設(shè)備和輔助設(shè)備的正常運(yùn)行。同時(shí)，還具有為核安全相關(guān)的設(shè)備提供可靠電源，以實(shí)現(xiàn)在核事故工況下的反應(yīng)堆安全。廠用電系統(tǒng)一般采用6 kV電壓等級(jí)［1］，且系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地。核電廠廠用電系統(tǒng)從建安階段的首次上電到發(fā)電機(jī)帶廠用電并網(wǎng)運(yùn)行這段時(shí)間較長(zhǎng)，期間易發(fā)生各種電氣事故。

1　中壓廠用電系統(tǒng)

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)不需要在中性點(diǎn)接任何設(shè)備，故實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為簡(jiǎn)單，且具有單相接地時(shí)允許帶故障運(yùn)行，接地電流僅為線路及設(shè)備的電容電流、供電的連續(xù)性好等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，平衡三相系統(tǒng)的中性點(diǎn)電位等于地的電位，三相導(dǎo)線對(duì)地電壓是相等的，均等于相電壓。當(dāng)一相導(dǎo)線接地故障時(shí)，該相的電位即變?yōu)榈氐碾娢唬行渣c(diǎn)的電位升至相電壓，而另外兩非故障相導(dǎo)線對(duì)地電位升至系統(tǒng)線電壓，也即非故障相的絕緣將受到比正常電壓大3倍的電壓。在實(shí)際運(yùn)行中，輸電線路和電機(jī)電容的導(dǎo)電部分，對(duì)地都存在分布電容。

核電廠中壓廠用電系統(tǒng)典型接線圖如圖1所示。

2　中壓配電裝置

6 kV中壓開關(guān)柜采用鎧裝型交流金屬封閉式。柜內(nèi)設(shè)備選用真空斷路器和FC（熔斷器和接觸器）混裝方案。根據(jù)饋線回路干式變和電動(dòng)機(jī)容量的大小，選用真空斷路器或者FC回路。

FC回路具有的保護(hù)功能分為電動(dòng)機(jī)保護(hù)和變壓器保護(hù)，設(shè)置有過(guò)流保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)和單相接地保護(hù)。

圖1　核電廠中壓廠用電系統(tǒng)典型接線圖Fig.1　Typical wiring of medium voltage service power system in nuclear power plant

真空斷路器回路分為進(jìn)線回路和大型電動(dòng)機(jī)回路，進(jìn)線回路設(shè)置過(guò)流保護(hù)，大型電動(dòng)機(jī)回路設(shè)置有過(guò)流保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)或單相接地保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)。

配電盤上下游進(jìn)出線斷路器根據(jù)過(guò)流保護(hù)整定值設(shè)定來(lái)實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)的選擇性。

3　廠用電事故分析

3.1設(shè)備本體事故

電氣設(shè)備本體由于制造質(zhì)量不過(guò)關(guān)、運(yùn)輸安裝中受損等，使用試驗(yàn)手段無(wú)法發(fā)現(xiàn)存在的缺陷，但運(yùn)行一段時(shí)間后暴露隱患，造成設(shè)備事故。

事例1：某核電機(jī)組處于調(diào)試啟動(dòng)過(guò)程中的反應(yīng)堆功率運(yùn)行模式，主變C相運(yùn)行中突發(fā)主變重瓦斯保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)、速斷保護(hù)同時(shí)動(dòng)作跳閘高壓開關(guān)，機(jī)組失去主廠外電源，反應(yīng)堆自動(dòng)停堆。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查看發(fā)現(xiàn)主變C相本體已開裂。事故前在絕緣油色譜分析中已經(jīng)檢測(cè)到乙炔含量異常增高，并且輕瓦斯有動(dòng)作記錄。經(jīng)分析，事故原因是主變絕緣紙板受潮導(dǎo)致內(nèi)部X柱高壓繞組（上分支）發(fā)生貫穿性短路所致。

