核電廠低壓配電系統(tǒng)接地保護(hù)配置優(yōu)化探討

摘要：通過對近年來核電廠低壓配電系統(tǒng)負(fù)荷接地故障導(dǎo)致的越級跳閘等事故進(jìn)行分析，分析了造成接地保護(hù)不正確動作的根本原因，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，并提出了改進(jìn)建議，以防止同類問題反復(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;接地保護(hù);剩余電流;越級跳閘;配置優(yōu)化

0 引言

核電廠大部分廠用電負(fù)荷通過380 V低壓交流配電系統(tǒng)供電。380 V低壓配電系統(tǒng)主要向功率小于160 kW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)荷和核安全無關(guān)負(fù)荷。提高低壓配電系統(tǒng)的供電可靠性，對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)荷主要包括電動機(jī)、加熱器、閥門、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，配電系統(tǒng)接地故障數(shù)量約占總故障數(shù)量的75%以上。針對單一負(fù)荷的接地故障，如果保護(hù)能夠正確動作切除故障，不會影響核電機(jī)組的正常運行。近年來，核電廠配電系統(tǒng)負(fù)荷發(fā)生接地故障時，負(fù)荷保護(hù)元件未及時切除故障，上游降壓變壓器零序保護(hù)動作越級斷開中壓開關(guān)，導(dǎo)致整列配電盤失電的事件時有發(fā)生。這些越級跳閘事件的發(fā)生，說明需要進(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，通過裝在低壓配電盤內(nèi)的6.6 kV/380 V干式降壓變壓器供電，降壓變壓器中性點直接接地。核電廠低壓配電盤典型接線圖如圖1所示。

低壓配電系統(tǒng)主要由降壓變壓器、監(jiān)控倉以及各類負(fù)荷開關(guān)抽屜、倉室組成。針對降壓變壓器，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流繼電器組成，當(dāng)中性線有接地電流通過，超過定值時，繼電器動作，跳開6.6 kV進(jìn)線開關(guān)。

380 V饋線配電回路通常配置斷路器本體保護(hù)、保險、熱偶保護(hù)、接地保護(hù)等，其中采用斷路器本體實現(xiàn)速斷保護(hù)，保險實現(xiàn)過流/過負(fù)荷保護(hù)，熱偶主要實現(xiàn)過負(fù)荷保護(hù)，并對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)開關(guān)下游設(shè)備發(fā)生接地故障時，在故障點電流發(fā)生分流，漏電電流無法流經(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)也被稱為剩余電流保護(hù)。

2 接地保護(hù)配置存在的主要問題

2.1? ? 饋線接地保護(hù)選配造成的越級跳閘問題

核電廠低壓配電系統(tǒng)針對電機(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75 kW及以上、常規(guī)島配電盤100 kW及以上電動機(jī)類負(fù)荷配置接地保護(hù)?！痘鹆Πl(fā)電廠廠用電設(shè)計技術(shù)規(guī)定》第8.7.1條第2點，對單相接地短路保護(hù)的配置要求如下：對容量為100 kW以上的電動機(jī)，裝設(shè)單相接地短路保護(hù);對55 kW及以上的電動機(jī)，如相間短路保護(hù)能滿足單相接地短路的靈敏度要求時，由相間短路保護(hù)兼作接地短路保護(hù)，當(dāng)不能滿足時，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)計技術(shù)規(guī)定》的要求，容量75 kW及以下電動機(jī)負(fù)荷沒有專門配置接地保護(hù)，當(dāng)下游發(fā)生接地故障時，需要依靠開關(guān)保險或斷路器相間短路保護(hù)動作切除故障。開關(guān)相間短路保護(hù)因為靈敏度或動作時限的原因，存在無法及時切除故障的風(fēng)險，若此時接地電流已超過上游降壓變壓器零序保護(hù)動作定值，則降壓變壓器零序保護(hù)動作跳開6.6 kV開關(guān)，越級跳閘造成整盤失電，擴(kuò)大停電范圍。類似事故在核電廠已經(jīng)發(fā)生多起，一個典型案例是某A核電廠常規(guī)島負(fù)荷4SEK004PO（電動機(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)，沒有配置接地保護(hù)，接地故障電流導(dǎo)致上游380 V配電盤4LKT001TB零序保護(hù)繼電器（整定值364.8 A，延時0.4 s）動作，越級造成中壓開關(guān)4LGD502跳閘，4LKT001TB整盤失電。

