核電站低壓廠用變壓器零序保護的分析與改進

宋鵬飛,馮慶冬

(中廣核工程有限公司設計院,廣東 深圳 518172)

核電站低壓廠用變壓器零序保護的分析與改進

宋鵬飛,馮慶冬

(中廣核工程有限公司設計院,廣東 深圳 518172)

核電站低壓廠用變壓器中性點零序保護采用“定時限”設計,多次出現因低壓負荷回路發生單相接地故障引起的低壓廠用變壓器零序保護越級動作事件。梳理低壓廠用變壓器零序保護整定原則和分析上下級差保護配合要求,提出低壓廠用變壓器零序保護采用“定時限＋反時限”兩段式保護改進方案,經過保護校驗和現場驗證,改進方案可在核電站應用和推廣。

低壓廠用變壓器;零序保護;定時限;反時限

核電站低壓廠用變壓器作為核電站廠用電系統關鍵電氣設備,主要為廠用低壓380 V/220 V負荷提供電源。低壓廠用變壓器單相接地故障保護可以利用高壓側的三相過流保護,也可以利用低壓側中性點裝設專用零序保護實現。

核電站低壓廠用變壓器的零序保護采用變壓器低壓側中性點裝設專用的零序保護,國內外核電工程中發生多起因低壓負荷回路故障導致低壓變壓器零序保護動作越級跳閘事件。低壓廠用變壓器零序保護與下級低壓負荷回路保護存在級差配合的問題,需對核電站低壓廠用變壓器中性點零序保護進行深入分析和改進。

1 問題與現狀

1.1 典型事件

2009年2月法國CHOOZ核電站2號機組發生因加熱器(2DVC105RS)絕緣故障,加熱器低壓回路保護未動作,造成低壓廠用變壓器中性點零序保護越級動作跳閘,導致低壓配電盤(2LLA001TB)全盤失電。2013年6月國內某核電站水泵電機(4SEK004MO)發生接地故障,低壓負荷回路保護未及時動作,低壓廠用變壓器零序保護越級跳閘,導致低壓廠用配電盤(4LKT001TB)全盤斷電。2014年2月在國內另一核電站發生因電加熱器(9DVN017S)燒熔,低壓負荷回路保護未動作,低壓廠用變壓器零序保護越級跳閘,導致低壓配電盤(1LLC001TB)全盤斷電。

國內外多個核電站發生多起事件,均因低壓負荷回路發生單相接地故障,其低壓保護未及時動作,越級至低壓廠用變壓器零序保護動作,斷開變壓器6.6 k V側中壓接觸器,造成整列低壓配電盤失電。國內外核電站典型越級跳閘事件說明低壓廠用變壓器零序保護設計存在一定的設計缺陷和改進空間。

1.2 設計現狀

核電站低壓系統為中性點直接接地系統,低壓廠用變壓器中性點均設置有專用的零序保護裝置,用于保護低壓廠用變壓器單相接地故障。一旦保護動作,觸發變壓器6.6 k V側中壓接觸器斷開。以往核電站低壓廠用變壓器中性點零序保護采用定時限特性設計,以630 k VA低壓廠用變壓器為例,中性點零序保護整定值為440 A,動作延時設定為1 s。

核電站低壓廠用電系統設計中,低壓負荷回路設置專用接地故障保護時,因低壓負荷回路接地故障保護比較靈敏,能夠滿足與低壓廠用變壓器零序保護的級差配合要求。電動機回路額定功率大于等于55 k W時配置專用的接地故障保護;電加熱器回路額定電流大于100 A時配置專用的接地故障保護。國內外核電站典型越級跳閘事件中發生故障的低壓負荷回路均是未配置專用接地故障保護的回路。

1.3 保護配合

核電站低壓廠用電系統設計中,未配置專用接地故障保護的最大電動機功率為45 k W。故以630 k VA低壓廠用變壓器零序保護與45 k W電動機回路的熔斷器和熱繼電器保護配合(見圖1)為例,進行以下分析。