事例2：某核電工程2號(hào)機(jī)組中壓配電盤停電檢修，在進(jìn)行主母線交流耐壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)電壓升高至14 kV即跳閘，經(jīng)配電盤拆解檢查，發(fā)現(xiàn)樹脂絕緣模塊開裂，對(duì)全廠配電盤停電檢查均發(fā)現(xiàn)相同問(wèn)題。而該設(shè)備制造廠供貨的相同類型配電盤應(yīng)用于全國(guó)在建的眾多核電工程，該型絕緣模塊發(fā)生的質(zhì)量共性問(wèn)題影響極大。

3.2開關(guān)意外分合閘

在核電廠調(diào)試階段和運(yùn)行初期，易發(fā)生開關(guān)意外合分閘事故，特別是6 kV開關(guān)工作位帶電情況下的意外分合閘，對(duì)設(shè)備和人身安全存在極大的安全隱患。開關(guān)的遠(yuǎn)方控制電纜的虛接、錯(cuò)接、端接時(shí)意外觸碰短接，將造成開關(guān)意外分合閘。人為誤操作也是造成開關(guān)意外分合閘事故的主要因素。

某工人在進(jìn)行中壓開關(guān)控制電纜端接時(shí)，由于不清楚作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，剪斷時(shí)意外形成電纜金屬截面短接，造成控制回路導(dǎo)通觸發(fā)中壓母線進(jìn)線開關(guān)跳閘而引發(fā)大面積停電。

3.3單相接地事故

核電工程建安階段是廠用電系統(tǒng)單相接地事故［2］的高發(fā)期，發(fā)生的單相接地事故原因主要有人體誤觸碰帶電體、電力電纜絕緣破損、電纜屏蔽層處理不當(dāng)?shù)?。發(fā)生單相接地事故可通過(guò)該回路保護(hù)裝置報(bào)警信息和故障錄波電壓波形圖分析定位對(duì)應(yīng)的故障回路。

單相接地事故分為金屬性接地和非金屬性接地，發(fā)生金屬性接地時(shí)該相相電壓為零，其他兩相相電壓為線電壓，錄波電壓波形圖容易判斷出。實(shí)際工程中常發(fā)生非金屬性接地，尤其是電纜絕緣缺陷情況下的弧光接地。發(fā)生弧光接地時(shí)，相電壓不為零，由于零序電壓保護(hù)一般設(shè)定為15 V，弧光接地初期一般探測(cè)不到，只有當(dāng)事故擴(kuò)大后，才觸發(fā)報(bào)警，而此時(shí)不斷交替振蕩的弧光和過(guò)電壓將會(huì)引發(fā)電纜燒毀，導(dǎo)致兩相短路或三相短路跳閘；如果弧光電壓與電纜托盤、金屬框架、大地形成電流回路，將會(huì)干擾控制電纜、測(cè)量電纜信號(hào)。人體誤觸碰帶電體也會(huì)引起非金屬性接地，由于接地保護(hù)只報(bào)警，這種情況下對(duì)人身安全極其危險(xiǎn)，此類事故已發(fā)生過(guò)多起，造成了重大人身傷亡。

事例1：某核電工程備用電源試驗(yàn)期間，通過(guò)中壓斷路器給下游電功率為28 MVA的電鍋爐送電，在電鍋爐啟動(dòng)和穩(wěn)步加載至額定功率時(shí)一直運(yùn)行平穩(wěn)，在電鍋爐減載階段，發(fā)生單相接地故障報(bào)警，操作人員緊急分閘斷路器。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)電纜C相某處已燒毀，緊挨的正常電纜已被弧光灼燒鼓包。經(jīng)調(diào)查，該事故為電纜外層絕緣（護(hù)套）被外力破壞所致。

事例2：某核電機(jī)組主變和高廠變由電網(wǎng)送電期間，由于高廠變至中壓配電盤的電力電纜屏蔽層直接懸空而未進(jìn)行絕緣處理，在送電瞬間觸發(fā)單相接地故障報(bào)警。檢查發(fā)現(xiàn)，電力電纜屏蔽層感應(yīng)電壓對(duì)金屬托架弧光放電觸發(fā)回路過(guò)電壓。通過(guò)該次事故的經(jīng)驗(yàn)反饋，檢查全廠電纜屏蔽層處理情況，發(fā)現(xiàn)多處存在相同的問(wèn)題。