2.2? ? 接地保護(hù)級差配合問題

核電廠配電系統(tǒng)接地保護(hù)的級差配合，主要體現(xiàn)在負(fù)荷接地保護(hù)與降壓變壓器中性點零序保護(hù)的配合關(guān)系，既有電流定值的配合問題，又有延時配合的問題。核電廠配電系統(tǒng)在實際運行過程中，因動作電流或延時級差配合問題，接地保護(hù)曾發(fā)生過誤動作，問題主要出現(xiàn)在采用“熔斷器+接觸器”方式供電的饋線開關(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、電動機(jī)、電動頭等，這些負(fù)荷所在回路的熔斷器種類和容量都不盡相同，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)的存在可能會導(dǎo)致越級跳閘。

一個典型的案例是某B核電廠2RRM003ZV電動機(jī)三相接地短路故障，導(dǎo)致上游配電盤2LLE001TB整盤失電。2RRM003ZV電動機(jī)額定功率為90 kW，額定電流為180 A，上游供電主回路開關(guān)為2LLE04R1，2LLE04R1開關(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30 A，延時0.06 s動作于接觸器跳閘，接觸器型號AF260，最大開斷電流值2 600 A。熔斷器型號為aM250A，熔斷器動作具有反時限動作特性，故障電流越大，熔斷時間越快。2LLE001TB配電盤變壓器低壓側(cè)配置有零序過流保護(hù)，定值為1 500 A，延時0.5 s。某次2RRM003ZV發(fā)生三相接地短路故障，漏電繼電器延時0.06 s動作試圖跳開接觸器，因故障電流超出接觸器最大開斷電流（接觸器最大開斷電流為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相保險熔斷，A/C相主回路斷開，B相因為接地電流較A/C相實際要小（B相漏電保護(hù)記錄接地電流2 632 A），未能及時熔斷，B相持續(xù)存在接地電流，0.5 s后2LLE001TB配電盤變壓器零序過流保護(hù)動作，跳開6.6 kV開關(guān)，造成整盤失電。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題外，熔斷器熔斷特性曲線與上游零序保護(hù)延時級差配合不當(dāng)，也是引起越級跳盤的一個主要因素。

2.3? ? 剩余電流互感器性能問題

核電廠配電系統(tǒng)針對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)的檢測元件，它的主要功能是檢測通過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磁電流很小，處于在弱磁場條件下工作。核電廠配電系統(tǒng)的饋線主回路經(jīng)常會受到幾百安培至上千安培大啟動電流或幾萬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，剩余電流互感器會因沖擊電流產(chǎn)生的剩磁影響動作特性，甚至造成漏電保護(hù)拒動。

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)拒動而導(dǎo)致的越級跳閘事件。事件過程為：運行人員在進(jìn)行3CVI系統(tǒng)定期切換時，當(dāng)啟動備用列3CVI101PO電動機(jī)（額定容量185 kW，額定電流383.4 A）后，電動機(jī)運行約24 s后出現(xiàn)相間短路接地故障，其電源開關(guān)3LKQ301漏電保護(hù)（定值30 A，延時0.06 s）未正確動作，0.4 s后配電盤3LKQ001TB零序保護(hù)繼電器（定值600 A，延時0.4 s）動作，聯(lián)跳上游6.6 kV開關(guān)3LGA702跳閘，導(dǎo)致3LKQ001TB整盤失電。經(jīng)分析，本次電動機(jī)相間短路接地故障電流超過4 500 A，達(dá)到剩余電流互感器額定電流（250 A）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)備檢測所開展的剩余電流互感器性能測試結(jié)果，可見當(dāng)輸入電流達(dá)到4.99 kA時，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)，只有電動機(jī)類饋線負(fù)荷功率超過一定數(shù)值，才考慮配置接地保護(hù)，導(dǎo)致大部分電動機(jī)負(fù)荷沒有配置接地保護(hù)，需要通過相間短路保護(hù)對接地故障進(jìn)行保護(hù)。然而，電動機(jī)類負(fù)荷因為要考慮躲過電動機(jī)啟動電流的影響，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)，往往不能針對電動機(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，延長了保護(hù)的動作時間，使設(shè)備損害更加嚴(yán)重，同時，還可能導(dǎo)致上游降壓變零序電流保護(hù)搶先動作，造成越級跳閘。

隨著技術(shù)的發(fā)展，配電盤的制造工藝越來越模塊化、智能化，接地保護(hù)繼電器也越來越微機(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，可以考慮針對所有電動機(jī)類負(fù)荷配置接地保護(hù)，以實現(xiàn)接地故障的全范圍保護(hù)，提高接地故障保護(hù)動作的靈敏性、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饋線回路短路電流的計算，需收集的數(shù)據(jù)繁雜，同時需考慮系統(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)備故障越級跳閘導(dǎo)致的整盤失電對核電機(jī)組造成瞬態(tài)沖擊，因此，有必要針對核電廠配電系統(tǒng)接地保護(hù)規(guī)范開展定值核算和靈敏度校驗工作，及時發(fā)現(xiàn)保護(hù)配置方面的問題，予以改進(jìn)糾正。

