核電廠應急柴油發電機繼電保護分析

蔣曉鵬，石 巖，李 聰

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042）

核電廠應急柴油發電機繼電保護分析

蔣曉鵬，石 巖，李 聰

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042）

文章主要介紹了核電廠應急柴油發電機功能與特點，在核事故情況下起到的重要性。詳細介紹了繼電保護的特點及保護配置，論述保護方案的合理性，能夠完全滿足應急柴油發電機的各種運行狀態。對繼電保護裝置的原理、特性進行詳細的論證分析，在應急柴油機出現不正常運行狀態和嚴重故障情況下的保護動作，快速切除柴油機，防止柴油機的進一步損害；分析了應急柴油發電機在外部電源擾動情況下，繼電保護裝置如何快速響應，閉鎖保護動作，避免應急柴油發電機不必要的情況下切除，造成應急電源失去，影響核電廠安全。同時，分析了繼電保護裝置保護定值的靈活應用，滿足各種運行狀況。闡述了核電廠由于其核安全的特殊性，導致繼電保護配置的特殊性，分析了此種保護在其他設備上應用的可能性，并對設計提供的保護定值進行分析，提出自己的觀點。

應急柴油發電機；保護配置；定值

應急柴油發電機是核電廠內獨立的能夠自動快速啟動按程序帶載的應急交流電源，田灣核電站一期工程每個機組配備4臺相互獨立的應急柴油發電機，使用的是德國MTU公司生產的MTU20V956TB33型柴油機與SIEMENS公司生產的1DK39414BE02Z發電機配成7 500 kVA機組。在廠內外電源失效時，可自動對相應的6 kV專設安全設備供電，對由母線BEA、BEB、BEC、BED供電設備提供可靠的足夠電源，以確保反應堆安全關閉，保證一回路壓力邊界的完整性，確保放射性物質不向大氣泄漏。

1 應急柴油發電機保護的特點

應急柴油發電機作為事故發電機，具有特殊的運行方式，因此，發電機的繼電保護，應與其運行方式相適應。應急柴油發電機有兩種運行方式：應急方式和試驗方式。

1.1 應急方式

產生應急柴油發電機組的應急啟動命令（Emergency SCTrt）有兩個始發信號：1）應急6 kV母線（BEA、BEB、BEC、BED）電壓低于額定電壓的40%，即2.52 kV，時間超過2 s；2）應急6 kV母線（BEA、BEB、BEC、BED）的頻率低于47.4 Hz，時間超過2 s。在這種情況下，保證反應堆的冷卻最為重要，所以應急柴油發電機的保護應強調動作的可靠性，防止保護誤動，只有應急柴油發電機出現嚴重故障無法提供應急電源情況下，才能跳閘。采用兩套7UT512型微機差動保護，作為發電機的主保護，只有在兩套差動保護同時動作的情況下，才出口跳閘，其余保護動作只發信號，不出口跳閘。

1.2 試驗方式

就地控制柜或主控制室啟動，試驗目的是為了檢驗應急柴油發電機處于正常狀態，能在事故情況下啟動，在試驗情況下需要并網帶負荷，為了正確反映發電機的各種故障和不正常運行狀態，保護發電機的運行，要強調發電機保護動作的靈敏性。在試驗方式下，除了兩套7UT512型差動保護并聯外，還設置了一套7UM511型微機綜合保護，該裝置包括兩段過流保護、過負荷保護、定子接地保護、逆功率保護，保護動作跳閘，滅磁，停柴油機，另外還有低頻保護、過電壓、低電壓保護，保護動作發信號。

所以針對發電機的兩種運行方式，有不同的保護出口與其相對應，應急方式和試驗方式保護的不同出口靠切換開關實現。

2 保護配置及定值分析

田灣核電站一期工程應急柴油發電機繼電保護裝置包括兩套7UT512型差動保護和一套7UM511型綜合保護，保護裝置反應比較靈敏，動作可靠性高，保護功能比較完善，能夠滿足中、小型發電機繼電保護的要求，現將保護的配置、功能和保護定值進行分析，以便更好了解柴油發電機的繼電保護。

我國相關規程規定，發電機功率超過1 MW應裝設差動保護，作為發電機的主保護。7UT512型差動保護能夠反映各種相間和接地故障，在發電機內部故障時保護可靠動作，差動特性包括兩段制動曲線以適應不同的運行工況，動作特性如圖1所示。

