核電廠主照明盤越級跳閘故障分析與改進

孫中博，曲國富，吳向華

（中核核電運行管理有限公司 維修五處，浙江 嘉興 314300）

0 引言

主照明盤，即主照明配電盤，是集中、切換、分配電能的設備，由柜體、斷路器、保護裝置等組成。重水堆核電廠主照明盤的主要功能是為反應堆廠房、核輔助廠房、汽輪機廠房提供廠房工作照明，提供220V 交流單相插座電源；為部分設備提供電加熱器電源，并提供適當的備用容量，方便控制負荷的停電、送電，當電路發生故障時，有利于檢修工作安全措施的建立。

每個機組有6 個主照明盤，其中有4 個四級主照明盤和2 個三級主照明盤。四級主照明盤由四級電源供電，為電廠提供四級照明（正常照明）。三級主照明盤由三級電源供電，為電廠提供三級照明（重要照明）。四級照明失去時，三級照明可繼續為廠房相關區域提供必需的照明。三級照明要求在相關重要區域內必須保持連續可靠的照明，只允許短時中斷[1]。兩個三級主照明盤電氣回路帶有聯鎖裝置，當一個主照明盤失去電源時，可以通過手動切換操作允許另一照明盤電源同時帶載兩個三級主照明盤的全部三級照明負荷。

圖1 照明回路單線圖Fig.1 Single line diagram of lighting circuit

重水堆核電廠主照明盤自2002 年投運，多次發生因末級負荷接地故障而導致主照明盤上級電源跳閘的越級跳閘事故。為滿足供電可靠性，2004 年進行了主照明盤供電變壓器（以下簡稱照明變）二次側接地繼電器保護定值優化（將原接地保護設定值100A，0.2s 調整為300A，0.5s），雖然減少了越級跳閘的次數，但未從根本上解決越級跳閘問題。根據可查數據，2007 年～2018 年的12 年間，主照明盤共計發生越級跳閘故障36 起，平均每年3 起。

繼電保護的選擇性基本要求指出，電力系統發生故障時，保護裝置僅將故障元件切除，而使非故障元件仍能正常運行，以盡量縮小停電范圍[2]。一個末級負荷的接地故障，發生越級跳閘，將使整個主照明盤失電，使廠房失去近1/6 的照明，擴大了故障的影響范圍，不滿足繼電保護的選擇性要求。

1 主照明盤越級跳閘故障分析及改進方法

1.1 照明回路的組成

如圖1 所示，主照明盤由上級小車斷路器經照明變供電，照明變為△/Y 型接線，中性點接地，并引出零線，變壓器二次側A、B、C 三相及零排直接與主照明盤母排相接。主照明盤型號為伊頓Freedom2100 型配電盤，每個間隔的出線斷路器是型號為HJD3250F 的三極斷路器。下級負荷為LP 盤（LP，Lighting Panels，即照明面板式盤柜），LP盤為400V/230V，三相四線制，其零線引自主照明盤零排，未通過主照明盤出線間隔，LP 盤配有230V 一極或兩極塑殼斷路器為末級負荷供電，其中乏燃料水池水面燈和水下燈上級斷路器配有漏電保護裝置。

1.2 照明回路越級跳閘的原因分析

以5#主照明盤為例，由于照明回路由上到下級數較多，保護配置較為復雜，具體情況如下：

1）上級小車斷路器保護配置如下：

固定式瞬跳保護：11×800A=8800A。

長延時保護設定值：0.7×800A=560A，動作時間設定值4s。

短延時保護設定值：10×560A=5600A，動作時間設定值0.2s。

接地保護設定值：40%×800A=320A，動作時間設定值0.5s。

由于負荷側接地故障產生的零序電流僅存在于照明變二次側，無法通過變壓器在一次側產生零序電流，故上級斷路器的零序保護僅對照明變一次側部分進行保護。

2）照明變二次側接地保護繼電器（GFR）的保護配置為：300A，延時0.5s，其保護動作直接作用于上級小車斷路器跳閘。

3）出線斷路器本體配置熱磁型脫扣器，無接地保護。出線斷路器額定電流為225A，其磁脫扣電流為斷路器額定電流的7 ～12 倍，根據以往校驗經驗，通常為8 倍以上。

即，磁脫扣電流I=8In=8×225A=1800A。照明回路接地電流通常較小，且此脫扣電流已經超過照明變二次側零序保護電流，配有熱磁型脫扣器的出線斷路器無法保障回路接地故障。

