核電廠低壓配電系統接地保護配置優化探討

摘要：通過對近年來核電廠低壓配電系統負荷接地故障導致的越級跳閘等事故進行分析，分析了造成接地保護不正確動作的根本原因，指出了目前核電廠配電系統接地保護配置存在的薄弱點，并提出了改進建議，以防止同類問題反復發生，提高核電廠配電系統的供電可靠性。

關鍵詞：配電盤;接地保護;剩余電流;越級跳閘;配置優化

0 引言

核電廠大部分廠用電負荷通過380 V低壓交流配電系統供電。380 V低壓配電系統主要向功率小于160 kW的負荷供電，這些負荷按照重要程度不同，可分為核安全相關負荷和核安全無關負荷。提高低壓配電系統的供電可靠性，對于保障核電廠正常生產和核安全都有著重要意義。

低壓配電系統用電負荷主要包括電動機、加熱器、閥門、配電箱柜等。這些負荷分布在核電廠核島、常規島、BOP等多個區域。用電負荷受到制造質量缺陷、絕緣劣化、環境潮濕或定期切換瞬態沖擊等因素影響，配電系統電氣故障時有發生，其中接地故障是占比最大的故障模式。據統計，配電系統接地故障數量約占總故障數量的75%以上。針對單一負荷的接地故障，如果保護能夠正確動作切除故障，不會影響核電機組的正常運行。近年來，核電廠配電系統負荷發生接地故障時，負荷保護元件未及時切除故障，上游降壓變壓器零序保護動作越級斷開中壓開關，導致整列配電盤失電的事件時有發生。這些越級跳閘事件的發生，說明需要進一步優化核電廠低壓配電系統接地保護配置。

1 配電系統接地保護配置現狀

核電廠低壓配電系統由6.6 kV中壓母線，通過裝在低壓配電盤內的6.6 kV/380 V干式降壓變壓器供電，降壓變壓器中性點直接接地。核電廠低壓配電盤典型接線圖如圖1所示。

低壓配電系統主要由降壓變壓器、監控倉以及各類負荷開關抽屜、倉室組成。針對降壓變壓器，通常在中性線設置零序保護，作為低壓側單相接地故障短路保護，并與下游饋線回路進線配合。降壓變零序保護由電流互感器和接地故障過流繼電器組成，當中性線有接地電流通過，超過定值時，繼電器動作，跳開6.6 kV進線開關。

380 V饋線配電回路通常配置斷路器本體保護、保險、熱偶保護、接地保護等，其中采用斷路器本體實現速斷保護，保險實現過流/過負荷保護，熱偶主要實現過負荷保護，并對部分饋線回路配置進行接地保護。接地保護由剩余電流互感器及漏電繼電器組成，漏電保護原理如圖2所示。當開關下游設備發生接地故障時，在故障點電流發生分流，漏電電流無法流經電流互感器，致使互感器流進、流出的電流不平衡，一次線圈產生剩余電流。因此，配電系統漏電保護也被稱為剩余電流保護。

