某核電站一期2 號機反應(yīng)堆棒控電源電動機異常跳閘原因分析及處理

鄧乃木

（中廣核核電運營有限公司，廣東 深圳518124）

1 引言

某核電站一期擁有兩臺984MW 的核電機組，每臺機組擁有獨立的控制棒驅(qū)動機構(gòu)電源系統(tǒng)RAM。它負責向控制棒驅(qū)動機構(gòu)提供電壓為260V、頻率50Hz 且中性點絕緣的交流電源。它由兩套電源組成，正常運行時，兩套電源并列運行各承擔50%的額定負荷。當一套電源裝置發(fā)生故障或停運維修時，另一套電源裝置能夠提供100%的負荷要求。如果兩臺發(fā)電機出口出現(xiàn)開關(guān)斷開或RAM 系統(tǒng)電源全部失去，控制棒組靠其自身重力在1.2s 內(nèi)落入堆芯，使反應(yīng)堆緊急停堆。

本文針對某核電站一期2 號機組反應(yīng)堆棒控電源電動機（L2RAM001MO）異常跳閘事件，分析設(shè)備異常的根本原因，并提出相應(yīng)的處理措施。

2 問題描述

L2RAM001MO 設(shè)備參數(shù)為額定電壓Un 為380V，額定功率為135kW 的異步電動機。其額定頻率50Hz，轉(zhuǎn)速1482rpm，效率92%。失步轉(zhuǎn)矩電壓0.7Un，定于銅繞組絕緣等級為F。L2RAM001MO 由額定電壓為 380V 的交流配電盤L2LKA001TB 供電， 電動機啟動方式為直接全壓啟動。L2LKA001TB 為TT 系統(tǒng)，其L2RAM001MO 電動機饋線開關(guān)L2LKA103 配備接地保護、電流速斷保護、過載保護。

2018 年3 月1 日，在此核電站2 號機組第14 次換料大修過程中，檢修人員進行RAM 系統(tǒng)再鑒定工作，啟動L2RAM001MO 時，電動機饋線電源開關(guān)L2LKA103 零序保護跳閘。此故障模式為2 號機組RAM 系統(tǒng)連續(xù)運行14 個周期后首次出現(xiàn)，每個運行周期為1 年。而在2018 年2 月28 日，檢修人員剛進行過RAM 系統(tǒng)空載試驗，啟動L2RAM001MO運行正常。RAM 系統(tǒng)空載至再鑒定期間，系統(tǒng)設(shè)備無檢修活動且設(shè)備狀態(tài)無改變。

3 原因分析

零序保護的動作原理是基于基爾霍夫電流定律：流入電路的任一節(jié)點的復(fù)電流的代數(shù)和等于零。它是利用電流互感器作為取樣元件，讓三相線路穿過同一個電流互感器。當三相負荷平衡時，無接地故障，不考慮正常泄露電流時，零序電流為零；當三相負荷不平衡時，零序電流包含不平衡電流。當發(fā)生單相接地故障時，產(chǎn)生單相接地故障電流。零序電流為三相不平衡電流與單相接地故障電流的矢量和。零序保護動作的可能原因如下。

3.1 棒控電源電動機故障

3.1.1 棒控電源電動機阻值不平衡

電動機繞組的電阻不平衡時，產(chǎn)生不平衡電流。當不平衡電流增大至零序保護繼電器動作閾值會造成零序保護動作。在冷態(tài)下，采用雙臂電橋?qū)﹄妱訖C繞組進行測量。所測得的各相電阻偏差與其最小值的百分比，不得超過5%。即：

上式中Ra——相電阻平均值，如果超出規(guī)定范圍，則表示繞組中有短路、斷路、焊接頭接觸不良、匝數(shù)有誤差或某相繞組線徑用錯等故障。經(jīng)測量，電機三相繞組阻值如表1，計算所得不平衡度為0.81%，滿足標準。因此排除電動機繞組值不平衡造成零序保護動作的可能。

表1 L2RAM001MO 繞組電阻測量結(jié)果

3.1.2 棒控電源電動機接地故障

大型電動機可以通過測量絕緣電阻來判斷繞組是否受潮及接地。對于額定電壓500V 以下的電動機一般采用500V 兆歐表進行測量，其絕緣電阻冷態(tài)不應(yīng)低于1MΩ，熱態(tài)時絕緣電阻應(yīng)不低于0.5MΩ。L2RAM001MO 繞組采用星型鏈接，繞組對地絕緣為177MΩ，滿足標準。因此排除電動機接地故障的可能性。

3.2 動力電纜接地故障

棒控電源電動機的動力電纜不帶鎧裝及接地線。當三相電纜出現(xiàn)接地故障時，會產(chǎn)生接地故障電流。對L2LKA103 開關(guān)至L2RAM001MO 的動力電纜進行絕緣檢查，結(jié)果如表2。

表2 L2LKA103 開關(guān)至L2RAM001MO 動力電纜檢查

測量結(jié)果表明，三相動力電纜對地絕緣值滿足要求，因此排除動力電纜出現(xiàn)接地故障的可能。

3.3 零序保護繼電器誤動作

零序保護繼電器為ALSTOM 生產(chǎn)，型號為DIMAX 111C，其動作閾值的工作范圍為0.5IΔn≤Is≤IΔn，式中IΔn——電流互感器采樣得到的電流信號。可見，動作閾值的0.5 倍至1 倍之間都存在零序保護繼電器動作的可能性。由于零序保護的精度較粗，當零序保護繼電器整定值飄移，會出現(xiàn)零序保護繼電器誤動作。現(xiàn)場零序保護繼電器整定值3A，動作時間設(shè)定為小于0.4s。對零序保護繼電器進行校驗，結(jié)果如表3。

