核電廠應急柴油發電機過頻保護設計改進分析

吳陽

福建福清核電有限公司 福建福清 350318

1 概述

應急柴油發電機（簡稱EDG）是核電站在失去正常電源和輔助電源的情況下，能夠自動快速啟動，在應急模式下對應急中壓廠用母線的安全設備進行供電，以保證反應堆的安全停堆和一回路壓力邊界完整的核級設備，其系統結構框架圖如下圖1所示。

圖1 柴油發電機系統結構示意Fig.1Schematic diagram of diesel generator system structure

圖1中紅色標注路徑為EDG電氣保護的回路結構聯系。發電機電氣保護柜配置差動、過負荷、低勵磁、逆功率、過流、頻率、過電壓等保護功能，這些保護在試驗模式下動作于跳閘，在應急模式下自動被閉鎖。此外，裝置還具有定子接地保護，該保護只用于報警。

某核電廠應急柴油發電機保護配置西門子7UM621保護裝置，出現過頻保護在柴油機啟機時動作但未出口跳閘的問題，對該問題進行根本原因分析，并探討合理可行的設計優化改進[1]。

2 問題描述

某核電廠1號機組A列應急柴油發電機（簡稱：1LHP）空載啟動時，出現過頻II段保護動作，就地電氣保護柜上跳閘指示紅燈H12點亮，就地PLC顯示屏顯示“LHA001JA Trip Order（簡稱：LHP004SY）”信號觸發，但保護動作后并未引起應急中壓廠用母線正常電源進線開關（簡稱：LHA001JA或CCB）開關跳閘，現場LHA001JA仍處于閉合狀態，柴油機備用進線開關（簡稱LHA002JA或GCB）也仍處于斷開狀態。事件發生后，檢查就地保護裝置顯示頻率保護動作LED燈點亮，裝置顯示柴油機頻率穩定在51.94HZ左右，同時檢查轉速在1558轉/分，由于柴油機空載轉速高于額定轉速屬正常狀態，且轉速未到超速保護定值。因此現場判斷柴油機運行正常，按下就地電氣保護柜保護復歸按鈕S11后，跳閘指示紅燈熄滅，1LHP 004SY信號復歸。

3 原因分析

3.1 功能原理分析

頻率保護用于檢測柴油發電機并網運行中出現的頻率非正常偏高和偏低的異常工況，如果柴油發電機的頻率處于允許的頻率范圍之外，那么就會將柴油發電機從電網中解列開來。柴油發電機定期試驗時需要進行并網以驗證柴油機的帶負荷能力，當電網出現有功功率需求增加，或者發電機的頻率或者速度控制系統非正確動作時，系統的頻率就會下降，導致低頻保護動作解列電網；而當有大型負載從系統中甩開，或者頻率控制系統非正確動作，那么系統的頻率就會上升，導致過頻保護動作解列電網[2]。

3.2 定值整定分析

過頻保護設置過頻I段報警，過頻II段跳閘保護，保護在應急模式下被閉鎖，在監測發電機機端電壓低于80V時也會閉鎖。

LHP過頻II段動作后，查看儀控柜PLC屏顯示頻率波形，如圖2所示，可以發現啟機過程中頻率最高值略大于過頻II段整定值52HZ，持續時間達到1s延時定值，因此觸發了保護動作。由于柴油機空載時不帶負荷，轉速高于正常轉速，因此頻率會大于額定頻率，實際空載頻率為52HZ左右。同時，由于柴油機啟機前工況的不同，啟動過程中頻率上升的最大值有所差別，但頻率一旦高于52HZ且持續1s就會觸發過頻II段動作。

圖2 過頻II段動作頻率波形

過頻II段動作是因柴油機空載啟動的固有頻率高于頻率保護的整定值導致，但過頻保護動作后未引起開關跳閘的問題原因仍未明確，需進一步分析。

3.3 頻率保護回路分析

（1）電氣保護柜二次接線回路。如圖3所示，LHA母線正常電源進線開關CCB保護動作出口接線圖中，K40繼電器輔助接點在應急模式下為斷開，在試驗模式下閉合，即柴油機在試驗模式下CCB保護出口回路有效。BO9為7UM621裝置的過頻/低頻、過負荷保護動作出口控制字接點，即當柴油機正常運行，7UM621裝置采集對電壓頻率進線監測，在判定頻率異常后通過裝置BO9出口，觸發信號401SY8，該信號送入非核級控制柜，參與PLC邏輯組態。

圖3 CCB保護動作出口接線圖

通過圖3CCB保護動作出口接線圖，還可以識別出柴油機在過負荷保護動作時，也會觸發CCB的跳閘信號，其動作回路一致，但由于柴油機空載時不帶任何負荷，也就不會帶來過負荷問題。

（2）非核級控制柜PLC邏輯組態回路。如圖4PLC邏輯組態回路，401SY8觸發后被送至非核級控制柜，在沒有保護閉鎖信號（Operatinal protection SUPPESSION）下，觸發 LHA001JA 跳閘指令004SY，該信號被送至主控MCR，并去參與LHA系統的DCS邏輯組態。從圖4中還可以看出，當401SY8信號觸發后，將會在PLC觸摸屏上產生報警信號。

