某核電站一期2 號(hào)機(jī)反應(yīng)堆棒控電源電動(dòng)機(jī)異常跳閘原因分析及處理

鄧乃木

（中廣核核電運(yùn)營(yíng)有限公司，廣東 深圳518124）

1 引言

某核電站一期擁有兩臺(tái)984MW 的核電機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組擁有獨(dú)立的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電源系統(tǒng)RAM。它負(fù)責(zé)向控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供電壓為260V、頻率50Hz 且中性點(diǎn)絕緣的交流電源。它由兩套電源組成，正常運(yùn)行時(shí)，兩套電源并列運(yùn)行各承擔(dān)50%的額定負(fù)荷。當(dāng)一套電源裝置發(fā)生故障或停運(yùn)維修時(shí)，另一套電源裝置能夠提供100%的負(fù)荷要求。如果兩臺(tái)發(fā)電機(jī)出口出現(xiàn)開關(guān)斷開或RAM 系統(tǒng)電源全部失去，控制棒組靠其自身重力在1.2s 內(nèi)落入堆芯，使反應(yīng)堆緊急停堆。

本文針對(duì)某核電站一期2 號(hào)機(jī)組反應(yīng)堆棒控電源電動(dòng)機(jī)（L2RAM001MO）異常跳閘事件，分析設(shè)備異常的根本原因，并提出相應(yīng)的處理措施。

2 問題描述

L2RAM001MO 設(shè)備參數(shù)為額定電壓Un 為380V，額定功率為135kW 的異步電動(dòng)機(jī)。其額定頻率50Hz，轉(zhuǎn)速1482rpm，效率92%。失步轉(zhuǎn)矩電壓0.7Un，定于銅繞組絕緣等級(jí)為F。L2RAM001MO 由額定電壓為 380V 的交流配電盤L2LKA001TB 供電， 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式為直接全壓?jiǎn)?dòng)。L2LKA001TB 為TT 系統(tǒng)，其L2RAM001MO 電動(dòng)機(jī)饋線開關(guān)L2LKA103 配備接地保護(hù)、電流速斷保護(hù)、過載保護(hù)。

2018 年3 月1 日，在此核電站2 號(hào)機(jī)組第14 次換料大修過程中，檢修人員進(jìn)行RAM 系統(tǒng)再鑒定工作，啟動(dòng)L2RAM001MO 時(shí)，電動(dòng)機(jī)饋線電源開關(guān)L2LKA103 零序保護(hù)跳閘。此故障模式為2 號(hào)機(jī)組RAM 系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行14 個(gè)周期后首次出現(xiàn)，每個(gè)運(yùn)行周期為1 年。而在2018 年2 月28 日，檢修人員剛進(jìn)行過RAM 系統(tǒng)空載試驗(yàn)，啟動(dòng)L2RAM001MO運(yùn)行正常。RAM 系統(tǒng)空載至再鑒定期間，系統(tǒng)設(shè)備無檢修活動(dòng)且設(shè)備狀態(tài)無改變。

3 原因分析

零序保護(hù)的動(dòng)作原理是基于基爾霍夫電流定律：流入電路的任一節(jié)點(diǎn)的復(fù)電流的代數(shù)和等于零。它是利用電流互感器作為取樣元件，讓三相線路穿過同一個(gè)電流互感器。當(dāng)三相負(fù)荷平衡時(shí)，無接地故障，不考慮正常泄露電流時(shí)，零序電流為零；當(dāng)三相負(fù)荷不平衡時(shí)，零序電流包含不平衡電流。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，產(chǎn)生單相接地故障電流。零序電流為三相不平衡電流與單相接地故障電流的矢量和。零序保護(hù)動(dòng)作的可能原因如下。

3.1 棒控電源電動(dòng)機(jī)故障

3.1.1 棒控電源電動(dòng)機(jī)阻值不平衡

電動(dòng)機(jī)繞組的電阻不平衡時(shí)，產(chǎn)生不平衡電流。當(dāng)不平衡電流增大至零序保護(hù)繼電器動(dòng)作閾值會(huì)造成零序保護(hù)動(dòng)作。在冷態(tài)下，采用雙臂電橋?qū)﹄妱?dòng)機(jī)繞組進(jìn)行測(cè)量。所測(cè)得的各相電阻偏差與其最小值的百分比，不得超過5%。即：