2 接地保護配置存在的主要問題

2.1? ? 饋線接地保護選配造成的越級跳閘問題

核電廠低壓配電系統針對電機等饋線負荷，根據額定容量選配接地保護。通常核島配電盤75 kW及以上、常規島配電盤100 kW及以上電動機類負荷配置接地保護。《火力發電廠廠用電設計技術規定》第8.7.1條第2點，對單相接地短路保護的配置要求如下：對容量為100 kW以上的電動機，裝設單相接地短路保護;對55 kW及以上的電動機，如相間短路保護能滿足單相接地短路的靈敏度要求時，由相間短路保護兼作接地短路保護，當不能滿足時，另裝接地短路保護。核電廠配電系統接地保護的配置也基本遵循《火力發電廠廠用電設計技術規定》的要求，容量75 kW及以下電動機負荷沒有專門配置接地保護，當下游發生接地故障時，需要依靠開關保險或斷路器相間短路保護動作切除故障。開關相間短路保護因為靈敏度或動作時限的原因，存在無法及時切除故障的風險，若此時接地電流已超過上游降壓變壓器零序保護動作定值，則降壓變壓器零序保護動作跳開6.6 kV開關，越級跳閘造成整盤失電，擴大停電范圍。類似事故在核電廠已經發生多起，一個典型案例是某A核電廠常規島負荷4SEK004PO（電動機功率45 kW，額定電流90 A）發生接地故障，接地故障電流約800 A，其供電開關4LKT401配置斷路器本體速斷保護（整定值1 280 A）和熱偶保護，沒有配置接地保護，接地故障電流導致上游380 V配電盤4LKT001TB零序保護繼電器（整定值364.8 A，延時0.4 s）動作，越級造成中壓開關4LGD502跳閘，4LKT001TB整盤失電。

2.2? ? 接地保護級差配合問題

核電廠配電系統接地保護的級差配合，主要體現在負荷接地保護與降壓變壓器中性點零序保護的配合關系，既有電流定值的配合問題，又有延時配合的問題。核電廠配電系統在實際運行過程中，因動作電流或延時級差配合問題，接地保護曾發生過誤動作，問題主要出現在采用“熔斷器+接觸器”方式供電的饋線開關，與上游降壓變采用零序電流保護的配合關系上。降壓變下游負荷眾多，有加熱器、電動機、電動頭等，這些負荷所在回路的熔斷器種類和容量都不盡相同，熔斷器熔斷特性曲線差別較大，使得零序保護不能完全匹配下游所有熔斷器特性曲線，存在保護配合死區，而這些死區的存在可能會導致越級跳閘。

一個典型的案例是某B核電廠2RRM003ZV電動機三相接地短路故障，導致上游配電盤2LLE001TB整盤失電。2RRM003ZV電動機額定功率為90 kW，額定電流為180 A，上游供電主回路開關為2LLE04R1，2LLE04R1開關采用“熔斷器+接觸器”的組合方式，配備了短路保護（熔斷器）和接地保護（漏電繼電器）。2LLE04R1漏電繼電器保護定值為30 A，延時0.06 s動作于接觸器跳閘，接觸器型號AF260，最大開斷電流值2 600 A。熔斷器型號為aM250A，熔斷器動作具有反時限動作特性，故障電流越大，熔斷時間越快。2LLE001TB配電盤變壓器低壓側配置有零序過流保護，定值為1 500 A，延時0.5 s。某次2RRM003ZV發生三相接地短路故障，漏電繼電器延時0.06 s動作試圖跳開接觸器，因故障電流超出接觸器最大開斷電流（接觸器最大開斷電流為2 600 A），接觸器出現粘連現象，接地故障電流持續存在，引起A/C相保險熔斷，A/C相主回路斷開，B相因為接地電流較A/C相實際要小（B相漏電保護記錄接地電流2 632 A），未能及時熔斷，B相持續存在接地電流，0.5 s后2LLE001TB配電盤變壓器零序過流保護動作，跳開6.6 kV開關，造成整盤失電。后經查閱熔斷器熔斷特性曲線，接地故障電流在2 632 A的情況下，熔斷器熔斷時間最短為1.0 s。從這起案例可以看出，除了接觸器選型配置有問題外，熔斷器熔斷特性曲線與上游零序保護延時級差配合不當，也是引起越級跳盤的一個主要因素。

2.3? ? 剩余電流互感器性能問題

核電廠配電系統針對饋線接地故障配置的漏電保護采用剩余電流原理，剩余電流互感器是漏電保護的檢測元件，它的主要功能是檢測通過互感器鐵芯的主回路剩余電流（觸電、漏電等接地故障電流），并將一次回路的剩余電流變換成二次回路的輸出電壓。剩余電流互感器一次回路的勵磁電流很小，處于在弱磁場條件下工作。核電廠配電系統的饋線主回路經常會受到幾百安培至上千安培大啟動電流或幾萬安培的短路電流沖擊，剩余電流互感器性能不佳，易處于極端飽和狀態，在這種情況下，剩余電流互感器會因沖擊電流產生的剩磁影響動作特性，甚至造成漏電保護拒動。