4）《GB 13955-92 漏電保護器安裝和運行》4.5 節規定：“安裝在潮濕、強腐蝕性等環境惡劣場所的電氣設備必須安裝漏電保護器”，5.6.2 節規定：“安裝在潮濕場所的電氣設備應選用額定漏電動作電流為15mA ～30mA 且快速動作的漏電保護器[3]。在電廠建設之初，乏燃料水池水面燈和水下燈末級斷路器配置了30mA 的瞬時漏電保護裝置，當此負荷發生接地故障，末級斷路器會先于照明變零序保護動作，除此以外的其他負荷未配置漏電保護開關。

如圖2 所示，照明回路上下級保護沒有形成良好的配合，圖中“照明變接地保護區域”沒有下級保護可以優先于照明變接地保護動作，是造成越級跳閘的根本原因。基于目前的保護配置情況，除水面燈和水下燈以外的負荷，在接地故障電流達到照明變二次側接地保護設定值且小于出線斷路器磁脫扣電流值時，照明變二次側接地保護將動作，發生越級跳閘。

1.3 解決越級跳閘的方法分析

圖2 保護動作綜合示意圖[4]Fig.2 Time-current curves of protection tripping[4]

圖3 兩種接地保護示意圖Fig.3 Schematic diagram of two types of ground protection

表1 改造前后的對比情況Table 1 Comparison before and after protection improvement

為了滿足保護動作的選擇性，減小故障影響范圍，需使照明回路上下級保護形成良好的配合。目前，在照明變二次側的整個回路，僅在二次側中性點配置一處總的接地保護，作用于動作上級電源，結合最新國家標準《GB/T 13955-2017 剩余電流動作保護裝置安裝和運行》4.3 節的規定，低壓供電系統中為了縮小發生人身電擊和接地故障切斷電源時引起的停電范圍，RCD 應采用分級保護，形成由總保護、中級保護、末端保護組成的兩級或三級保護[5]。由于末級負荷為多負荷共用零線的形式，且末級負荷數量龐大，在末級負荷增加接地保護的可行性較低。而在出線斷路器配置接地保護，則大大減少工作量，更具經濟性，同時滿足減小故障影響范圍的需求。通過在出線斷路器配置接地保護，設置合理的動作電流和動作時間，與照明變二次側接地保護相配合，可以形成總保護和中級保護的兩級保護配合。

接地故障保護分為零序電流保護和剩余電流保護兩種方式。

1）零序電流保護是通過三相相線或零線檢測三相電流矢量和。三相電流矢量和在三相平衡時等于零，在三相不平衡時等于三相不平衡電流。故障時零序電流：I0=IA+IB+IC+Id=IN+Id（IN，三相不平衡電流；Id，接地故障電流）。

2）剩余電流保護是通過三相相線和零線檢測三相電流和零線電流的矢量和。當線路沒有故障時，無論三相電流是否平衡，剩余電流都為零。剩余電流故障時，剩余電流：I=IA+IB+IC+IN+Id=Id。

主照明盤提供的400V 三相正弦交流電，通過零線分三相，分別為不同負荷提供220V 單相交流電，零線上不平衡電流大，且部分照明回路接地故障的接地電流較小，如使用零序電流保護，可靠性將難以滿足。因此，采取了在主照明盤每個出線斷路器配置剩余電流保護的方法。

由于主照明盤出線斷路器廠家沒有與此型號斷路器相配合的剩余電流保護及跳閘裝置，故需更換可配置剩余電流保護功能的斷路器。選用了配置RC222 型剩余電流脫扣器的四極斷路器，為與照明變二次側接地保護（300A，延時0.5s）及末級水面燈水下燈漏電保護（30mA，瞬跳）合理配合，出線斷路器保護配置如下：

1）剩余電流保護整定值：500mA，延時0.3s。

2）瞬時短路保護整定值：I3 ＝4In=4×250A=1000A。

3） 反 時 限 過 載 保 護 整 定 值（ 啟 動 值）：I1 ＝0.7In=0.7×250A=175A。

2 保護配置改進后設備運行狀況

從2018 年9 月～2019 年7 月，先后完成了2#機組主照明盤保護的改進工作。從第1 個主照明盤（2#機組2#主照明盤）保護改進完成后至今（2020 年4 月），所有已完成改進的主照明盤未發生過越級跳閘，同一時間未改造的1#機組主照明盤上級電源出現過2 次跳閘故障。2#機組主照明盤保護改進完成后至今（2019 年7 月～2020 年4月），2#機組主照明盤出線斷路器保護動作4 次，保護可靠性和靈敏性達到預期要求。

改造前后的對比情況見表1。

3 結論

保護改進后的主照明盤，增設了出線斷路器剩余電流保護功能，保護配置合理，實現了出線斷路器與末級斷路器及上級小車斷路器保護間的相互配合。現場運行效果良好，解決了原有主照明盤越級跳閘的問題，大大縮小了故障影響范圍，增強了繼電保護的可靠性、靈敏性與選擇性。