核電站MPD100A-M保護(hù)控制器誤動原因分析及改進(jìn)措施

董 磊， 吳水平， 梁嘉豪

(中廣核核電運(yùn)營有限公司，廣東 深圳 518048)

某核電站年度維修期間，在進(jìn)行凝汽器真空系統(tǒng)電機(jī)功能再鑒定試驗(yàn)時，電機(jī)正常投運(yùn)45分鐘后停運(yùn)?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)保護(hù)控制器故障指示燈亮，顯示保護(hù)控制器保護(hù)動作，同時遠(yuǎn)方控制臺出現(xiàn)電機(jī)故障報警。本文就該事件進(jìn)行原因分析。

1 MPD100A-M保護(hù)控制器基本結(jié)構(gòu)及保護(hù)功能

1.1 基本結(jié)構(gòu)

MPD100A-M保護(hù)控制器適用于交流50Hz、額定電壓至690V、額定電流至100A(100A以上需外部保護(hù)級電流互感器)的交流電動機(jī)，它通過操作交流電動機(jī)控制回路中的接觸器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟停操作。控制器主要由四部分組成：本體模塊、顯示操作模塊、互感器模塊和擴(kuò)展模塊。

本體模塊主要用于實(shí)現(xiàn)控制器對交流電機(jī)的控制，外部連接電流互感器模塊，將互感器采集的數(shù)據(jù)與內(nèi)部設(shè)定參數(shù)進(jìn)行分析比較，從而對電機(jī)的控制回路發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的各項(xiàng)保護(hù)和控制功能，屬于保護(hù)控制器的核心模塊。

電流互感器模塊根據(jù)母線額定電流分為多種規(guī)格，每種規(guī)格的互感器均有10倍線性的過載能力。當(dāng)載荷電流在100A以下時，只需選用小型電流互感器模塊即可。當(dāng)載荷電流大于100A時，需要采用兩級電流互感器進(jìn)行信號采集，并必須選用5A規(guī)格的電流互感器模塊作為二級互感器。一二級互感器的接線必須按照互感器標(biāo)明的方向進(jìn)行繞線，反方向繞線或相序錯誤都會引起功率測量錯誤。本體模塊及互感器模塊如圖1所示。

圖1 控制器本體(左)及互感器(右)示意圖

1.2 保護(hù)功能

該核電站保護(hù)控制器投用了啟動超時保護(hù)、熱過載保護(hù)、過流保護(hù)及堵轉(zhuǎn)保護(hù)，由于控制器在電機(jī)投運(yùn)45分鐘后動作，可以排除啟動超時保護(hù)異常，而后續(xù)對下游電機(jī)進(jìn)行檢查，確定電機(jī)運(yùn)行無異常，無堵轉(zhuǎn)卡澀現(xiàn)象，控制器異常動作的主要原因集中在熱過載保護(hù)和過流保護(hù)。

1.2.1 熱過載保護(hù)

保護(hù)控制器的熱過載保護(hù)綜合考慮電動機(jī)正序、負(fù)序電流所產(chǎn)生的熱效應(yīng)，為電動機(jī)各種過負(fù)荷提供保護(hù)。電動機(jī)的熱源主要是正負(fù)序電流在電動機(jī)內(nèi)的銅耗，引入等效電流Ieq作為熱過載保護(hù)的輸入電流：

(1)

(1)式中，I1和I2分別為正序電流和負(fù)序電流；K1為正序電流發(fā)熱系統(tǒng)，電動機(jī)起動過程中，取K1=0.5，起動結(jié)束K1=1；K2為負(fù)序電流發(fā)熱系數(shù)，取值范圍為3～10，查詢電站定值手冊[1]，核電站保護(hù)控制器取K2=6。

當(dāng)電機(jī)熱過載發(fā)生之前電動機(jī)處于“冷態(tài)”，即起動運(yùn)行后發(fā)生熱過載故障，熱過載保護(hù)的動作時間與電流之間的特性曲線符合如下公式：

(2)

(2)式中，t為動作時間,τ為電動機(jī)發(fā)熱時間常數(shù),In為保護(hù)控制器的額定電流,Ie為電動機(jī)額定電流，k為系數(shù)[2]，取值范圍0.8～1.2，kIe表示電動機(jī)允許長時間工作的極限電流。

1.2.2 過流保護(hù)