表3 L2LKA103 開關(guān)零序保護繼電器校驗

經(jīng)過測量，可以判斷零序繼電器整定值未飄移，動作時間合格，因此排除零序保護繼電器誤動作的可能。

3.4 外界因素

3.4.1 零序互感器安裝不規(guī)范

使用互感器時，要求測量回路與被測系統(tǒng)隔離，以保障工作人員和測試設(shè)備的安全。現(xiàn)場專業(yè)人員檢查互感器測量回路靠近動力電纜。RAM001MO 電機啟動時，啟動電流峰值達1396A。變化的磁場會干擾互感器的測量回路，造成DIMAX 111C 繼電器動作，使零序保護誤動作。現(xiàn)場布置如圖1。

圖1 L2LKA103 零序互感器現(xiàn)場安裝圖

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場安裝的零序電流互感器非水平放置，穿過零序電流互感器的三相動力電纜非“品”字型布置，而是呈“一”字型排列。當三相動力電纜呈“一”字排列穿過互感器線圈且緊貼線圈時，穿過線圈截面的交變磁通非均勻?qū)ΨQ，在交變磁場作用下，對磁化電流、磁滯電流分量及渦流電流分量產(chǎn)生影響。因此，現(xiàn)場零序互感器的安裝不規(guī)范會影響電路互感器的勵磁電流，對電流互感器的測量誤差產(chǎn)生影響。結(jié)合此核電站L2LKA103 開關(guān)現(xiàn)場初始安裝工況，可以認為，初始工況下L2RAM001MO 啟動時零序互感器采樣到的電流信號已接近DIMAX 111C 繼電器的動作閾值。

3.4.2 天氣潮濕

2018 年3 月1 日，RAM 系統(tǒng)再鑒定時天氣變化，為大霧天氣。空氣中大量的水分改變了線路對地電容的電介質(zhì)常數(shù)。電動機啟動時，線路對地電容在交變電場下形成的充電電流增大，即線路對地電容的泄露電流增大。

分析認為，初始工況下L2RAM001MO 啟動時零序互感器采樣到的電流信號已接近DIMAX 111C 繼電器的動作閾值，疊加天氣變化后，線路對地電容泄露電流增大的因素，使突破了DIMAX 111C 繼電器的動作閾值，從而零序保護動作。

4 處理過程

4.1 電流互感器安裝位置消缺

調(diào)整電流互感器線圈接線的布置方式，將互感器線圈接線相互纏繞并遠離動力電纜，以減少大電流流經(jīng)動力電纜時產(chǎn)生的強磁場對電流互感器測量回路的干擾。調(diào)整電流互感器線圈的安裝位置，將三相動力電纜呈“品”字型穿過電流互感器線圈，盡量將動力電纜置于線圈正中間，以減少電流互感器的測量誤差。經(jīng)調(diào)整處理后，現(xiàn)場設(shè)備布置如圖2，啟動L2RAM001MO 5 次，棒控電源電動機均正常啟動。

4.2 零序保護整定值調(diào)整

由于調(diào)整L2LKA103 零序互感器安裝位置及二次接線的布線方式，提高了零序互感器抗干擾能力，使L2RAM001MO成功啟動。但L2RAM001MO 啟動時，零序電流接近零序保護動作閾值的工況依然存在。因此需要調(diào)整L2LKA103 開關(guān)零序保護整定值。對于容量為100kW 及以上的電動機單相接地保護整定值應(yīng)躲過電動機啟動時的最大不平衡電流，可按電動機的額定電流的25%～30%，即：

上式中，Kcoef 為不平衡系數(shù)，取0.25～0.3。Im.n 為電動機的額定電流。保護動作時限整定為0.2～0.3s。

圖2 調(diào)整后電流互感器現(xiàn)場安裝圖

上式中，Ko.sef 為靈敏系數(shù)，要求大于或等于1.5。Isc.gf.min 為電動機端單相接地時的故障電流。Io.op.set 為零序保護電流設(shè)定值。根據(jù)電動機參數(shù)計算得出，Io.op.set 應(yīng)小于等于71.05A。可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場零序保護繼電器整定值為3A，使零序保護的靈敏系數(shù)過高。因此，在不進行DIMAX 111C 繼電器換型改造的前提下，調(diào)整LKB103 開關(guān)零序保護整定值，從3A調(diào)整到10A。10A 為DIMAX 111C 繼電器整定值的最大量程。

5 事件反饋

反饋檢查同類型大電機負載的零序保護互感器安裝情況。對零序互感器安裝不當或存在零序互感器二次接線受干擾的潛在工況及時調(diào)整和處理。

6 結(jié)語

通過對RAM 電機饋線開關(guān)零序動作跳閘的研究，總結(jié)了此類大功率異步電機啟動時出現(xiàn)上游電源開關(guān)零序跳閘的故障查找方法。在現(xiàn)場實踐的基礎(chǔ)上，為后續(xù)機組出現(xiàn)同類問題的處理提供了良好的參考和借鑒。