某核電廠變壓器有載調(diào)壓開關(guān)保護繼電器誤動的分析與提升

李 乾，高 超，宋 兵，馮玉輝，高二亞

(中廣核核電運營有限公司，深圳 518000)

0 引言

核電廠的廠用變壓器、輔助變壓器及聯(lián)絡(luò)變壓器一般都裝有有載調(diào)壓開關(guān)，在負載發(fā)生變化或電網(wǎng)發(fā)生電壓波動時，變壓器能實現(xiàn)不停電調(diào)節(jié)變比，以維持負荷或電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。保護繼電器是變壓器非電量保護裝置之一，用以保護有載調(diào)壓開關(guān)在操作過程中內(nèi)部發(fā)生故障時，進行準確判斷和動作，達到保護有載調(diào)壓開關(guān)和變壓器本體的目的。保護繼電器由于廠家制造質(zhì)量、運輸、校驗或安裝不當?shù)纫蛩兀瑢嶋H運行中極易發(fā)生故障，導(dǎo)致誤動作出口跳閘，給核電廠安全穩(wěn)定運行帶來極大影響。某核電廠就曾發(fā)生因廠用變壓器有載調(diào)壓開關(guān)保護繼電器誤動作造成停機停堆的重大事故。

本文通過某核電廠廠用變壓器有載分接開關(guān)保護繼電器誤動作導(dǎo)致停機停堆的事故反饋，對保護繼電器工作原理和結(jié)構(gòu)進行了分析研究，并結(jié)合本公司實際提出改進提升措施。

1 故障簡介

某核電廠#3機組廠用變壓器A的C相有載調(diào)壓開關(guān)保護繼電器故障，觸發(fā)重瓦斯信號，使得發(fā)變組非電量保護裝置直接出口跳閘廠用變壓器A，造成核電廠停機停堆事故。

停機后檢查變壓器A有載調(diào)壓開關(guān)壓力釋放閥等附件未見異常；后分別對變壓器本體及有載調(diào)壓開關(guān)油取樣分析，數(shù)據(jù)均合格；變壓器繞組絕緣、直阻和變比等均正常，檢查結(jié)果確認變壓器及有載調(diào)壓開關(guān)無異常。

目視檢查變壓器A，發(fā)現(xiàn)C相保護繼電器內(nèi)干簧管進油，且有氣泡產(chǎn)生，其它兩相正常。測量C相保護繼電器干簧管接點處于導(dǎo)通狀態(tài)(正常應(yīng)為斷開)，拆開保護繼電器內(nèi)部，發(fā)現(xiàn)干簧管尾部斷裂，見圖1。故確認本次停機原因為保護繼電器誤動作造成出口跳閘。

圖1 干簧管尾部斷裂示意圖

通過整體更換保護繼電器并確認功能正常后，變壓器A送電成功，故障消除。

2 保護繼電器介紹

2．1 功能及結(jié)構(gòu)介紹

有載調(diào)壓開關(guān)在變壓器中都有獨立油室，并安裝獨立的呼吸器、油枕及保護繼電器等，用于保護有載分接開關(guān)安全操作。保護繼電器安裝于分接開關(guān)本體與油枕之間，通過油聯(lián)管相連接，見圖2。

圖2 保護繼電器位置示意圖

該核電廠使用的保護繼電器為德國MR公司生產(chǎn)的RS-2001系列，額定油流速度為3 m/s，與本公司所有核電廠使用的廠家型號均相同。該型保護繼電器外殼由鋁合金制成，具有良好的防腐蝕能力，繼電器兩端有法蘭盤，分別與有載調(diào)壓開關(guān)側(cè)和油枕側(cè)的聯(lián)管相連。繼電器側(cè)面有玻璃視窗，用于查看擋板位置及干簧管狀態(tài)。干簧管尾部引線為焊接連接，引出線均已固定，且干簧管玻璃管中部設(shè)計了固定支撐，并加裝有緩沖套，干簧管的接線端子位于端子盒內(nèi)。端子盒和繼電器油室由不透明密封隔離，端子盒設(shè)有通氣的遮蔽孔。端子盒中的兩個試驗按鈕用于檢查繼電器的跳閘功能和擋板復(fù)位，局部結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 結(jié)構(gòu)圖

2．2 動作原理介紹

保護繼電器內(nèi)動作元件由帶永久磁鐵的擋板組成，該磁鐵用于驅(qū)動干簧管內(nèi)的兩個簧片動作，并將擋板吸牢在“IN SERVICE”(運行)位置上。擋板不能停留在中間位置上，保護繼電器只有在開關(guān)頭到油枕發(fā)生油流動時才動作。流動的油驅(qū)動擋板翻轉(zhuǎn)到”O(jiān)FF”(斷開)位置，由此驅(qū)動干簧片常開觸點閉合，見圖4。

