核電廠核級配電盤越級跳閘問題分析與解決

宋鵬飛 蔡三艷

（中廣核工程有限公司設(shè)計院，廣東 深圳 518172）

2014年2月，某核電廠低壓電加熱器發(fā)生燒熔故障（見圖1），其電源回路保護開關(guān)未及時動作，低壓核級配電盤的零序電流超過整定值，觸發(fā)中壓配電盤開關(guān)回路跳閘，造成核島核級配電盤整列盤斷電，由此核級低壓配電盤供電的用電負荷全部失電。

圖1 燒熔故障電加熱器

該事件屬于典型的核級配電盤越級跳閘問題，故障影響范圍擴大，導致核級電氣系統(tǒng)失電，影響到核電廠其他安全設(shè)備的運行。

1 跳閘事故過程

1.1 回路配置

發(fā)生越級跳閘故障回路的用電設(shè)備為低壓電加熱器（9DVN017RS），其額定功率40kW，額定電流60.8A。圖2為故障回路上下級保護配置。

圖2 故障回路上下級保護配置

電加熱器由 380V核級配電盤（1LLC001TB）低壓饋線（1LLC02P1）配電，配置有熔斷器（NH00-100A，aM），熱繼電器（TA75DU80，TC20）和接觸器（AE75-30-11），低壓核級配電盤接自630kVA低壓廠用變壓器（1LLC001TR），上游電源接至 6.6kV核級配電盤（1LHA001TB）中壓饋線（1LHA116）。

1.2 定值設(shè)定

電加熱器（9DVN017RS）電源回路設(shè)置有過載保護和短路保護。過載保護由熱繼電器實現(xiàn)，過載保護設(shè)置為 1.05倍額定電流，過載電流整定值63.84A。短路保護由熔斷器實現(xiàn)，熔斷器過流保護呈反時限特性，當故障電流達到 840A時動作時間1s。

低壓核級配電盤（1LLC001TB）設(shè)置有短路保護和零序保護，由電壓監(jiān)測單元的保護繼電器實現(xiàn)，并配置有變比為250/1A的零序電流互感器。短路保護設(shè)定值為7500A，延時0.1s動作，零序保護設(shè)定值為440A，延時1s動作。

1.3 動作記錄

電加熱器（9DVN017RS）在發(fā)生故障后，現(xiàn)場檢查加熱器發(fā)現(xiàn)A相嚴重燒熔，B相、C相存在過熱現(xiàn)象。對加熱器本體直流電阻測量，A相18.6Ω，B相3.8Ω，C相3.8Ω。加熱器A相實測電阻值與理論計算值3.63Ω存在嚴重偏差。

表1 核級配電盤故障記錄數(shù)據(jù)表

根據(jù)核級配電盤（1LLC001TB）電壓檢測回路繼電器（001XI）數(shù)據(jù)記錄（表1），變壓器A相低壓側(cè)電流值達到 900A，B相、C相分別為 135A、195A。變壓器低壓側(cè)零序電流值3IN0達到825A。

電加熱器出現(xiàn)燒熔故障，電源回路的熱繼電器過載保護未動作，熔斷器未能在1s內(nèi)及時動作，核級配電盤零序保護在延時1s跳閘中壓開關(guān)。單個加熱器回路故障導致了整列配電盤失電，事故影響范圍擴大。

2 故障分析

2.1 保護曲線配合

低壓核級配電盤的加熱器回路采用“熔斷器-接觸器-熱繼電器”配置。從故障回路元器件配合曲線（圖3）中看出，當故障電流值達到600A前，熱繼電器觸發(fā)接觸器動作斷開故障，當電流值超過600A時，熔斷器在曲線對應(yīng)的時限內(nèi)熔斷。

圖3 故障回路元器件配合曲線

低壓配電盤的零序保護觸發(fā)值 440A，延時 1s動作。從圖3看出熔斷器在故障電流達到840A時，熔斷時間1s。當加熱器回路發(fā)生單相故障且故障電流值在440～840A之間，熔斷器熔斷時間超過1s，導致 380V配電盤零序保護越級動作，觸發(fā) 6.6kV配電盤接觸器跳閘。

2.2 動作電流說明

電加熱器（9DVN017RS）電源電纜為3×70mm2銅芯電纜，電纜長度 100.69m，低壓廠用變壓器（1LLC001TR）容量為630kVA，阻抗電壓為4.5%。計算出電加熱器的饋線電纜末端發(fā)生單相接地短路電流值[1]約為1.85kA。從圖3配合曲線看出，達到該電流值時，低壓熔斷器在小于1s時間內(nèi)熔斷可靠動作，此時核級低壓配電盤零序保護尚未達到1s延時要求，不會越級跳閘。計算結(jié)果說明當電加熱器饋線回路發(fā)生電纜末端短路故障時，熔斷器優(yōu)先于零序保護動作，滿足選擇性要求。