上式中Ra——相電阻平均值，如果超出規(guī)定范圍，則表示繞組中有短路、斷路、焊接頭接觸不良、匝數(shù)有誤差或某相繞組線徑用錯(cuò)等故障。經(jīng)測(cè)量，電機(jī)三相繞組阻值如表1，計(jì)算所得不平衡度為0.81%，滿足標(biāo)準(zhǔn)。因此排除電動(dòng)機(jī)繞組值不平衡造成零序保護(hù)動(dòng)作的可能。

表1 L2RAM001MO 繞組電阻測(cè)量結(jié)果

3.1.2 棒控電源電動(dòng)機(jī)接地故障

大型電動(dòng)機(jī)可以通過測(cè)量絕緣電阻來判斷繞組是否受潮及接地。對(duì)于額定電壓500V 以下的電動(dòng)機(jī)一般采用500V 兆歐表進(jìn)行測(cè)量，其絕緣電阻冷態(tài)不應(yīng)低于1MΩ，熱態(tài)時(shí)絕緣電阻應(yīng)不低于0.5MΩ。L2RAM001MO 繞組采用星型鏈接，繞組對(duì)地絕緣為177MΩ，滿足標(biāo)準(zhǔn)。因此排除電動(dòng)機(jī)接地故障的可能性。

3.2 動(dòng)力電纜接地故障

棒控電源電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力電纜不帶鎧裝及接地線。當(dāng)三相電纜出現(xiàn)接地故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生接地故障電流。對(duì)L2LKA103 開關(guān)至L2RAM001MO 的動(dòng)力電纜進(jìn)行絕緣檢查，結(jié)果如表2。

表2 L2LKA103 開關(guān)至L2RAM001MO 動(dòng)力電纜檢查

測(cè)量結(jié)果表明，三相動(dòng)力電纜對(duì)地絕緣值滿足要求，因此排除動(dòng)力電纜出現(xiàn)接地故障的可能。

3.3 零序保護(hù)繼電器誤動(dòng)作

零序保護(hù)繼電器為ALSTOM 生產(chǎn)，型號(hào)為DIMAX 111C，其動(dòng)作閾值的工作范圍為0.5IΔn≤Is≤IΔn，式中IΔn——電流互感器采樣得到的電流信號(hào)?？梢姡瑒?dòng)作閾值的0.5 倍至1 倍之間都存在零序保護(hù)繼電器動(dòng)作的可能性。由于零序保護(hù)的精度較粗，當(dāng)零序保護(hù)繼電器整定值飄移，會(huì)出現(xiàn)零序保護(hù)繼電器誤動(dòng)作。現(xiàn)場(chǎng)零序保護(hù)繼電器整定值3A，動(dòng)作時(shí)間設(shè)定為小于0.4s。對(duì)零序保護(hù)繼電器進(jìn)行校驗(yàn)，結(jié)果如表3。

表3 L2LKA103 開關(guān)零序保護(hù)繼電器校驗(yàn)

經(jīng)過測(cè)量，可以判斷零序繼電器整定值未飄移，動(dòng)作時(shí)間合格，因此排除零序保護(hù)繼電器誤動(dòng)作的可能。

3.4 外界因素

3.4.1 零序互感器安裝不規(guī)范

使用互感器時(shí)，要求測(cè)量回路與被測(cè)系統(tǒng)隔離，以保障工作人員和測(cè)試設(shè)備的安全?，F(xiàn)場(chǎng)專業(yè)人員檢查互感器測(cè)量回路靠近動(dòng)力電纜。RAM001MO 電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流峰值達(dá)1396A。變化的磁場(chǎng)會(huì)干擾互感器的測(cè)量回路，造成DIMAX 111C 繼電器動(dòng)作，使零序保護(hù)誤動(dòng)作?，F(xiàn)場(chǎng)布置如圖1。

圖1 L2LKA103 零序互感器現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)安裝的零序電流互感器非水平放置，穿過零序電流互感器的三相動(dòng)力電纜非“品”字型布置，而是呈“一”字型排列。當(dāng)三相動(dòng)力電纜呈“一”字排列穿過互感器線圈且緊貼線圈時(shí)，穿過線圈截面的交變磁通非均勻?qū)ΨQ，在交變磁場(chǎng)作用下，對(duì)磁化電流、磁滯電流分量及渦流電流分量產(chǎn)生影響。因此，現(xiàn)場(chǎng)零序互感器的安裝不規(guī)范會(huì)影響電路互感器的勵(lì)磁電流，對(duì)電流互感器的測(cè)量誤差產(chǎn)生影響。結(jié)合此核電站L2LKA103 開關(guān)現(xiàn)場(chǎng)初始安裝工況，可以認(rèn)為，初始工況下L2RAM001MO 啟動(dòng)時(shí)零序互感器采樣到的電流信號(hào)已接近DIMAX 111C 繼電器的動(dòng)作閾值。