圖1 變壓器及電動機回路保護配置Fig．1 The protection devices of the transformer and the motor feeder

原先設計的低壓廠用變壓器零序保護采用定時限特性,其與45 k W電動機熔斷器和熱繼電器級差配合曲線(見圖2)。當故障電流值小于850 A時,由熱繼電器控制接觸器斷開該回路。當故障電流值大于等于850 A時,則由熔斷器在相應時間內熔斷隔離故障。630 k VA低壓廠用變壓器零序故障電流達到440 A后,延時1 s觸發上級6.6 k V接觸器動作斷開變壓器進線電源。

從圖2配合曲線中可以看出,45 k W電動機回路發生單相接地故障時,當電流值小于440 A時,低壓廠用變壓器零序保護不動作;當故障電流值大于1 200 A時,熔斷器則要先于變壓器零序保護動作;當故障電流值在440～850 A之間時,低壓廠用變壓器零序保護先于熱繼電器動作,發生越級跳閘。當故障電流值在850～1 200 A之間時,低壓廠用變壓器零序保護先于熔斷器和熱繼電器動作,也會導致越級跳閘。

圖2 定時限保護配合曲線Fig.2 The coordination curve of definite time protection

綜上分析,當低壓回路故障電流值在440～1 200 A之間時,低壓廠用變壓器零序保護與低壓回路的熔斷器和熱繼電器級差配合無法滿足要求,低壓廠用變壓器零序保護會越級動作,這是國內外核電站越級跳閘的根本原因。

2 零序保護設計

2.1 保護整定原則

核電站低壓廠用變壓器采用中性點零序保護設計,低壓電動機、電動閥和電加熱器采用“熔斷器-接觸器-熱繼電器”回路配置,其低壓廠用變壓器零序保護整定原則需滿足作為用電負荷的后備保護和上下級差配合要求。

(1)保護裝置動作電流值必須大于等于正常運行時PEN線上流過的最大三相不平衡電流、諧波電流、正常泄露電流之和,并在發生接地故障時可靠動作。

式中:Iop0——廠用變壓器零序保護整定值;

IPEN——PEN線最大三相不平衡電流。

(2)當變壓器低壓側或低壓盤母線上發生單相接地故障時,短路靈敏度系數大于等于1.5。

式中:Id——變壓器低壓側或低壓盤單相接地故障電流。

(3)變壓器零序保護動作電流應與帶專用接地故障保護低壓回路的接地故障保護相配合。

式中:I0max——帶專用接地故障保護低壓回路的接地故障保護整定最大值。

(4)不帶專用接地故障保護回路,熔斷器或斷路器作為短路保護元器件,兼做接地保護元器件。為與變壓器零序保護開展級差配合,需要滿足當低壓負荷回路發生單相接地故障時,變壓器零序保護時間比低壓負荷回路動作時間長Δt。

式中:top0——廠用變壓器零序保護動作時間;

t0max——低壓負荷回路熔斷器或熱繼電器動作時間最大值;

Δt——保護級差時間,一般取0.1～0.5 s。

2.2 繼電器功能

核電站低壓變壓器中性點零序保護采用通用的過流及接地保護繼電器。以發生越級跳閘故障的國內某一核電站為例,低壓廠用變壓器零序保護繼電器采用的是某供貨商生產的通用過流及接地保護繼電器SPAJ142C。該繼電器的零序電流元件SPCJ4D29模塊包括兩段零序保護,即Ⅰ段零序過電流保護(I0Ⅰ)和Ⅱ段零序過電流保護(I0Ⅱ)。

1)Ⅰ段零序過電流保護(I0Ⅰ),電流整定值范圍為(0.1～10.0)IN或∞,Ⅰ段零序過電流保護動作時間(t0Ⅰ)范圍為0.05～300 s。

2)Ⅱ段零序過電流保護(I0Ⅱ),電流整定范圍為(0.1～0.8)IN。動作方式分為定時限和反時限兩種特性。定時限動作特性的動作時間(t0Ⅱ)范圍為0.05 s～300 s;反時限動作特性又包括甚反時限,極反時限,正常反時限和長反時限四種特性。

