核電站500 kV斷路器跳閘原因分析及處理措施

朱興文

(華能山東石島灣核電有限公司,山東 榮成 264312)

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核電站500 kV斷路器跳閘原因分析及處理措施

朱興文

(華能山東石島灣核電有限公司,山東 榮成 264312)

介紹了國內某核電站500 kV開關站斷路器控制直流系統發生一點接地,斷路器發生無故障跳閘過程。通過深入分析發現,由于控制電纜過長,對地電容較大,加之跳閘繼電器動作電壓及功率較低,在發生直流正極一點接地時,易導致斷路器誤跳。因此為避免今后再度發生此類故障,提出應從縮短直流控制電纜的長度和提高出口繼電器動作電壓及功率兩個方面考慮采取相應解決措施。

500 kV斷路器;直流系統;一點接地;跳閘;電容

1　事故經過

某核電站500 kV開關站,調試人員在對網絡設備A屏進行光纖熔接檢查時,突然聽到開關跳閘的聲音,經告知運行人員對現場初步檢查及核實,確認為5022開關跳閘,且現場運行人員無任何操作、繼電保護未動作、現場無任何試驗、系統無故障。那么是何原因造成的跳閘呢?對此,本文將闡述該核電站500 kV斷路器跳閘的發生經過,分析查找其原因,并給出處理措施。

2　事故原因調查

2.1斷路器保護裝置檢查

對跳閘斷路器操作箱進行檢查,發現跳位A、跳位B、跳位C燈亮,而跳A、跳B、跳C燈均沒亮。根據斷路器保護屏操作箱原理可知：在保護跳閘時,跳位A、B、C和跳A、B、C燈均亮；在手動跳閘時,僅有跳位A、B、C燈亮,而跳A、B、C燈不亮。

對5022斷路器保護裝置進行檢查,發現5022斷路器保護裝置無保護動作信號,查看保護裝置事件報告,僅有5022開關變位信號,無其他報警信號。

對5022斷路器相關保護進行檢查,如第二串線路T區保護、2號機組T 區保護、2號線線路保護、2號機發變組保護,發現相關保護均未啟動,無任何報警信號。

2.2故障錄波裝置檢查

對故障錄波裝置進行檢查,發現僅有5022斷路器變位信號,無任何保護動作信號,并且5022斷路器跳閘前后,線路電壓及電流無任何擾動,線路運行良好。

2.3NCS監控后臺檢查

對NCS監控后臺監控記錄進行檢查,發現僅有5022斷路器跳閘信號及開關變位信號,無其他報警信號。

2.45022斷路器本體檢查

對5022斷路器本體及匯控柜進行檢查,發現5022斷路器本體及匯控柜運行正常,非全相繼電器未動作,SF6氣體壓力、斷路器油壓正常,無任何異常報警出現。

2.55022斷路器控制直流系統檢查

對5022斷路器控制直流系統進行檢查,發現直流系統在5022斷路器跳閘同時,發出正母線絕緣低報警,絕緣電阻為0 Ω,接地持續時間為1 s。由于直流系統未采用GPS對時,經現場核實與500 kV監控系統時間相差7 s。

3　事故原因分析

根據上述調查結果,初步判斷5022斷路器跳閘的原因是其控制直流系統接地導致手動跳閘繼電器動作,從而引起5022斷路器誤跳閘。隨后,對5022斷路器手動跳閘回路進行了進一步檢查分析。

3.1跳閘回路絕緣檢查

直流系統是通過絕緣監察裝置接地的,正負極不允許接地[1]。直流系統絕緣監察原理如圖1所示。

KXJ—絕緣監察繼電器;R1、R2—直流電源絕緣監察裝置的電阻;R+、R-—正、負極對地絕緣電阻。

圖1直流系統絕緣監察原理圖

Fig.1Insulation monitoring principle diagram of DC system

正常運行時,直流系統絕緣良好,單一的直流耦合在跳閘繼電器中分壓很小,不足以使跳閘回路誤跳閘,跳閘繼電器1ZJ的電壓如圖2所示。

圖2　跳閘繼電器驅動電壓U1

當絕緣降低時,正極對地絕緣電阻R+會下降很多,跳閘繼電器1ZJ的分壓逐漸增大。如果絕緣完全損壞,即R+=0,此時跳閘繼電器1ZJ兩端的直流分壓U1最大,超過跳閘繼電器1ZJ的動作電壓值,導致跳閘繼電器1ZJ動作,從而引起斷路器跳閘[2]。