此外，電纜頭的金屬屏蔽層接地線與零序電流互感器安裝穿線方式錯(cuò)誤，易引起零序電流保護(hù)誤動(dòng)，觸發(fā)虛假的單相接地。工程中常犯的錯(cuò)誤有金屬屏蔽層接地線穿過(guò)零序電流互感器直接接地；金屬屏蔽層接地線未在零序電流互感器內(nèi)正確回穿，正確的做法應(yīng)該是先將接地線做絕緣再進(jìn)行回穿接地。

3.4三相短路事故

中壓廠用電系統(tǒng)發(fā)生三相短路事故對(duì)短路回路的電氣設(shè)備影響最嚴(yán)重，特別是對(duì)大型油浸變壓器和應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)的損害。大型油浸變壓器的三相短路事故，實(shí)質(zhì)可以看成變壓器近區(qū)短路［3］，在大短路電流沖擊下，將導(dǎo)致變壓器繞組變形，引起局部放電，匝間、股間短路，嚴(yán)重時(shí)造成主絕緣放電或完全擊穿。事故后，短路回路需要通過(guò)全面的檢查、驗(yàn)算和試驗(yàn)，綜合評(píng)估對(duì)電氣設(shè)備的影響，嚴(yán)重情況下設(shè)備需返廠檢修甚至直接報(bào)廢。此外，一旦事故斷電，將引發(fā)低壓電源和工藝負(fù)荷失電，造成重大運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。而且事故后評(píng)估和處理需很長(zhǎng)一段時(shí)間，這將直接影響到機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

事例1：在某次對(duì)中壓安全盤母線送電時(shí)，操作人員在未檢查地刀狀態(tài)及測(cè)量母線絕緣電阻下，對(duì)中壓安全盤上游斷路器直接合閘，造成以母線地刀閉合接地為短路點(diǎn)的三相短路事故，由于斷路器過(guò)流保護(hù)選擇性設(shè)置不當(dāng)觸發(fā)越級(jí)跳閘，造成停電范圍擴(kuò)大。經(jīng)分析，本次三相短路峰值電流50.8 kA，穩(wěn)態(tài)短路電流21.3 kA，短路電流持續(xù)時(shí)間0.35 s。事故后，對(duì)短路回路電氣設(shè)備重新進(jìn)行檢查。通過(guò)短路參數(shù)對(duì)安全盤母線動(dòng)穩(wěn)定、電纜熱穩(wěn)定、斷路器和隔離手車進(jìn)行驗(yàn)算。重新對(duì)斷路器、隔離手車和高壓廠用變壓器進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)，綜合評(píng)估設(shè)備的可用性和可靠性。

事例2：在啟動(dòng)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組空載運(yùn)行進(jìn)行廠用電源切換試驗(yàn)中，意外發(fā)生應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的出線斷路器與電網(wǎng)不同期合閘，造成以發(fā)電機(jī)的星型不接地定子繞組為短路點(diǎn)的三相短路事故。事故造成發(fā)電機(jī)阻尼繞組斷裂、旋轉(zhuǎn)整流二極管燒毀，發(fā)電機(jī)整體返廠檢修。返回現(xiàn)場(chǎng)安裝后，重新進(jìn)行一系列試驗(yàn)，并對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行評(píng)估。

3.5中壓母線鐵磁諧振事故

在中性點(diǎn)不接地電力系統(tǒng)中，由于電磁式電壓互感器激磁特性的非線性，易發(fā)生母線鐵磁諧振事故［4］。鐵磁諧振是系統(tǒng)回路發(fā)生擾動(dòng)，導(dǎo)致電壓互感器鐵芯飽和而引起的一種躍變，這一躍變使得系統(tǒng)回路由原來(lái)的電感性工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙菪怨ぷ鳡顟B(tài)，在躍變過(guò)程中電流激增，電壓也隨著增加，從而產(chǎn)生了過(guò)電壓。在建核電機(jī)組多次發(fā)生中壓母線鐵磁諧振事故，而事故一般發(fā)生在通過(guò)變壓器降壓空充母線段。