圖1 差動保護特性曲線Fig.1 Characteristic curve of diff-protection

設計提供的差動啟動電流Id為0.15IN動作時間0.1 s，啟動電流相對較低，啟動電流Id＞應能躲過正常運行的最大不平衡電流，其中包括CT比值誤差、外部短路暫態非周期分量對CT飽和的影響等。在額定負荷下，5P級電流互感器的比誤差為±1%，考慮可靠系數為2，Id≥2×2%＝4%，10P級電流互感器的比誤差為±3%，Id≥2×6%＝12%，所以選取Id≥（0.1～0.2）IN充分安全的。對于應急柴油發電機，防止在應急情況下保護不誤動，另外差動保護的CT取自不同的廠家，誤差相對較大，將啟動電流適當提高，改為0.2IN較合適。橫坐標Irest應小于或等于二次額定值1IN，所以拐點Irest取1IN。

曲線S1主要考慮由主CT及繼電器CT的變比誤差或由主變分接頭位置改變而產生的誤差，這種誤差在CT飽和前與電流基本成比例增加。曲線S2主要考慮在大電流范圍內，由于CT飽和，測量電流誤差將會急劇增大，因此其斜率比S1更高。差動保護的斜率S1、S2分別設為0.3、0.5 。

7UT512型差動保護具有一個附加制動區，近距離區外故障所產生的大穿越電流可能導致兩側CT嚴重飽和，從而產生相當大的差流，在兩側CT飽和程度不同時，此差流更為明顯，雖然動作特性曲線的上揚，大多數情況已可以躲過這種情況，但嚴重區外故障時差動電流Idiff/IN和制動電流Istab/IN構成的坐標點，仍可能位于圖1中的動作區，保護仍可能誤動。為可靠、正確區分出內部故障與近距區外嚴重故障，7UT512采取了一個區外故障CT飽和時的附加制動措施。

由圖2可知，一次側短路后，二次側暫態不平衡電流可能超過穩態不平衡電流好幾倍，且波形完全偏向于時間軸的一側，這也就很有可能引起瞬時動作的差動保護錯誤動作。另外，由于CT勵磁回路具有很大的電感，勵磁電流不能立即上升，圖2中不平衡電流最大值出現的時間不是在短路開始的瞬時，而是要滯后幾個周期，這也是它與內部故障時出現的差動電流的一個重要區別，利用這一點即可構成辨別區外故障的一個重要判據。

圖2 外部短路暫態過程中的CT不平衡電流Fig.2 Imbalance CT current of external short transient process

區外故障開始的瞬時，制動電流很大而不平衡電流形成的差流還很小，過了幾個周期后，差流達到最大才可能超越動作邊界。7UT512型差動保護在短路開始的瞬間，即差流與制動電流組成的坐標點剛進入圖1中所示附加制動區內時，可以閉鎖保護8個周期時間（50 Hz）即160 ms，在這段時間內，差流雖然達到了最大值，可能越過了動作邊界，但裝置依然不會動作，待裝置再次開放時，不平衡電流已下降到一個較小值，此時已返回到制動區，這樣就可以達到抗CT飽和的效果。

制動電流Istab達到一定倍數的額定電流時，根據所使用CT的飽和特性就可以認為CT已飽和，這正是附加制動曲線的起點，該曲線的延長線過原點，其斜率整定為比率制動斜率S1的1/2，即S3＝0.15。

內部故障時，制動電流大于差動電流的可能性極小，（Istab/IN、Idiff/IN）立即沿故障特性曲線F移動，因而不會進入附加制動區。

外部故障時，差動保護在由附加制動閉鎖差

動保護的情況下，發電機又發生內部故障，此種原理構成的差動保護仍能可靠動作。只要（Istab/IN、Idiff/IN）點穩定的處于故障特性曲線F上2個周期，附加制動立即被解除。

7UT512差動保護有兩種模式：一種是發電機模式（應急柴油機），另一種是變壓器模式。變壓器模式具有二次諧波交叉制動，這和國產的差動保護有些區別，在變壓器空投困難時，通過改變制動時間的設置，具有良好的二次諧波制動效果。

圖3為典型的勵磁涌流波形，曲線c為對稱性涌流，a、b為非對稱性涌流。變壓器涌流的間斷角都大于60°，由于間斷角的存在，使得勵磁涌流的波形在一個周期內前半周和后半周存在不對稱性。變壓器內部故障電流一個周期波形的前半周和后半周的對稱性與勵磁涌流波形的非對稱性，可以有效判斷是變壓器的勵磁涌流還是內部短路。而勵磁涌流中含有大量的高次諧波分量，并以二次諧波為主。