5022開關的手動跳閘回路有DCS遠方跳閘和緊急停堆盤ECP跳閘,對其跳閘回路絕緣進行檢查,回路絕緣電阻均大于800 MΩ,排除由于跳閘回路絕緣不良導致控制直流系統接地。

3.2交直流混接檢查

500 kV開關站使用的控制電纜較長,存在一定的分布電容[3]。當絕緣良好時,直流回路一般不會受到影響,但當交流量進入直流回路時,直流回路中分布電容就會形成回路能夠讓交流量流過,即對分布電容C進行充放電[4],如圖3所示。

圖3　跳閘等效原理圖

直流跳閘回路的二極管將對此交流量進行半波整流,變成脈動電壓U2,如圖4所示。

圖4　跳閘繼電器驅動電壓U2

交流電壓對分布電容C的充放電過程將使脈動電壓趨于連續的電壓,此時跳閘繼電器1ZJ的電壓為

U1ZJ=U1+U2

跳閘繼電器1ZJ的電壓U1ZJ相當于在繼電器兩端加入交流量與直流電壓迭加,迭加電壓波形如圖5所示。當迭加電壓達到繼電器動作電壓時,繼電器便可動作。

圖5　跳閘繼電器驅動電壓U1ZJ

對跳閘回路進行測量得知,直流電壓為115.6 V,交流電壓為0.025 V,因此排除了由于交直流混接而導致的跳閘繼電器動作。

3.3跳閘繼電器動作電壓及功率檢查

在排除由絕緣低及交直流混接導致跳閘繼電器動作之后,對中間跳閘繼電器動作電壓及功率進行了測量,其中STJ動作電壓為70 V,KKJ合閘和分閘動作電壓均為68 V,符合標準要求,但1ZJ跳閘繼電器動作電壓為63 V,繼電器約為1.2 W,不滿足《國家電網公司十八項電網重大反事故措施》中“15.7.8 所有涉及直接跳閘的重要回路應采用動作電壓在額定直流電源電壓的55%～70%范圍以內的中間繼電器,并要求其動作功率不低于5W”的規定。

3.4模擬直流接地

模擬5022斷路器的直流接地故障,分別模擬5022斷路器控制回路就地側正接地、DCS側直流正接地、ECP側直流正接地各3次,模擬接地故障時間為3 s,并對跳閘繼電器1ZJ兩端電壓進行錄波,如圖6所示。

圖6　模擬直流接地錄波圖

從圖6可以看出,在進行直流接地時,跳閘繼電器1ZJ兩端電壓差最高達到59 V,如果此時有其他干擾串入,極有可能造成跳閘繼電器動作,從而導致5022斷路器跳閘。

4　理論分析

該核電站的500 kV開關站采用3/2接線,此次偷跳的5022斷路器為3/2接線串的中間斷路器。通過調查近年來500 kV開關站斷路器偷跳事故,發現偷跳的開關絕大多數是雙母線接線的母聯開關或3/2接線串中的中間開關,此類開關的回路數比其他開關多,啟動跳閘的電纜較長,存在著一定的分布電容,且電纜越長,分布電容就越大。一旦發生直流回路一點接地,就會使分布電容放電,在直流操作回路中形成干擾[5]。5022斷路器跳閘回路如圖7所示。

1ZJ—手跳繼電器；101、102—直流電源的正極與負極；C1、C2、C3—直流正極、長電纜芯線、直流負極對地電容。

圖75022斷路器跳閘回路

Fig.75022 breaker trip circuit

正常情況下,圖7觸點3為多個跳閘回路的匯聚點,除啟動跳3/2接線串中間開關的保護、線路保護、發變組保護回路外,還有較長的DCS和ECP跳閘回路,從而導致接入跳閘繼電器的電纜較多且較長,使觸點3對地電容很大。

當發生直流回路接地時,圖7的等效電路如圖8所示。

R1—控制回路正極對地電阻；R2—長電纜對地電阻；R3—直流電源內阻；R4—控制回路負極對地電阻；R1ZJ—手跳繼電器內阻；C1—控制回路正極對地電容；C2—長電纜對地電容；C3—控制回路負極對地電容。