某核電工程由220 kV電網(wǎng)通過(guò)輔助變降壓空充6 kV中壓母線，發(fā)生強(qiáng)烈的諧振過(guò)電壓。諧振過(guò)電壓數(shù)值達(dá)到了2倍多的相電壓，零序電壓超過(guò)100 V，觸發(fā)接地報(bào)警。重新檢查后多次空充均發(fā)生鐵磁諧振事故。而特殊之處在于微機(jī)二次消諧裝置多次動(dòng)作后仍自激起振。采用增加電容和阻尼消諧后諧振得到了有效抑制，但退出后又自激起振。而在其他核電工程中，也發(fā)生類似的自激起振事故。

鐵磁諧振現(xiàn)象為一相電壓降低、其他兩相電壓升高，出現(xiàn)零序電壓高觸發(fā)接地故障報(bào)警，這種接地常稱為虛幻接地。與真實(shí)的接地故障相比，兩者都會(huì)觸發(fā)接地故障報(bào)警，區(qū)別在于鐵磁諧振引發(fā)的虛幻接地一般發(fā)生在空充母線段，下游饋線負(fù)荷送電時(shí)不發(fā)生。發(fā)生鐵磁諧振時(shí)，母線段配置的微機(jī)消諧裝置會(huì)動(dòng)作消諧并報(bào)警。根據(jù)工程建設(shè)實(shí)踐統(tǒng)計(jì)，真實(shí)的接地故障通常發(fā)生在下游饋線負(fù)荷送電時(shí)，且回路接地保護(hù)裝置將動(dòng)作報(bào)警。核電廠運(yùn)行和維護(hù)人員應(yīng)綜合以上情況判斷發(fā)生何種事故，便于使用相應(yīng)的處理措施。

4　事故預(yù)防措施和處理措施

電氣設(shè)備由于本身質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致的事故，較難事前判斷和預(yù)防。在設(shè)備選型和采購(gòu)中，選用成熟可靠、經(jīng)驗(yàn)證的設(shè)備，提高制造質(zhì)量、加強(qiáng)設(shè)備監(jiān)造，可有效減少設(shè)備質(zhì)量問(wèn)題。另外，對(duì)電氣主設(shè)備采用絕緣在線監(jiān)測(cè)方法，如變壓器絕緣油色譜分析在線監(jiān)測(cè)裝置，可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)絕緣油中溶解氣體含量。

為有效預(yù)防單相接地事故，建議送電前檢查電力電纜絕緣情況，特別是中間接頭、終端接頭和彎曲處，屏蔽層的處理應(yīng)按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行絕緣或接地，嚴(yán)禁屏蔽層懸空，同時(shí)應(yīng)檢查接地線與零序電流互感器的回穿情況。對(duì)絕緣狀況有懷疑時(shí)，可進(jìn)行5 kV的絕緣電阻測(cè)試或交流耐壓試驗(yàn)。單相接地事故發(fā)生在電纜較長(zhǎng)難以定位故障點(diǎn)時(shí)，一般采用單臂電橋法或使用智能定位儀查找故障點(diǎn)。中壓系統(tǒng)上下級(jí)零序保護(hù)應(yīng)具備選擇性，特別是通過(guò)廠用電供電給電廠生活辦公區(qū)時(shí)，級(jí)數(shù)比較多，應(yīng)進(jìn)行校核和試驗(yàn)，避免發(fā)生越級(jí)跳閘。

自激發(fā)的鐵磁諧振，是以系統(tǒng)電源電勢(shì)為諧振源，工頻為諧振頻率的系統(tǒng)固有諧振，二次微機(jī)消諧裝置無(wú)法消諧，只能破壞諧振參數(shù)，通過(guò)采用增加系統(tǒng)電容值（投入電容器或電纜）的臨時(shí)措施。在設(shè)計(jì)、設(shè)備選型以及首次送電前，應(yīng)驗(yàn)算諧振參數(shù)，實(shí)地測(cè)試的方法可以獲得較正確的單相電容值。如果出現(xiàn)自激發(fā)鐵磁諧振風(fēng)險(xiǎn)較高時(shí)，可通過(guò)改變參數(shù)，增加阻尼消諧。