低壓核級配電盤（1LLC001TB）保護裝置記錄數(shù)據(jù)顯示，故障時核級配電盤A相電流為900A，B相和C相約為150A。可以推斷，電加熱器A相故障電流值約在750A左右，查詢圖3配合曲線，該電流值下熔斷器熔斷時間超過1s。熔斷器不會熔斷，而零序保護延時1s后發(fā)生越級跳閘。

2.3 級差配合方法

電氣保護應(yīng)當具有選擇性，電加熱器的低壓回路發(fā)生故障，低壓饋線保護須優(yōu)先動作，低壓配電盤和中壓配電盤保護不應(yīng)越級動作。在電氣短路電流計算中，電加熱器的低壓饋線電纜末端發(fā)生單相接地短路故障時低壓熔斷器應(yīng)當可靠靈敏動作[2]。

核電廠電氣系統(tǒng)的保護級差配合的選擇性分析，將故障回路計算出的最大、最小故障電流作為校驗基礎(chǔ)。一般情況下，設(shè)計人員將饋線回路末端發(fā)生單相金屬性接地故障的短路電流值作為最小故障電流，將饋線回路的首端發(fā)生三相短路故障作為最大故障電流。

2.4 原因分析

根據(jù)動作電流情況和級差配合原則，電加熱器（9DVN017RS）故障燒毀時，加熱器的A相故障電流達到約750A，說明在電加熱器的故障點存在接觸電阻及加熱電阻絲部分電阻，并非典型的金屬性單相接地故障，使A相故障電流未能達到熔斷器動作電流值。因故障點的接觸電阻不可預期，當單相故障電流值在440～850A之間時，電加熱器的饋線熔斷器不能在1s內(nèi)及時熔斷，而低壓核級配電盤的零序保護延時1s后動作，發(fā)生越級跳閘。

本次核電廠發(fā)生的電加熱器燒熔事件，屬于加熱器內(nèi)部故障，非電纜末端的金屬性接地短路故障。設(shè)備內(nèi)部故障點接入的接觸電阻值不可預知，故障電流值變動超出了選擇性校驗的電流范圍。此次加熱器故障電流值比設(shè)計驗算最小故障電流值還要低，導致出現(xiàn)低壓核級配電盤的越級跳閘。

低壓配電盤饋線回路保護與低壓配電盤零序保護之間存在小故障電流保護盲區(qū)是本次越級跳閘事件的根本原因。電氣設(shè)計人員開展保護驗算時按照通用的短路電流計算方案，考慮的是對饋線電纜末端短路的故障電流值，未考慮用電設(shè)備發(fā)生內(nèi)部故障時的電流波動范圍，保護級差配合沒有做到全故障電流范圍分析。

3 解決方案

避免核電廠核級配電盤發(fā)生類似的越級跳閘問題，需完善核電廠低壓核級配電盤全電流范圍內(nèi)的保護級差配合。根本上解決核級配電盤饋線保護與零序保護之間的選擇性，可從上級低壓配電盤零序保護或從下級低壓饋線回路保護兩個方面著手。

1）低壓配電盤零序保護由“定時限”保護特性調(diào)整設(shè)置為“定時限+反時限”

低壓電動機饋線回路的“熔斷器-接觸器-熱繼電器”配置均不做改動，采用將低壓配電盤的零序保護調(diào)整為“定時限+反時限”兩段保護設(shè)置。Ⅰ段定時限作為低廠變和低壓母線接地故障保護的主保護，定時限電流整定值躲過配電盤最大熔斷器的0.5s熔斷電流值，并延時0.5s動作；Ⅱ段反時限作為本低壓配電盤饋線中發(fā)生母線非金屬性接地故障及下級接地故障的后備保護，與下游最大熔斷器“時間-電流”曲線配合。

2）低壓饋線回路設(shè)置獨立的接地故障保護

低壓配電盤零序保護維持原有設(shè)計，采用定時限特性，零序保護定值為440A，延時1s。當?shù)蛪吼伨€回路采用63A的熔斷器時，1s內(nèi)熔斷對應(yīng)的電流值為250A，此時級差保護可以實現(xiàn)配合。對于熔斷器額定電流值大于63A的饋線回路，級差配合存在小電流故障配合盲區(qū)，可將熔斷器額定電流值大于63A的饋線回路增加單獨的接地故障保護。在增加單獨的接地故障保護后，可實現(xiàn)全故障電流范圍的級差配合。

4 結(jié)論

核電廠核級配電盤發(fā)生因用電設(shè)備故障引起的整個配電盤系統(tǒng)不可用的案例，屬于典型的越級跳閘問題。結(jié)合故障回路配置和保護動作過程，分析出導致核級配電盤越級跳閘的根本原因。為避免類似問題在后續(xù)核電項目的發(fā)生，提出相應(yīng)的解決方案，近而提高核電廠核級電氣系統(tǒng)的安全性。

[1] 電力行業(yè)電力規(guī)劃設(shè)計標準化技術(shù)委員會. DL/T 5153—2002. 火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計技術(shù)規(guī)定[S].

[2] 高友權(quán). 配電系統(tǒng)繼電保護[M]. 北京: 中國電力出版社, 2005.