圖4 動作原理示意圖

當有載調(diào)壓開關(guān)在調(diào)壓操作過程中發(fā)生故障時，會產(chǎn)生大量氣體積聚，并形成高速油流通過聯(lián)管，經(jīng)保護繼電器沖向油枕。當油流速度超過定值時，推動保護繼電器內(nèi)部擋板發(fā)生翻轉(zhuǎn)，使得干簧管中的常開觸點閉合，回路導(dǎo)通，重瓦斯信號送入非電量保護裝置后出口跳閘，切除變壓器。

3 保護繼電器故障原因

干簧管是保護繼電器的核心元件，也是相對脆弱的元件，干簧管的好壞直接影響到保護繼電器功能是否正常。

3．1 運輸、校驗或安裝過程中的外力沖擊

保護繼電器在運輸、校驗或安裝過程中，可能會受外力沖擊，干簧管局部受力過大，會導(dǎo)致玻璃管產(chǎn)生裂紋，尤其是玻璃管根部薄弱位置。本公司某核電廠曾發(fā)生外送校驗9個氣體繼電器，返回后有6個發(fā)生干簧管斷裂。分析原因為運輸不當或校驗過程中受油流沖擊力過大造成。

3．2 制造缺陷

干簧管玻璃主體管壁較薄，尾部引線管壁較厚。經(jīng)與廠家溝通了解，干簧管與尾部密封在制造工藝上存在差別。如果溫度與時間控制出現(xiàn)偏差會使干簧管尾部局部過熱，導(dǎo)致尾部較厚的實心部位與本體接合處產(chǎn)生應(yīng)力集中。隨著運行時間的增長，玻璃管內(nèi)外壓差導(dǎo)致該處產(chǎn)生裂紋并逐步擴大，最終形成貫穿尾部與本體接合處的環(huán)形裂紋，見圖5。

圖5 制造缺陷示意圖

4 改進提升

保護繼電器因運輸、校驗或安裝過程中的外力沖擊及生產(chǎn)制造工藝控制不當，存在可靠性下降，運行中維修不可達的問題。在機組功率運行過程中，為避免保護繼電器誤動作直接出口跳閘引起停機停堆事故，需提高維修手段和改進提升保護繼電器跳閘邏輯。

4．1 維修手段提升

公司之前對保護繼電器及氣體繼電器的維修主要進行二次回路校驗、接線盒密封情況檢查等。通過吸收某核電廠的事故反饋，公司已升版維修程序，要求每次停機檢修都要執(zhí)行對保護繼電器及氣體繼電器玻璃視窗內(nèi)的可視部分進行外觀檢查，確保無異常，測量干簧管斷口絕緣，滿足標準要求(1 000 VDC測量，絕緣電阻≥10 MΩ)。

4．2 保護繼電器跳閘邏輯改進提升

4．2．1 干簧管內(nèi)部“2取2”串聯(lián)出口跳閘方案(見圖6)

圖6 改進提升方案1

保護繼電器改為雙干簧管配置。繼電器內(nèi)部兩個干簧管觸點串接后，送至非電量保護裝置出口跳閘，外部跳閘信號線不變，實現(xiàn)2取2邏輯。

該方案可消除單一故障誤動風(fēng)險，改造成本低、工作量小、實現(xiàn)簡單、短時間內(nèi)可完成，并且有廠家成熟產(chǎn)品及較多應(yīng)用案例和運行業(yè)績。

但該方案也存在理論上增加拒動風(fēng)險，且無法及時識別單一干簧管故障的風(fēng)險。

4．2．2 干簧管外部“2取2”串聯(lián)出口跳閘方案(見圖7)

圖7 改進提升方案2

保護繼電器改為雙干簧管配置。兩個干簧管觸點分別送至新增的兩個中間繼電器，兩中間繼電器常開觸點串聯(lián)后，送至非電量保護裝置出口跳閘，跳閘信號線需轉(zhuǎn)接，實現(xiàn)2取2邏輯。單個干簧管動作啟動報警。

該方案可消除單一故障誤動風(fēng)險，實現(xiàn)單一干簧管動作監(jiān)視，改造成本較低，工作量較小。但該方案跳閘信號線需轉(zhuǎn)接，理論上增加新增繼電器拒動和失效風(fēng)險，并且行業(yè)內(nèi)也無此設(shè)計優(yōu)化先例。

4．2．3 干簧管外部“3取2”串聯(lián)出口跳閘方案(見圖8)

圖8 改進提升方案3

保護繼電器改為三個干簧管配置。三個干簧管觸點分別送至新增的三個中間繼電器，然后三個中間繼電器輔助觸點兩兩串聯(lián)后三組并接，送至非電量保護裝置出口跳閘，跳閘信號線需中轉(zhuǎn)，實現(xiàn)3取2邏輯。單個干簧管動作啟動報警。

該方案實現(xiàn)邏輯清晰，信號擴展方便，可消除單一故障誤動和拒動風(fēng)險，實現(xiàn)單一干簧管動作監(jiān)視。但該方案跳閘信號線需轉(zhuǎn)接，改造成本及工作量相對較大，理論上增加了新增設(shè)備失效風(fēng)險。

4．2．4 外部雙重“3取2”裝置出口跳閘方案(見圖9)