四種標準的反時限特性曲線,時間和電流的關系按照IEC 60255-3《繼電器 第3部分:非固定時限或固定時限的單輸入激勵量的量度繼電器》推薦的反時限曲線特性,通用表達式為:

式中:t——反時限保護動作時間,s;

K——反時限保護時間系數,取值范圍為0.05～1.0;

I0——零序過電流故障電流值,A;

α——反時限特性曲線常數值;

β——反時限特性曲線常數值。

根據電氣回路配合要求,選用不同的常數α和β(見表1),選取相應的反時限特性曲線作為低壓廠用變壓器Ⅱ段零序過電流保護。

表1 反時限特性曲線的常數選擇Table 1 Constant of inverse time characterizing curve

3 設計改進

以往的核電站低壓廠用變壓器中性點零序保護采用定時限特性設計,保護配合的分析結果說明廠用電系統在一定故障電流范圍內保護級差配合無法實現,存在越級跳閘風險,對零序保護設計改進顯得十分必要。

3.1 改進依據

低壓廠用變壓器中性點零序保護主要有兩方面的功能。一是作為低壓廠用變壓器和低壓配電盤發生單相接地短路故障的主保護,二是作為低壓負荷回路發生單相接地故障的后備保護。

對于低壓側中性點直接接地的變壓器,低壓側單相接地短路故障應在變壓器低壓側中性點上裝設零序過電流保護[1]。為了與低壓負荷回路的熔斷器和熱繼電器特性相配合,保護裝置可由反時限電流繼電器組成。低壓廠用變壓器中性點Ⅰ段零序過電流保護整定值一般大于或接近變壓器低壓側額定電流,當廠用變壓器經過渡電阻單相接地短路時,單相接地短路電流小于Ⅰ段零序過電流保護動作電流,則失去了后備保護功能,應對此類小電流故障,可設置Ⅱ段零序過電流反時限保護[2]。

3.2 改進方案

低壓廠用變壓器中性點零序保護設計需要滿足零序保護整定原則,同時滿足廠用電系統上下級保護級差配合要求。改進方案結合通用過流及接地保護繼電器(SPAJ142C)功能,低壓廠用變壓器采用Ⅰ段零序過電流定時限和Ⅱ段零序過電流反時限的兩段式零序保護。

3.2.1 Ⅰ段零序過電流定時限保護

與不帶專用接地故障保護的低壓負荷回路熔斷器(NH00-160 A,a M)配合時,低壓廠用變壓器中性點Ⅰ段零序過電流采用定時限,零序保護動作延時需要比熔斷器熔斷時間長,確保低壓負荷熔斷器先動作。變壓器零序保護在滿足動作靈敏性系數1.5要求的前提下,Ⅰ段零序過電流保護整定值越小、延時越短對低壓廠用變壓器保護越有利。

低壓負荷回路中不帶專用接地故障保護的最大熔斷器(NH00-160 A,aM)作為保護配合分析依據。從圖2分析看出,熔斷器1 s內熔斷的電流為1 200 A,0.2 s內熔斷電流為1 800 A。根據廠用電系統短路電流計算結果,低壓廠用變壓器低壓側發生單相接地短路時,最小短路電流約為17.9 k A。

綜上分析,改進后的低壓廠用變壓器Ⅰ段零序過電流保護可采用定時限設計,整定值為2 000 A,延時0.4 s。

3.2.2 Ⅱ段零序過電流反時限保護

與不帶專用接地故障保護的低壓負荷回路熔斷器(NH00-160 A,a M)配合,低壓廠用變壓器中性點Ⅱ段零序過電流保護采用反時限特性,相同故障電流下Ⅱ段零序過電流保護動作時間長于低壓負荷回路熔斷器熔斷時間。