某C核電廠曾發生因剩余電流互感器在接地短路電流沖擊下迅速飽和，漏電保護拒動而導致的越級跳閘事件。事件過程為：運行人員在進行3CVI系統定期切換時，當啟動備用列3CVI101PO電動機（額定容量185 kW，額定電流383.4 A）后，電動機運行約24 s后出現相間短路接地故障，其電源開關3LKQ301漏電保護（定值30 A，延時0.06 s）未正確動作，0.4 s后配電盤3LKQ001TB零序保護繼電器（定值600 A，延時0.4 s）動作，聯跳上游6.6 kV開關3LGA702跳閘，導致3LKQ001TB整盤失電。經分析，本次電動機相間短路接地故障電流超過4 500 A，達到剩余電流互感器額定電流（250 A）的18倍，鐵芯出現嚴重飽和現象。圖3是事件發生后外送上海電氣設備檢測所開展的剩余電流互感器性能測試結果，可見當輸入電流達到4.99 kA時，鐵芯飽和狀態下的輸出電壓波形產生畸變。

3 接地保護優化方案探討

3.1? ? 擴大饋線接地保護配置范圍，提高保護動作的靈敏性、快速性

根據核電廠配電系統接地保護現行標準，只有電動機類饋線負荷功率超過一定數值，才考慮配置接地保護，導致大部分電動機負荷沒有配置接地保護，需要通過相間短路保護對接地故障進行保護。然而，電動機類負荷因為要考慮躲過電動機啟動電流的影響，相間短路保護設定值通常都比較大，相間短路保護靈敏度難以滿足接地短路故障的需求。因此，用相間短路保護兼作接地短路保護，往往不能針對電動機接地故障進行快速切除，只能等到接地短路繼續發展成相間接地短路，才能由相間短路保護切除故障，延長了保護的動作時間，使設備損害更加嚴重，同時，還可能導致上游降壓變零序電流保護搶先動作，造成越級跳閘。

隨著技術的發展，配電盤的制造工藝越來越模塊化、智能化，接地保護繼電器也越來越微機化、小型化，增設漏電保護繼電器和剩余電流互感器所需的空間、成本等限制條件不再突出，可以考慮針對所有電動機類負荷配置接地保護，以實現接地故障的全范圍保護，提高接地故障保護動作的靈敏性、快速性。

3.2? ? 進行配電系統接地保護定值核算，優化降壓變零序保護配置

相比較中高壓電氣系統，核電廠配電系統的保護定值核算和靈敏度校驗工作在重視程度和執行有效性方面都存在改進的空間。尤其是針對配電系統接地保護的定值核算工作，因涉及各低壓配電盤饋線回路短路電流的計算，需收集的數據繁雜，同時需考慮系統、降壓變、低壓母排及低壓電纜的阻抗等信息，部分基礎數據存在缺失;接地故障又存在金屬性接地、非金屬性接地等各種工況，都對配電接地保護的定值核算造成了困難，需要避免單一設備故障越級跳閘導致的整盤失電對核電機組造成瞬態沖擊，因此，有必要針對核電廠配電系統接地保護規范開展定值核算和靈敏度校驗工作，及時發現保護配置方面的問題，予以改進糾正。

針對核電廠饋線接地保護和降壓變零序保護級差配合問題，《廠用電繼電保護整定計算導則》（DL/T 1502—2016）9.2.3單相接地零序過流保護，關于動作時間的整定方法要求如下：

