核電廠安全級DCS供電過負荷保護淺析

劉明明，張 誼，劉全東，李尉弘

（中國核動力研究設計院 核反應堆系統設計技術重點實驗室，成都 610213）

0 引言

隨著中國核電技術的不斷進步，安全級DCS 作為保障核電廠安全至關重要的部分，其儀表與控制技術也不斷發展，其中低壓保護設備是安全級DCS 長期穩定運行的基礎。因此，對低壓保護設備的供電可靠性、連續性的要求也越來越高。近年來低壓保護設備的技術不斷革新，目前中國的低壓保護產品已經進入第三代高性能和第四代智能化、可通信電器階段，這給設計核電儀控系統中的低壓配電系統的可靠性、選擇性、安全性和經濟性創造了條件[1]。

本文從過負荷保護的原理和常用過負荷保護設備的特點出發，結合安全級DCS 各設備對供電過負荷保護的要求，分析了常用保護設備的選擇方法和適用條件，結合安全級DCS 設備的特點提出了一種過負荷保護的典型設計，為安全級DCS 的供電保護設計提供參考。

1 供電過負荷保護類型

安全級DCS 的供電過負荷保護主要有兩個任務：一是安全級DCS 中的用電設備的用電環境安全可靠，即電路中電流的穩定；二是安全級DCS 供電過負荷保護設備本身的安全可靠，即過負荷保護設備按照設計方案進行供電或保護跳閘。通常過負荷保護包括過電流保護、短路保護兩種。

表1 斷路器與熔斷器性能對比Table 1 Performance comparison between circuit breaker and fuse

1.1 過電流保護

過電流是指電氣線路中通過的電流超過了安全電流的情況。過電流保護設備是為了防止線路中的設備因過載產生的熱量使設備損壞或燒毀而設置的設備。防止線路過電流的設備應滿足以下兩個條件：

其中：IB為回路的設計電流，In為保護設備的額定電流，IZ為電纜的持續載流量，I2為保證保護設備在約定時間內可靠動作的電流，以上參數單位均為安培（A）[2]。

過電流保護由于線路的不同還分為串聯和并聯兩種，串聯回路中的電流均相等，這里不過多敘述。由于并聯回路的電流與回路中的阻抗有關，所以在進行并聯回路的過電流保護時可考慮兩種方法：當并聯回路負載側阻抗相差不大時，可在電源側設置一個過電流保護設備，按此設計時該保護設備應按照GB 16895.5 附錄A.1 推薦的方式進行選型；當并聯回路負載側阻抗相差過大以至于其電流差大于各回路設計電流的10%時，可將過電流保護設備分級設置，即在各并聯回路分別設置過電流保護設備，同時在電源側設置一個總保護設備。

1.2 短路保護

短路是指電氣線路中產生短接時，線路電流大幅增大的情況。短路通常分為電源短路和設備短路，當發生短路時，線路中的電流比正常電流大數倍，會直接造成設備損壞甚至引發火災。短路保護設備是為了防止線路中的設備因短路而損壞或燒毀而設置的設備。安全級DCS 的機柜中均為單相電，僅需考慮單相短路接地的情況。此時，導體中的電阻為：

其中：ρ 為導體的電阻率，L 為導體長度，S 為導體截面積。

導體的電阻通常很小，故考慮短路保護時，通常是通過快速切斷的方式，降低線路中積累的能量。通常情況下，短路保護設備設置在導體的截面積減小或者其他變化導致導體的載流量發生改變的地方。

2 常用過負荷保護設備介紹

安全級DCS 中常用的過負荷保護設備包括斷路器、熔斷器兩種。

2.1 斷路器

斷路器是能接通、承載以及分斷正常電路條件下的電流，也能在所規定的非正常電路（例如短路）下接通，承載一定時間和分斷電流的一種機械開關電器[3]。根據作用和原理的區別，斷路器通常分為塑殼斷路器、空氣斷路器、微型斷路器等，安全級DCS 中使用的為微型斷路器（Miniature Circuit Breaker，MCB）。