針對核電廠饋線接地保護(hù)和降壓變零序保護(hù)級差配合問題，《廠用電繼電保護(hù)整定計算導(dǎo)則》（DL/T 1502—2016）9.2.3單相接地零序過流保護(hù)，關(guān)于動作時間的整定方法要求如下：

（1）下一級有零序過電流保護(hù)時，按與下一級單相接地零序過電流保護(hù)最大動作時間配合進(jìn)行計算，級差時間可取0.2～0.3 s。

（2）下一級無零序過電流保護(hù)時，按與下一級相電流保護(hù)最大動作時間配合進(jìn)行計算，級差時間可取0.2～0.3 s。

《大型發(fā)電機(jī)機(jī)組繼電保護(hù)整定計算與運行技術(shù)》關(guān)于低壓廠用變壓器繼電保護(hù)整定計算中，也有針對低壓側(cè)中性點零序過流保護(hù)動作時間的細(xì)致要求：變壓器中性點零序過電流保護(hù)動作時間可用定時限，也可用反時限，根據(jù)下一級零序過電流保護(hù)動作特性決定。當(dāng)?shù)蛪吼伨€無熔斷器保護(hù)時，變壓器中性點采用定時限零序過電流保護(hù)。當(dāng)?shù)蛪吼伨€有熔斷器保護(hù)時，變壓器中性點側(cè)過電流應(yīng)與熔斷器熔斷特性曲線配合，此時變壓器中性點側(cè)零序過流保護(hù)可采用反時限特性保護(hù)。為與熔斷器特性配合，其時限級差可取0.5～0.7 s。

根據(jù)以上規(guī)范要求，針對核電廠配電系統(tǒng)接地保護(hù)的級差配合問題，需要優(yōu)化降壓變零序保護(hù)配置，主要包括以下兩點：

（1）降壓變零序保護(hù)動作時間不僅需要考慮與饋線接地保護(hù)最大動作時間級差配合，還要考慮與饋線相電流保護(hù)的最大動作時間級差配合，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作時間。

（2）早期投運的核電廠，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，更換為微機(jī)型零序保護(hù)繼電器，增設(shè)反時限動作特性。

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)動作的可靠性。但在核電廠設(shè)備設(shè)計、制造、安裝、運維各環(huán)節(jié)中，往往忽視對剩余電流互感器的技術(shù)要求，導(dǎo)致漏電保護(hù)拒動或誤動，影響配電盤供電可靠性。筆者結(jié)合維護(hù)經(jīng)驗，主要有以下幾點優(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大或過小，都會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電動機(jī)故障引起的剩余電流互感器飽和問題，原因就在于其剩余電流互感器額定工作電流250 A小于回路工作電流383.4 A，導(dǎo)致負(fù)荷發(fā)生接地故障時，剩余電流互感器嚴(yán)重飽和，漏電保護(hù)拒動。

（2）漏電繼電器的工作環(huán)境和特點，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出正常運行期間的負(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，可能超過額定電流幾十倍。這種大跨度的電流傳變對剩余電流互感器性能提出了更高的要求，因此剩余電流互感器的鐵芯材料建議選用具有高起始磁導(dǎo)率、高磁導(dǎo)率和低矯頑力的鐵鎳軟磁合金材料。

（3）根據(jù)剩余電流互感器的工作原理，為了讓剩余電流互感器工作在最佳性能點，需要注意現(xiàn)場安裝時穿過其導(dǎo)體的捆綁固定方式以及導(dǎo)體截面積與選用的剩余電流互感器內(nèi)徑的比例關(guān)系。剩余電流互感器安裝規(guī)范示意圖如圖4所示。

4 結(jié)語

通過擴(kuò)大接地保護(hù)配置比例、規(guī)范開展接地保護(hù)定值復(fù)核、提升剩余電流互感器性能等各項措施，不斷總結(jié)經(jīng)驗，優(yōu)化核電廠低壓配電系統(tǒng)接地保護(hù)配置，能夠有效解決接地保護(hù)拒動、越級跳閘等問題，提高核電廠低壓配電系統(tǒng)供電可靠性。

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收稿日期：2020-07-06

作者簡介：許勇斌（1979—），男，安徽涇縣人，工程師，從事電氣設(shè)備運維工作。