可采用甚反時限特性時,查詢表1,公式(5)中的常數α采用2.0,常數β采用80.0,零序保護整定電流值Iop0為400 A,時間系數為1.0。由公式5可得到:

改進后的Ⅱ段零序過電流反時限保護曲線時間電流特性計算值見表2。

表2 甚反時限保護曲線計算值Table 2 Calculated data of even inverse time characteristic protection curve

3.2.3 兩段式零序保護

改進后的低壓廠用變壓器中性點零序保護采用兩段式零序保護,Ⅰ段零序過電流定時限保護,整定值為2 000 A,延時0.4 s。Ⅱ段零序過電流反時限保護,反時限特性采用甚反時限,整定電流為400 A,時間系數為1.0。

低壓廠用變壓器中性點采用Ⅰ段零序過電流定時限保護作為低壓廠用變壓器低壓側發生單相接地短路故障的主保護。Ⅱ段零序過電流反時限保護,作為低壓廠用變壓器低壓側發故障電流較小的非金屬性接地故障保護,也作為低壓負荷回路接地故障的后備保護。低壓廠用變壓器中性點兩段式零序過電流保護能在故障電流范圍內的保護可靠動作,并滿足保護級差配合要求。

3.3 配合與校驗

3.3.1 曲線配合

改進方案,將低壓廠用變壓器中性點零序保護采用“定時限＋反時限”兩段式零序過電流保護,將其保護曲線繪制入對數坐標(見圖3),進行保護曲線的配合分析。

從時間-電流特性曲線看出,低壓廠用變壓器中性點兩段式零序過電流保護曲線在熱繼電器-熔斷器動作曲線的上方。當故障電流小于850 A時,熱繼電器先于零序保護動作,當故障電流大于等于850 A時,熔斷器先于零序保護動作。

3.3.2 保護校驗

按照低壓廠用變壓器中性點零序保護整定原則,逐條校驗兩段式零序保護方案。

(1)保護裝置動作電流值應躲過變壓器中性點上流過的最大不平衡電流值。

圖3 兩段式保護配合曲線Fig.3 The coordination curve of two section protection

變壓器中性點零序保護最小動作電流值為400 A,低壓廠用變壓器最大不平衡電流值為25%。其中ITR為低壓廠用變壓器額定電流值,對于630 k VA變壓器為957 A。

Iop0＝400 A≥1.2IPEN＝1.2×25%×957＝287 A,滿足校驗公式(1)。

(2)變壓器低壓側發生短路故障,靈敏度系統大于1.5。

低壓廠用變壓器低壓側發生單相接地故障短路電流值為17.9 k A。最大動作電流為2 000 A。

Id/Iop0＝17.9/0.2＝89.5≥1.5,滿足校驗公式(2)。

(3)低壓廠用變壓器零序保護與帶專用接地故障保護低壓回路的接地故障保護相配合。

低壓負荷回路專用接地故障保護最大整定值為30 A,零序保護與30 A相配合。

Iop0＝400 A≥1.1I0max＝1.1×30＝33 A,滿足校驗公式(3)。

(4)低壓廠用變壓器零序保護與不帶專用接地故障保護的低壓負荷回路動作時間相配合。

低壓負荷回路不帶專用接地故障保護的回路,電動機回路最大功率為45 k W,加熱器回路額定電流值不超過100 A,選用熔斷器(NH00-160 A,a M)和及熱繼電器(TA25DU4,TC20)。

從圖3中看出,當故障電流值小于850 A時,熱繼電器先于零序保護反時限動作,當故障電流達到850 A時熱繼電器動作時間為15 s,零序保護動作時間為24 s。當故障電流值大于850 A時,熔斷器先于零序保護動作,當故障電流2 000 A時熔斷器熔斷時間為0.13 s,零序保護動作時間為0.4 s。從配合曲線中看出,在任意故障電流范圍內,Δt大于0.2 s,滿足校驗公式(4)。