高廠變、主變發(fā)生三相短路事故（近區(qū)短路），應(yīng)進(jìn)行絕緣電阻測(cè)量、各分接位的繞組直流電阻測(cè)量、繞組連同套管的電容量測(cè)試、低電壓短路阻抗測(cè)試、頻響法繞組變形試驗(yàn)，24h內(nèi)應(yīng)采樣進(jìn)行絕緣油色譜分析，與事故前色譜分析綜合對(duì)比，特別注意乙炔含量的變化，此外還可以進(jìn)行油中微量元素銅、鐵等的檢測(cè)，并做好歷史記錄。應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)生三相短路事故，建議回廠處理，返回后還應(yīng)進(jìn)行相關(guān)預(yù)防性試驗(yàn)、短路試驗(yàn)、空載試驗(yàn)、并網(wǎng)滿載和過(guò)載運(yùn)行試驗(yàn)等，從而綜合考量應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的帶載能力及運(yùn)行可靠性。采用分裂繞組的高壓變，可增強(qiáng)變壓器的抗短路能力；提高廠用電過(guò)流保護(hù)的速動(dòng)性和選擇性，壓縮保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，可緩減事故后果。針對(duì)事故回路的電氣設(shè)備，應(yīng)單獨(dú)建立設(shè)備狀態(tài)檔案，運(yùn)行中加強(qiáng)關(guān)注和巡檢，縮短檢修和維護(hù)周期，根據(jù)設(shè)備狀態(tài)調(diào)整預(yù)防性試驗(yàn)項(xiàng)目和周期，同時(shí)做好歷史數(shù)據(jù)記錄以作綜合評(píng)價(jià)。

5　結(jié)論

在核電工程建設(shè)和運(yùn)行初期，熟悉各種電氣事故的類型、原因、特點(diǎn)和處理措施，不僅可以展開針對(duì)性的預(yù)防工作、監(jiān)控措施和人因管理，避免人因失誤導(dǎo)致的事故發(fā)生［5］，也有利于做好應(yīng)急組織管理工作，積極有效、快速響應(yīng)事故處理，保證廠用電系統(tǒng)安全穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行。

［1］ 王寧. 核電機(jī)組電氣設(shè)計(jì)分析［J］. 中國(guó)核電，2012，5（4）.（WANG Ning. Electric Design and Analysis for Nuclear Power Plant［J］. China Nuclear Power， 2012， 5（4）. ）

［2］ 申婷婷.發(fā)電廠6kV母線常見(jiàn)故障及處理［J］. 中國(guó)科技信息，2013（23）.（SHEN Ting-ting. Common Failure and Treatment for 6 kV Busbar in Nuclear Power Plant［J］. China Science and Technology Information， 2013（23）. ）

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Electrical Accidents and Corresponding Treatment of Medium Voltage Service Power System in Nuclear Power Plant

ZHA Dong-jian1， CHEN Ben-lin2
（1. China Nuclear Power Engineering Co.， Ltd.， Beijing 100840，China； 2.Hainan Nuclear Power Co.， Ltd.， Haikou， Hainan Prov. 570125， China）

According to the commissioning practice and operating experience in nuclear power plant construction phase， the paper focused on the analysis of typical accidents in medium voltage service power system， mainly including electrical switch gear accidents， breakers unexpecteds witching， ferromagnetic resonance in the power system， single-phase grounding accidents， three-phase short-circuit accidents，and summarized the common cause and the characteristics of these accidents. Therefore， the paper puts forward some corresponding preventive measures and handling measures. In conclusion， these accidents and treatment measures mentioned in the paper can be good experience feedback and reference for other nuclear power plant construction.

service power system； ungrounded system； three-phase short-circuit accident；ferromagnetic resonance

TM623 Article character：A Article ID：1674-1617（2016）03-0274-05

TM623

A

1674-1617（2016）03-0274-05

2016-04-19

查東健（1981—），男，江蘇人，工程師，碩士，從事核電廠調(diào)試與管理方面的工作。