圖85022斷路器跳閘回路等效電路

Fig.8Equivalent circuit of 5022 breaker trip circuit

在正常運行時,U1=U2=58 V,U3=U4=-58 V,手跳繼電器1ZJ兩端電壓U1ZJ=0 V;在正極接地穩定后,U1=U2=0 V,U3=U4=-116 V,手跳繼電器1ZJ兩端電壓U1ZJ=0 V。由于正、負極對地電容、長電路對地電容的影響,因此在過渡過程中,相當于一階電路全響應狀態。

U3=-116+58e-t/(R1ZJ+R3+R4)C2

U4=-116+58e-t/(R3+R4)C3

U1ZJ=58((e-t/(R1ZJ+R3+R4)C2-e-t/(R3+R4)C3)

直流一點接地造成斷路器誤動的原因是手跳繼電器1ZJ兩端電壓衰減不一致,導致U1ZJ達到動作值。由于R1ZJ?R1、R2、R3,則C2通過R1ZJ、R3向接地點放電的速度小于C3通過R3向接地點放電速度,即U3比U4衰減慢,因此電纜越長,C2越大,繼電器動作功率越低,R1ZJ電阻越大,U1ZJ出現最大值電壓越高,維持時間越長,繼電器越容易誤動[6]。

5　處理措施

通過上述分析和試驗,最終判定為DCS和ECP跳閘回路線路較長(長約750 m),存有較大對地電容C1、C2(見圖7),在發生直流一點接地時,由于對地分布電容形成回路,加之跳閘繼電器1ZJ動作電壓及功率較低,因此會引起5022斷路器誤跳閘。

為防止此類事件的再次發生,針對上述問題采取了如下措施進行處理。

1) 進行跳閘回路改造,即在跳閘回路中加入大功率中間繼電器,滿足《國家電網公司十八項電網重大反事故措施》的相關規定。

2) 由于2號機DCS側處于安裝階段,交叉作業嚴重,極易產生直流接地故障,為防止在改造過程中再有類似事件重發,且現階段DCS和ECP跳閘功能暫不需要,因此臨時將DCS及ECP跳閘線拆除。

3) 采用光纜代替電纜傳遞跳閘信號,如圖9所示。

圖9　采用光纜替代電纜

采用光纜代替電纜,將跳閘電信號轉換為光信號,以光信號的形式傳遞到開關站后,再經光電轉換裝置換成電信號,以驅動直流跳閘回路,這種方式克服了長電纜分布電容的影響,當然也就不存在分布電容的放電問題,只是需要增加一對電/光和光/電轉換裝置。

6　結　語

針對某核電站500 kV開關站5022開關誤跳事件進行了詳細的分析,認為其直接原因是直流控制

回路中電纜的分布電容過大。當發生直流回路一點接地時,分布電容對跳閘出口元件放電,又因跳閘繼電器動作電壓及功率較低,所以引起斷路器偷跳。對此,本文給出了相應防范措施,即從縮短直流控制電纜的長度和提高出口繼電器動作電壓及功率兩個方面考慮,對于控制電纜過長的情況,采用光纜代替電纜,可達到防止誤動目的。

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(責任編輯侯世春)

Analysis and solution of NPP 500 kV circuit breaker tripping

ZHU Xingwen

(Huaneng Shandong ShidaoBay Nuclear Power Company, Rongcheng 264312, China)

This paper introduced the process of 500 kV breaker trouble-free trip caused by he DC system grounding at one-point in 500 kV switching station of one domestic nuclear power station. Through the analysis, it found that the large capacitance to ground since the long control cable, coupled with the low operating voltage and power of trip relay was easy to cause the breaker false tripping when DC system grounded at one-point. In order to avoid the similar failures, the paper proposed to adopt treatments from two aspects which are the reduction of the length of dc control cable and the increase of operating voltage and power of exit relay.and proposes treatment strategy of such fault.

500 kV breaker; DC system; grounding at one-point; tripping;capacitance

2015-06-20;

2016-06-29。

朱興文(1986—),男,助理工程師,從事核電廠電氣調試工作。

TM561

A

2095-6843(2016)03-0230-04