（1）下一級有零序過電流保護時，按與下一級單相接地零序過電流保護最大動作時間配合進行計算，級差時間可取0.2～0.3 s。

（2）下一級無零序過電流保護時，按與下一級相電流保護最大動作時間配合進行計算，級差時間可取0.2～0.3 s。

《大型發電機機組繼電保護整定計算與運行技術》關于低壓廠用變壓器繼電保護整定計算中，也有針對低壓側中性點零序過流保護動作時間的細致要求：變壓器中性點零序過電流保護動作時間可用定時限，也可用反時限，根據下一級零序過電流保護動作特性決定。當低壓饋線無熔斷器保護時，變壓器中性點采用定時限零序過電流保護。當低壓饋線有熔斷器保護時，變壓器中性點側過電流應與熔斷器熔斷特性曲線配合，此時變壓器中性點側零序過流保護可采用反時限特性保護。為與熔斷器特性配合，其時限級差可取0.5～0.7 s。

根據以上規范要求，針對核電廠配電系統接地保護的級差配合問題，需要優化降壓變零序保護配置，主要包括以下兩點：

（1）降壓變零序保護動作時間不僅需要考慮與饋線接地保護最大動作時間級差配合，還要考慮與饋線相電流保護的最大動作時間級差配合，尤其是饋線采用熔斷器保護，需要結合熔斷器特性曲線考慮動作時間。

（2）早期投運的核電廠，降壓變零序保護繼電器大多采用集成電路型繼電器，不具備反時限特性，可以利用集成電路型繼電器使用年限到期、老化換型的機會，更換為微機型零序保護繼電器，增設反時限動作特性。

3.3? ? 注重剩余電流互感器選型，提升剩余電流互感器性能

漏電保護作為核電廠配電系統接地故障的主要保護，在配電系統中得到了大量使用，而剩余電流互感器又是漏電保護中最關鍵的部件之一，其性能直接影響漏電保護動作的可靠性。但在核電廠設備設計、制造、安裝、運維各環節中，往往忽視對剩余電流互感器的技術要求，導致漏電保護拒動或誤動，影響配電盤供電可靠性。筆者結合維護經驗，主要有以下幾點優化建議：

（1）剩余電流互感器的選型，要注意其額定工作電流與回路額定電流相匹配。與回路額定電流偏差過大或過小，都會影響剩余電流互感器性能。前文案例所述的某C核電廠發生的3CVI101PO電動機故障引起的剩余電流互感器飽和問題，原因就在于其剩余電流互感器額定工作電流250 A小于回路工作電流383.4 A，導致負荷發生接地故障時，剩余電流互感器嚴重飽和，漏電保護拒動。

（2）漏電繼電器的工作環境和特點，決定需要選用的剩余電流互感器具有較大的變比、較大的飽和電流倍數、較大的容量。剩余電流互感器不僅需要檢測出正常運行期間的負荷不平衡電流或絕緣劣化的漏電流，還要正確反映下游各種接地故障短路電流，尤其是饋線出口或負荷側入口的短路電流特別大，可能超過額定電流幾十倍。這種大跨度的電流傳變對剩余電流互感器性能提出了更高的要求，因此剩余電流互感器的鐵芯材料建議選用具有高起始磁導率、高磁導率和低矯頑力的鐵鎳軟磁合金材料。

（3）根據剩余電流互感器的工作原理，為了讓剩余電流互感器工作在最佳性能點，需要注意現場安裝時穿過其導體的捆綁固定方式以及導體截面積與選用的剩余電流互感器內徑的比例關系。剩余電流互感器安裝規范示意圖如圖4所示。

4 結語

通過擴大接地保護配置比例、規范開展接地保護定值復核、提升剩余電流互感器性能等各項措施，不斷總結經驗，優化核電廠低壓配電系統接地保護配置，能夠有效解決接地保護拒動、越級跳閘等問題，提高核電廠低壓配電系統供電可靠性。

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收稿日期：2020-07-06

作者簡介：許勇斌（1979—），男，安徽涇縣人，工程師，從事電氣設備運維工作。