圖9 改進提升方案4

保護繼電器改為三個干簧管配置，同時新增兩臺非電量保護裝置、兩臺3取2裝置及保護屏柜等。三個干簧管觸點分別送至三臺非電量保護裝置，每臺3取2裝置通過光纖接收三臺非電量保護裝置(PCS-974)的動作信號。在三臺PCS-974裝置均正常工作的情況下，對非電量動作信號取3取2邏輯，當有兩臺PCS-974裝置在同一位非電量動作信號變?yōu)?時，3取2裝置動作出口跳閘。具體原理圖見圖9。

該方案相比2取2串聯(lián)出口跳閘方案，可有效降低單一故障誤動和拒動風(fēng)險，且有成熟應(yīng)用經(jīng)驗和運行業(yè)績。

但該方案新增設(shè)備較多，改造成本及工作量非常大，完成改造時間較長，且僅可針對南瑞保護裝置實現(xiàn)，理論上在極端情況下增加了新增設(shè)備出故障的概率。

4．2．5 非電量保護裝置邏輯可編程“3取2”判斷出口跳閘方案

保護繼電器改為三個干簧管配置，同時非電量保護裝置新增兩個跳閘通道卡件或更換一個有三個跳閘通道的非電量保護裝置，三個干簧管接點分別送至對應(yīng)的三個跳閘通道，通過非電量保護裝置邏輯可編程實現(xiàn)3取2判斷出口跳閘。

該方案相比2取2串聯(lián)出口跳閘方案，可有效降低單一故障誤動和拒動風(fēng)險，工作量較小，實現(xiàn)簡單，廠家有成熟產(chǎn)品。但該方案改造成本較高及完成改造時間較長，且僅可針對西門子保護裝置實現(xiàn)，理論上在極端情況下存在邏輯出錯導(dǎo)致誤動和拒動的可能。

4．2．6 方案對比列表(見表1)

4．3 方案分析

4．3．1 由于核電廠在功率運行期間，基本不進行有載調(diào)壓操作，且保護繼電器主要用于保護有載調(diào)壓開關(guān)在切換操作過程中出現(xiàn)的故障，所以干簧管破裂后誤動的故障后果大于拒動的后果。目前拒動模式?jīng)]有相關(guān)案例反饋，即使發(fā)生拒動，變壓器電量保護也要先于非電量保護出口動作。據(jù)此，對以上5個改進提升方案優(yōu)缺點綜合對比分析，優(yōu)先選擇方案1。

表1 方案對照表

4．3．2 依據(jù)《中國南方電網(wǎng)公司繼電保護反事故措施匯編》3．3．3要求：氣體繼電器由中間端子箱引出的電纜應(yīng)直接接入保護柜?！斗乐闺娏ιa(chǎn)事故的二十五項重點要求及編制釋義》12．3．3要求：變壓器本體保護宜采用就地跳閘方式，即將變壓器本體保護通過較大啟動功率中間繼電器的兩對觸點分別直接接入斷路器的兩個跳閘回路，減少電纜迂回帶來的直流接地、對微機保護引入干擾和二次回路斷線等不可靠因素的規(guī)定。方案2和方案3都是通過信號線轉(zhuǎn)接實現(xiàn)，都不滿足上述規(guī)格要求，因此不宜采用。

4．3．3 依據(jù)《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求及編制釋義》21．2．3要求：換流變壓器非電量保護跳閘觸點應(yīng)滿足非電量保護3取2配置的要求，按照3取2原則出口。根據(jù)以上規(guī)定，核電變壓器有載調(diào)壓開關(guān)保護繼電器采用方案3是屬于由中間端子箱引出的信號線直接接入保護裝置，不違反相關(guān)規(guī)定。結(jié)合電網(wǎng)公司換流變有載分接開關(guān)保護繼電器均采用3取2出口跳閘的運行經(jīng)驗及3取2方案的優(yōu)缺點分析，新建電廠或在運機組結(jié)合發(fā)變組保護裝置換型改造計劃，可根據(jù)保護裝置廠家選型優(yōu)選方案4或方案5。

5 結(jié)論

變壓器有載調(diào)壓開關(guān)保護繼電器內(nèi)干簧管是機組關(guān)鍵敏感零部件，其故障引起的誤動作將直接導(dǎo)致停機停堆，給電廠經(jīng)濟效益帶來巨大損失。而保護繼電器個別產(chǎn)品的制造缺陷不可避免，且不易發(fā)覺，需通過提高維修手段和改進跳閘邏輯來提高保護繼電器可靠性。在實現(xiàn)消除單個干簧管誤動風(fēng)險的基礎(chǔ)上，從減少新增設(shè)備失效概率、方便現(xiàn)場實施和提升整體可靠性考慮，在運電廠優(yōu)選保護繼電器方案1，同時保護繼電器優(yōu)選三個干簧管配置，后續(xù)結(jié)合電廠發(fā)變組保護裝置換型改造計劃，進行方案3升級。而新建電廠可以一步到位選擇方案3。

上述優(yōu)選方案同樣適用于提升火電廠、礦用單位變壓器有載調(diào)整開關(guān)保護繼電器的升級改造。