MCB 通常具有過載保護和短路保護等功能，過載保護通過熱脫扣實現，短路保護通過磁脫扣實現。根據保護特性的不同，MCB 的過載保護特性一致，短路保護根據磁脫扣數值的區別分為A、B、C、D、K 五類曲線，其中C 型曲線常用于保護常規負載和配電線路，可用于安全級DCS機柜的保護。

2.2 熔斷器

熔斷器是根據電流超過規定值一段時間，自身產生的熱量熔斷熔體，從而斷開電路的保護設備。熔斷器與斷路器的區別在于，熔斷器的熔體在熔斷后通常需要進行手工更換，而斷路器可以通過重新合閘快速恢復供電。

熔斷器可制作成各種尺寸，搭載于不同的載體。常見的熔斷器一般安裝在熔斷器底座上，隨著熔斷器的發展，近年來也將熔斷器裝配于其他設備，如接線端子。熔斷器端子在設備尺寸方面具有突出的優點，是安全級DCS 機柜進行某些小電流末端設備保護的首選。

2.3 斷路器與熔斷器性能對比

在進行過負荷保護設備選型時，應考慮多個因素，如安全性、切斷時間、設備尺寸、可維護性等，應用于安全級DCS 的微型斷路器和熔斷器的性能比較如表1 所示。

圖1 安全級DCS供電過負荷保護的典型設計Fig.1 Typical design of overload protection for safety DCS power supply

3 安全級DCS供電過負荷保護設計

3.1 安全級DCS供電保護對象

安全級DCS 供電保護對象主要分為機柜內設備和現場設備。

機柜內設備包括I/O 機箱、機柜風扇、溫度自診斷繼電器、協議轉換模塊等，其中：

1）I/O 機箱：負荷會隨著機箱中安裝的模塊類型和數量變化，負荷一般較大，且由于I/O 機箱是進行數據處理的核心，對供電故障后的快速恢復要求較高。

2）機柜風扇：自主研發的標準件，負荷較小且數值恒定。

3）溫度自診斷繼電器：負荷很小，一般為毫安（mA）級。

4）協議轉換模塊、終端模塊：自主研發的標準件，負荷較小且數值恒定。

現場設備一般安裝于核電廠，但需要安全級DCS 為其供電，此類設備主要包括優先級邏輯選擇模塊控制的閥門、風機、水泵等，但此類設備的負荷一般較小，通常電流在2A 以內，且由于這些現場設備僅要求安全級DCS 對其供電，對保護功能的要求相對較低，所以此類設備的供電保護應更關注可維護性。

3.2 安全級DCS供電過負荷保護設計

根據3.1 節的分析，安全級DCS 在進行供電過負荷保護設計時，應根據下級設備的不同，選取不同的保護設備，其設計思路主要有以下幾點：

1）I/O 機箱負荷較大，且非常重要，結合安全級DCS機柜的結構特點，選取斷路器作為保護設備。

2）機柜風扇、溫度自診斷繼電器、協議轉換模塊等由于負荷較小，為了集中供電節省空間，可采用斷路器對這些設備集中供電，再為各設備配備熔斷器端子的方式，保證其可維護性和供電的獨立性。

3）終端模塊是為I/O 機箱的信號傳輸服務的設備，故其供電應與I/O 機箱保持一致，同時為了節省空間，可采用分機箱集中供電，再為各終端模塊配備熔斷器端子的方式保證其可維護性和供電的獨立性。

4）現場設備負荷差異較大，且閥門、風機等負荷會頻繁啟動，若采用熔斷器端子進行保護，可能會頻繁更換熔芯，同時考慮到其對保護功能的要求較低，采用斷路器作為其保護設備。

根據以上分析結果，安全級DCS 供電過負荷保護的典型設計（單路）如圖1 所示。

4 結束語

安全級DCS 作為保護核電廠安全可靠運行的核心，其供電的可靠性和穩定性十分重要，而過負荷保護是供電保護的重要一環。本文簡單介紹了常見的過負荷保護類型及其原理，同時提出了兩種適用于安全級DCS 的常用過負荷保護設備，并對其特點進行了分析。根據分析的結果，結合安全級DCS 的各個設備的特點，進行了安全級DCS 供電過負荷保護的典型設計。此典型設計可作為安全級DCS 的供電設計的依據，同時希望此方法能為核電廠其他系統的供電設計提供參考。