3.3.3 現場驗證

2014年8月某核電站低壓廠用變壓器中性點零序保護改進方案開展了現場驗證試驗。試驗過程采用某供貨商生產的通用過流及接地保護繼電器(SPAJ142C)。

試驗中的低壓廠用變壓器中性點上的零序電流互感器變比為500/1 A。Ⅰ段零序過電流保護采用定時限設置,保護整定值4 A(2 000/500),延時0.4 s。Ⅱ段零序過電流保護采用甚反時限設置,甚反時限曲線選用時間系數為K＝1,啟動電流整定值0.8 A(400/500)。

現場試驗結果數據見表3。按照保護繼電器功能顯示,“8”代表Ⅰ段零序過電流定時限保護動作,“6”代表Ⅱ段零序過電流甚反時限保護動作。

現場試驗測得動作時間電流值與供貨商提供的甚反時限特性曲線(K＝1)吻合,繼電器均能可靠動作。當采樣電流值為4 A時,現場實際測得動作時間為0.413 s,為Ⅰ段零序過電流保護動作時間定值,而且從繼電器顯示為“8”說明Ⅰ段零序過電流保護可靠動作。

當故障電流大于或等于Ⅰ段零序過電流定時限整定定值時,Ⅰ段零序過電流定時限保護可靠動作。在故障電流小于Ⅰ段零序過電流定時限整定值時,保護繼電器的Ⅱ段零序過電流反時限保護可靠動作。核電站現場試驗改進后的低壓廠用變壓器中性點零序保護功能驗證,說明“定時限＋反時限”兩段式零序保護成功地解決了故障電流范圍內的低壓變壓器中性點零序保護與低壓負荷回路保護的級差配合問題。

4 結論

核電站低壓廠用變壓器是廠用電系統的核心設備。低壓廠用變壓器中性點零序保護是對低壓廠用變壓器發生單相接地故障的主保護,也作為低壓負荷回路接地故障保護的后備保護。以往核電站低壓廠用變壓器中性點零序保護設計采用的是“定時限”特性,導致國內外核電站發生多起低壓負荷回路故障引起低壓廠用變壓器中性點零序保護動作越級跳閘事件。

改進后的低壓廠用變壓器中性點零序保護采用“定時限＋反時限”兩段式零序保護。Ⅰ段保護采用零序過電流定時限功能,Ⅱ段保護采用零序過電流反時限功能。變壓器中性點零序保護在定值和時限上均滿足與低壓負荷回路保護級差配合,根本上解決因低壓負荷回路接地故障導致的越級跳閘問題。

[1] 電力行業電力規劃設計標準化技術委員會．DL/T 5153—2002火力發電廠廠用電設計技術規定[S]．北京:電力出版社,2002．

[2] 高春如．發電廠廠用電及工業用電系統繼電保護整定計算[M]．北京:電力出版社,2012．

[3] 中國航空工業規劃設計研究院．工業與民用配電設計手冊[M]．北京:電力出版社,2005．

Analysis and improvement on zero sequence protection of low voltage auxiliary power transformer in nuclear power station

SONG Peng-fei,FENG Qing-dong
(Design Institute of China Nuclear Power Engineering Co．,Ltd,Shenzhen Guangdong,518172,China)

The zero sequence protection for neutral point of low voltage transformer is the definite time characteristic in nuclear power station．Low voltage electrical feeder fault resulted in zero sequence protection of low voltage transformer leapfrog trip．According to the setting principle of zero sequence of low voltage transformer and analysis of protection coordination,the zero sequence protection scheme was improved with definite time and inverse time characteristic．The improved two section protection scheme can be used in the low voltage transformer of nuclear power station after protection checking and onside testing．

Low voltage auxiliary power transformer;Zero sequence protection;Definite time;Inverse time

TM623.1

A

0258-0918(2016)02-0245-06

2015-06-23

宋鵬飛(1986—),男,山西省晉中市人,工程師,工學學士,現主要從事核電廠電氣系統設計工作