圖3 典型的勵磁涌流波形Fig.3 Typical wave shape of magnetizing inrush current

一般二次諧波制動是按相工作的，二次諧波含量高于限值的相被制動，二次諧波含量低于限值的相依然可以動作。因此只要有一相符合動作條件，繼電器即發出跳閘命令?？梢栽O想若涌流出現時有兩相電流都超過差動啟動值，而其中僅有一相二次諧波含量超過限值而制動，則另一個二次諧波含量低于限值的相因無制動作用而可以引發跳閘。為避免此類誤動，7UT512差動保護提供了二次諧波交叉制動的功能，即二次諧波不僅對本相起制動作用，對其他相也起制動作用，只要有一相檢測出涌流三相都閉鎖。制動作用是通過設定出現前述情況后保護閉鎖多少個周期來實現的。

但是，交叉制動也有其不利的一面，如變壓器空載投入到區內預伏故障上時，無論涌流和故障發生在哪一相，保護動作時間都會延遲前述設定周期數，從保護速動性的角度來講，這也是難以忍受的。因此，是否投入交叉制動功能以及制動多少個周期，需根據實際工程的情況具體分析而定。7UT512差動保護提供的缺省設定為0周期，即不投入此功能，我們認為根據現場情況可以使用此缺省值。在變壓器空投困難時，可以根據裝置自身錄取的波形確定一個適當的閉鎖周期數，但必須保證變壓器投運前檢查無誤。

7UT512差動保護原理較完善，考慮周到，采用兩段式比率制動特性；防止變壓器空載送電時勵磁涌流的影響，采用二次諧波制動；防止變壓器過激磁，采用五次諧波制動。諧波制動采用相間交叉閉鎖，以保證只要其中一相電流的二次諧波或五次諧波達到整定值，差動保護即被閉鎖。不足之處是它未考慮到CT回路斷線閉鎖差動保護功能。

3 結論

繼電保護的目的主要反映主設備發生的各種故障和不正常的運行狀態，但對于核電廠，由于其運行的特殊性，對繼電保護有了新的要求，保護設備重要，保證核電廠安全更為重要。應急柴油發電機的保護配置應能滿足應急和試驗方式的要求，保護定值的整定應根據核電廠的實際情況，使繼電保護的可靠性、速動性、靈敏性、選擇性得到合理的應用。

[1] 王維儉. 發電機變壓器繼電保護應用[M]. 北京：中國電力出版社，2005.（WANG Wei-jian. Generatortransformer Protective Relaying Applying[M]. Beijing：China Electric Power Press，2005.）

[2] 王維儉. 電氣主設備繼電保護原理與應用[M]. 北京：中國電力出版社，2004.（WANG Wei-jian. Principle And Applying of Main Electric Equipment Protective Relaying[M]. Beijing：China Electric Power Press，2004.）

[3] SIEMENS AG.7UT51 Numerical Differential Protection RelayInstruction Manual Siemens，1995．

The Feature of Emergency Diesel Generator Relaying Protection in Tianwan Nuclear Power Station

JIANG Xiao-peng，SHI Yan，LI Cong
(Jiangsu Nuclear Power Corporation，Lianyungang of Jiangsu Prov. 222042，China)

This paper mainly introduces the function and feature of emergency diesel generator in nuclear power plant, which plays an important role in nuclear accident. It minutely tells about the feature and configuration of relay protection and discusses the rationality of protection scheme，which shows that it can be completely contented all kinds of operation states. It is an analysis and argument about the principle of relay protection in detail，that would operate correctly when emergency diesel generator be in abnormal operating and serious fault conditions，such as cut off emergency diesel generator in order to avoid more harm to emergency diesel generator. It analyzes how the relay responses quickly and locks up the protection action under perturbations in the external power，so it can avoid unnecessary resection of emergency diesel generator to emergency power supply loss and effect of nuclear

emergency diesel generator；configuration protection；setting

TL36 Article character：A Article ID：1674-1617(2014)01-0014-04

TL36

A

1674-1617(2014)01-0014-04

2013-12-24

蔣曉鵬（1979—），男，江蘇常熟人，大學本科，工程師，從事核電廠電力生產。

safety. It also analyzes the flexible use of protection setting of the protective relay to meet various operating status. It elaborates the particularity of relay protection which is due to the particularity of nuclear safety. It analyses the possibility of relay protection which has to be applied to other equipment and the protection setting that was provided by design institute, and puts forward the author’s viewpoints.