過流保護(hù)設(shè)定起動延時時間T0，在電動機(jī)起動過程中過流保護(hù)不啟動，經(jīng)過設(shè)定的起動延時時間T0后，如果任一相電流超過保護(hù)動作設(shè)定值，且持續(xù)時間超過T1時間后停運(yùn)電機(jī)。

通過KIC(核電站實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng))查詢電機(jī)故障停運(yùn)前運(yùn)行數(shù)據(jù)及讀取保護(hù)控制器內(nèi)部設(shè)定參數(shù)，發(fā)現(xiàn)電機(jī)在正常啟動31s后，運(yùn)行電流穩(wěn)定在230A左右，而控制器實(shí)際設(shè)定過流保護(hù)定值為400A，運(yùn)行電流小于保護(hù)動作設(shè)定值，保護(hù)控制器過流功能無法啟動，所以排除過流保護(hù)動作可能，確定電機(jī)異常停運(yùn)是由于保護(hù)控制器熱過載保護(hù)動作導(dǎo)致，并對熱過載保護(hù)誤動作進(jìn)行近一步分析。

2 保護(hù)控制器故障原因分析

2.1 熱過載保護(hù)曲線分析

(3)

(3)式中I的數(shù)值即電機(jī)運(yùn)行的實(shí)際電流值。查詢核電站定值手冊[1]可知τ為60min；電動機(jī)允許長時間的極限電流kIe=105%In；將相應(yīng)系數(shù)代入式(2)，可知熱過載保護(hù)的動作時間與電流之間的特性曲線公式如下：

(4)

通過數(shù)據(jù)仿真可以得到電機(jī)在“冷態(tài)”發(fā)生熱過載故障動作時間與運(yùn)行電流之間的特性曲線，如圖2所示：

圖2 電機(jī)“冷態(tài)”下熱過載保護(hù)特性曲線圖

查詢核電站定值手冊[1],In為375A，而電機(jī)在跳閘前期的運(yùn)行電流在230A，低于保護(hù)控制器的熱過載動作定值，通過特性曲線可知，運(yùn)行電流達(dá)不到熱過載保護(hù)動作要求，所以理論上該工況下不會出現(xiàn)保護(hù)控制器熱過載動作停運(yùn)電機(jī)。

2.2 保護(hù)控制器故障進(jìn)一步分析

(5)

通過數(shù)據(jù)仿真可以得到互感器接線錯誤情況下電機(jī)在“冷態(tài)”發(fā)生熱過載故障動作時間與運(yùn)行電流之間的特性曲線，如圖3所示：

圖3 互感器接線錯誤情況下電機(jī)“冷態(tài)”熱過載保護(hù)特性曲線圖

電機(jī)在跳閘前期的運(yùn)行電流I為230A，與電機(jī)設(shè)定額定電流In=375A的運(yùn)行電流比值在0.42～1.2之間，此時保護(hù)控制器熱過載保護(hù)啟動。將Ieq代入公式(2)得到保護(hù)控制器熱過載動作時間：

(6)

現(xiàn)場電機(jī)在啟動45min后異常停運(yùn)，將現(xiàn)場實(shí)際電流值與KIC顯示的誤差、及運(yùn)行電流的波動考慮在內(nèi)，其熱過載動作時間是符合的，可以確定該次保護(hù)控制器的熱過載保護(hù)誤動作是由于一二級互感器接線錯誤導(dǎo)致。

3 結(jié)論和改進(jìn)措施

通過分析發(fā)現(xiàn)凝汽器真空系統(tǒng)電機(jī)異常停運(yùn)的根本原因是保護(hù)控制器的一二級互感器接線錯誤，導(dǎo)致功率測量錯誤，引起控制器熱過載保護(hù)動作，最終導(dǎo)致電機(jī)異常停運(yùn)。

建議后續(xù)在對類似的保護(hù)控制器進(jìn)行檢修時，著重檢查互感器的接線情況，并通過向互感器注入模擬電流信號，檢驗(yàn)控制器的保護(hù)功能完好，確保電機(jī)正常運(yùn)行。在每次電機(jī)功能再鑒定試驗(yàn)中記錄電機(jī)及控制器相關(guān)數(shù)據(jù)，建立檔案；同時，根據(jù)電站設(shè)計基準(zhǔn)需求，制定互感器周期更換計劃，杜絕類似事件再次發(fā)生。