核電廠控制棒電源插件接地電容對其電源系統影響

中廣核研究院有限公司 鐘 勇 徐 昭 楊華峰 鄧康寧 朱文江

針對核電廠棒控電源不接地系統，分析控制棒電源插件因改造在其直流側增加的抗干擾接地電容對棒控電源系統單相接地故障電流的影響。根據棒控電源系統拓撲結構，理論上分析系統在不同運行工況下，N相、ABC三相任一相發生單相接地短路時系統電容電流分布，推導出故障點電容電流的計算公式。量化分析結果表明，故障點電容電流主要由通過電源插件直流側接地電容電流提供，故障點電容電流與電源插件直流側接地電容成正比或近似成線性正相關。為保證棒控電源系統運行可靠性宜采用不接地系統方式，電源插件直流側接地電容應小于推薦的最大值。

核電廠棒控電源系統是為控制棒驅動機構的磁力線圈供電的專用系統，棒控電源系統通過電源插件，將260V交流電通過三相半波整流轉化為210V直流電。棒控電源系統為三相四線制的不接地系統，當系統發生單相接地短路時，系統絕緣監測儀發出報警信號。

因設備老化，電源插件進行了整體更換，更換后的電源板卡為增加抗干擾能力在直流側設置接地電容，電源插件共有128個，總并聯電容較大，接地電容改變了系統單相接地時的電容電流分布，有必要分析其對系統發生單相短路時的影響。

1 控制棒電源系統拓撲

棒控電源系統由2套電動機-同步發電機組、配電盤、停堆斷路器、電纜和棒控機柜組成，如圖1所示，其中棒控機柜共16個，每個機柜共有8個電源插件。棒控電源系統正常運行時2套電動機-同步發電機組并列運行，當一套電動機-同步發電機組發生故障或檢修時，由另外一套供下游負荷。

圖1 控制棒電源系統圖

電源插件通過三相半波整流將260V交流轉化成210V直流給控制棒線圈供電。為過濾線路上的雜波、脈沖等干擾在直流側各設置了接地電容。

2 系統單相短路故障分析

2.1 系統N相發生單相接地短路

系統為不接地系統，當系統發生N相對地短路時，N相對地電壓變為零，N相對地電容被短接，非故障相ABC相對地電壓為相電壓。ABC相仍然是對稱的，在發電機側、供電回路側三相對地電容電流相加為零，短路點電容電流由電源插件內部接地電容提供。當C相晶閘管導通時，系統電容電流分布如圖2所示。故障點電容電流為：

圖2 N相發生接地短路時系統電容電流分布圖

其中C0D1=C0D2=……=C0D128=C0D。

當一套電動機-發電機組故障或檢修時，由另外一套電動機-發電機組單獨給下游棒控機柜供電，N相發生單相對地接地短路時，發電機提供的電容電流為零，所以故障點電容電流與兩套電動機-發電機組并列供電時相同。

2.2 系統ABC相任一相發生單相接地短路

當系統ABC三相任意一相發生單相接地短路時，假如A相發生單相接地短路，A相對地電容被短接，N相與地之間電壓升高為相電壓，N相對地電容也相應升高。BC兩相的對地電壓升高倍，對地電容電流也相應升高倍。A相接地短路使得電源插件A相晶閘管無法導通，BC相依次導通。當C相晶閘管導通時，系統電容電流分布如圖3所示。

圖3 A相發生接地短路、電源插件C相導通時系統電容電流分布圖

A相接地以后，各相對地電壓為：

故障點電容電流為：

其中C0L1=C0L2=……=C0L128=C0L，C0G1=C0G2=C0G。

當某套電動機-發電機組故障或檢修時，有另外一套電動機-發電機組單獨給下游棒控機柜供電，A相發生單相接地短路，電源插件C相晶閘管導通時，故障點電容電流為：

3 系統電容電流計算及分析

某核電廠棒控電源系統：同步發電機容量400kVA，額定電壓260V，額定電流890A，額定頻率50Hz，額定轉速1500rpm；發電機出口到配電盤之前連接采用3根4×150mm2電纜，距離約為15m；配電盤到棒控機柜之間連接采用4×35mm2電纜，長度平均約為10m；電源插件直流側接地電容C0D=0.94μF。

參考《電力工程設計手冊：火力發電廠電氣一次設計》，發電機單相對地電容C0D=0.012μF。供電電纜單相對地接地電容C0L=0.05625μF。

3.1 系統N相發生單相接地短路

系統N相發生單相接地短路，不管是單套或者兩套電動機-發電機組運行工況下，故障點電容電流都一樣，IC=5.67A，小于10A，系統中性點可采用不接地方式，系統允許繼續運行2h，根據接地選線裝置找出故障接地點，消除故障。

如果考慮發電機定子繞組單相接地故障電流允許限制，發電機接地電流允許值為4A。當單套電動機-發電機組運行時，發電機流過接地電流為5.67A＞4A，發電機應該裝設接地保護裝置；當兩套電動機-發電機組運行時，假設2套平均分配，單臺發電機流過電流為2.84A＜4A，發電機無需裝設接地保護裝置。

為提高棒控電源的可靠性，發電機宜采用不接地方式，不裝置接地保護裝置。所以最好改進措施是降低接地電容電流，降至4A，則電源插件直流側允許最大接地電容C0D=0.663μF。

3.2 系統ABC相任一相發生單相接地短路

ABC三相任意一相發生單相接地短路時，單套或者兩套電動機-發電機組運行工況下，故障點電容電流兩者的差別在于IGC，ILC（1.36A）和IDC（15.01A）是相同的。又因為IGC很小，故障點電容電流值是相同的，都為16.30A。

故障點接地電容電流大于10A，接地電弧不能自動消除，將產生較高的電弧接地過電壓，易發展為多相接地，系統接地保護應動作跳閘。系統宜采用低電阻接地方式。另外此接地電容電流已超過了發電機定子繞組單相接地故障電流允許限制值，發電機中性點需專設接地裝置。

但是為提高棒控電源的可靠性，發電機宜采用不接地方式，不裝置接地保護裝置。最好改進措施是降低接地電容電流。

故障點接地電容電流IC、通過電源插件接地電容電流IDC與電源插件接地電容C0D之間的關系如圖4所示。由圖可以看出IC、IDC與C0D近似線性正相關。系統故障點電容電流IC=10A對應的C0D=0.5452μF；若需滿足發電機定子繞組單相接地故障電流允許值4A，對應的C0D=0.1684μF。

圖4 IC、IDC與C0D的關系

棒控電源系統為控制棒線圈提供電源，系統要求具有高的可靠性，發電機宜采用不接地方式，系統發生單相接地故障時保持運行，為排除故障提高時間。本文分析N相、ABC三相任意一相發生接地短路故障的電容電流分布情況，推導其故障電容電流計算公式，結果表明故障點電容電流主要由通過電源插件直流側接地電容電流提供，N相接地短路時，故障點電容電流與電源插件直流側接地電容成正比；ABC三相任意一相發生接地短路時，故障點電容電流與電源插件直流側接地電容近似成線性正相關。為保證棒控電源系統運行可靠性宜采用不接地系統方式，電源插件直流側接地電容應小于0.1684μF。