圖4 PLC邏輯回路示意圖

（2）DCS中LHA001JA跳閘邏輯回路。如圖5LHA001JA跳閘邏輯，LHP004SY信號被送至DCS系統，參與LHA系統的邏輯組態。在沒有001JA手動合閘指令，并且001JA，002JA處于合閘位置時，LHP004SY信號將去觸發001JA自動跳閘指令。也就是說當001JA，002JA任意一個處于斷開位置時，盡管柴油發電機綜合保護裝置已經觸發004SY跳閘信號，此時也不會真正去觸發001JA自動跳閘，該保護將在LHA系統邏輯中被閉鎖掉。只有當柴油機組處于并網模式下，001JA和002JA均合閘，頻率保護動作出口權限才會開通[3]。

圖5 LHA001JA跳閘邏輯示意圖

通過頻率保護回路分析，可知保護動作后未出口跳閘的原因是柴油機空載啟動時GCB處于斷開狀態，不滿足圖5GCB和CCB同時合閘的要求，保護出口被閉鎖。

4 設計改進分析

通過原因分析，可知EDG空載啟動過頻II段動作是因為EDG空載固有頻率超過了整定值，觸發了7UM621裝置LHP401SY8跳閘信號，該信號在非核級控制柜PLC邏輯組態后，觸發主控LHA001JA跳閘指令LHP004SY，而LHP004SY在DCS邏輯組態時，需要滿足001JA和002JA均合閘并網的前提下，才會出口001JA自動跳閘。因此，柴油機在空載狀態下觸發了頻率跳閘保護動作不合理，需要采取改進措施。

4.1 改進方案1

通過調整過頻設定值，實現過頻II段可以躲過柴油機空載頻率。同時，考慮柴油機甩負荷時會引起頻率上升的問題，如圖6所示，為現場錄取的柴油機100%甩負荷試驗頻率波形，其最高頻率達到52.4HZ，需考慮過頻II段躲過該頻率。

圖6 柴油機100%甩負荷試驗頻率波形

結合實際，對過頻保護II段定值進行調整，調整后的定值具體如下表2所示。定值調整后經過后續各機組多次柴油機空載以及甩負荷試驗驗證，其過頻保護不再觸發II段跳閘信號，該定值調整也得到設備制造商的認可。

4.2 改進方案2

柴油機空載或者甩負荷時頻率都會高于額定頻率，這是柴油機正常運行的固有特性，同時，柴油機在空載時本身不帶負荷，因此可以通過改造，設計在柴油機GCB開關合閘情況下投入頻率保護和過負荷保護。

根據7UM621裝置說明書，頻率保護的跳閘邏輯框圖如圖7所示，其中描述頻率保護可以通過開關量輸入信號來予以閉鎖，見圖7左下角＞BLOCK Freq.，該信號軟件地址為5203。同時，查閱過負荷保護的跳閘邏輯圖，也可以通過開關量輸入信號來予以閉鎖，其閉鎖信號為＞BLK ThOverload，對應軟件地址為1503。

圖7 頻率保護的跳閘邏輯框圖

通過引用LHA電氣二次接線圖GCB備用斷路器分閘位置狀態接點，以及柴油機電氣保護柜二次接線圖備用閉鎖控制字輸入接點，因此設計將GCB的分閘位置接點進行串聯后接入7UM621閉鎖控制字電氣二次回路，如圖8所示。按此修改后，只有當GCB處于合閘狀態時，才會觸發BI3控制字為高電平，通過DIGSI軟件在配置矩陣Masking I/O中將BI3控制字與地址5203和1503關聯，使其釋放＞BLOCK Freq.和＞BLK ThOverload信號，反之則閉鎖信號。

圖8 保護裝置閉鎖控制字接入回路修改

此外，需要將圖5中的GCB分閘位置閉鎖條件解除，修改后的邏輯圖見圖9。

圖9 LHA邏輯圖修改

按此方案修改，只在GCB合閘情況下柴油機才會投入頻率和過負荷保護，此時如果CCB在分閘狀態，則保護只起報警作用，只有當CCB合閘狀態時，保護動作才會觸發CCB跳閘。

4.3 方案比較

方案1是通過調整定值以躲過柴油機空載或甩負荷工況下頻率所能達到的最高值，定值修改較為簡單，但一定程度降低了定值的靈敏度；方案2對頻率和過負荷保護的功能進行了閉鎖設置，即只在柴油機GCB合閘時投用頻率和過負荷保護功能，該模式下柴油機頻率保護不再受空載啟動頻率及甩負荷時頻率的影響，因此無需再調整定值，可保持原定值的靈敏度，但改造引入了國外進口裝置內置軟件程序修改，DCS軟件程序修改，以及二次回路硬接線修改，涉及接口范圍復雜，相應敷設電纜等工程量較大，具有一定局限性。

5 結語

某核電廠EDG過頻保護動作原因為柴油機空載啟動的固有頻率高于頻率保護的整定值，而保護動作后未出口跳閘原因是柴油機空載時GCB處于斷開位置，致使保護動作信號被閉鎖。該問題反應出EDG系統回路設計與廠家內部回路設計接口上存在的偏失，即在設計回路上未能將電氣保護閉鎖條件置于保護裝置出口的前端，導致保護動作后未能真正出口跳閘，影響核電廠運行人員對柴油機運行狀態的判斷。

針對該問題，本文通過設計改進分析，提供了2套可行的解決方案。其中，鑒于方案2的局限性，建議在建核電廠在應急柴油發電機設計階段對頻率和過負荷保護閉鎖設置進行改進，實現只在并網工況條件下投入相應保護。