3.4.2 天氣潮濕

2018 年3 月1 日，RAM 系統(tǒng)再鑒定時(shí)天氣變化，為大霧天氣?？諝庵写罅康乃指淖兞司€路對(duì)地電容的電介質(zhì)常數(shù)。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，線路對(duì)地電容在交變電場(chǎng)下形成的充電電流增大，即線路對(duì)地電容的泄露電流增大。

分析認(rèn)為，初始工況下L2RAM001MO 啟動(dòng)時(shí)零序互感器采樣到的電流信號(hào)已接近DIMAX 111C 繼電器的動(dòng)作閾值，疊加天氣變化后，線路對(duì)地電容泄露電流增大的因素，使突破了DIMAX 111C 繼電器的動(dòng)作閾值，從而零序保護(hù)動(dòng)作。

4 處理過程

4.1 電流互感器安裝位置消缺

調(diào)整電流互感器線圈接線的布置方式，將互感器線圈接線相互纏繞并遠(yuǎn)離動(dòng)力電纜，以減少大電流流經(jīng)動(dòng)力電纜時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)電流互感器測(cè)量回路的干擾。調(diào)整電流互感器線圈的安裝位置，將三相動(dòng)力電纜呈“品”字型穿過電流互感器線圈，盡量將動(dòng)力電纜置于線圈正中間，以減少電流互感器的測(cè)量誤差。經(jīng)調(diào)整處理后，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置如圖2，啟動(dòng)L2RAM001MO 5 次，棒控電源電動(dòng)機(jī)均正常啟動(dòng)。

4.2 零序保護(hù)整定值調(diào)整

由于調(diào)整L2LKA103 零序互感器安裝位置及二次接線的布線方式，提高了零序互感器抗干擾能力，使L2RAM001MO成功啟動(dòng)。但L2RAM001MO 啟動(dòng)時(shí)，零序電流接近零序保護(hù)動(dòng)作閾值的工況依然存在。因此需要調(diào)整L2LKA103 開關(guān)零序保護(hù)整定值。對(duì)于容量為100kW 及以上的電動(dòng)機(jī)單相接地保護(hù)整定值應(yīng)躲過電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的最大不平衡電流，可按電動(dòng)機(jī)的額定電流的25%～30%，即：

上式中，Kcoef 為不平衡系數(shù)，取0.25～0.3。Im.n 為電動(dòng)機(jī)的額定電流。保護(hù)動(dòng)作時(shí)限整定為0.2～0.3s。

圖2 調(diào)整后電流互感器現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

上式中，Ko.sef 為靈敏系數(shù)，要求大于或等于1.5。Isc.gf.min 為電動(dòng)機(jī)端單相接地時(shí)的故障電流。Io.op.set 為零序保護(hù)電流設(shè)定值。根據(jù)電動(dòng)機(jī)參數(shù)計(jì)算得出，Io.op.set 應(yīng)小于等于71.05A?？梢园l(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)零序保護(hù)繼電器整定值為3A，使零序保護(hù)的靈敏系數(shù)過高。因此，在不進(jìn)行DIMAX 111C 繼電器換型改造的前提下，調(diào)整LKB103 開關(guān)零序保護(hù)整定值，從3A調(diào)整到10A。10A 為DIMAX 111C 繼電器整定值的最大量程。

5 事件反饋

反饋檢查同類型大電機(jī)負(fù)載的零序保護(hù)互感器安裝情況。對(duì)零序互感器安裝不當(dāng)或存在零序互感器二次接線受干擾的潛在工況及時(shí)調(diào)整和處理。

6 結(jié)語

通過對(duì)RAM 電機(jī)饋線開關(guān)零序動(dòng)作跳閘的研究，總結(jié)了此類大功率異步電機(jī)啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)上游電源開關(guān)零序跳閘的故障查找方法。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，為后續(xù)機(jī)組出現(xiàn)同類問題的處理提供了良好的參考和借鑒。