從一起案例淺談核電廠中壓電氣系統繼電保護配合

陳計超

三門核電有限公司 浙江臺州 317112

1 案例簡介

某日某核電機組處于85%電功率運行。約凌晨06點，主控室出現2環路熱段流量低報、ECS-EV-61-STRG1（VFD2B Control Status Feedback）、故 障 錄 波 器 啟 動、IDSB/D-DU/DT-1/2-TRBL、EDS2/4-DT/DT-1-TRBL等報警，IDS、EDS相關報警隨后復歸。2環路熱段流量降至91.889%（任一熱段流量4取2低于90%會觸發反應堆停堆），主泵2B轉速降至84.113%（4取2主泵轉速低于91%會觸發反應堆停堆），主泵2B電流從754A瞬降至0A后逐步回升，歷經21秒恢復至之前水平，主泵2B變頻器控制器由正常控制器A切換至冗余控制器B運行。主泵2B變頻器就地設備HMI畫面存在Alarm黃燈報警、Redun Loss紅燈報警、B1Bypassed。機組經歷瞬態后無人為干預，狀態穩定，維持85%電功率運行。

2 背景介紹

該核電機組為壓水堆類型，一回路反應堆冷卻劑配置4臺主泵，主泵額定輸入線電壓6.9kV，額定頻率60Hz，接入10kV，50Hz廠用電中壓母線[1]。由于兩者電壓和頻率不匹配，在主泵啟動、調速和全速連續運行時需要使用變頻器。

主泵變頻器為非核安全級設備，由變壓器柜、運行控制盤柜、功率單元模塊（IGBT）盤柜和冷卻系統等構成，變頻器控制器是控制柜的核心控制部分。主泵變頻器控制器冗余配置，每臺主泵變頻器有A、B兩套控制器，控制器A為主控制器，控制器B為備用控制器。三相每相各6個功率單元根據控制指令輸出電壓和頻率，驅動主泵電機。通過先進的“中性點漂逸技術”實現N-2冗余，即使兩個功率單元旁路，變頻器亦能維持正常輸出。

3 案例分析

事件直接原因是電廠配套設施10kV負荷開關因預維不當在分斷工作電流過程中滅弧裝置失效，發生三相弧光短路，引起上游10kV母線電壓降低，該10kV母線（ES-6段）所帶載主泵的變頻器輸入電壓短時超限，觸發主泵變頻器控制器切換和功率單元旁路，產生主泵運行瞬態。

負荷開關的三相弧光短路產生接地電流，ES-6段工作進線斷路器電流從約860A突變至約11000A，線電壓從10.3kV突變至約7.1kV（降至初始水平的69%，相電壓從5.9kV突變至4.1kV），持續時間278毫秒。ES-609間隔斷路器保護裝置記錄（如圖1所示）饋線電流，電流突變至10000A以上，可以判斷故障電流來自ES-609間隔下游。ES-H08間隔斷路器綜保裝置動作情況與之相符。

IDS/EDS報警原因是ES-6段母線電壓降低，由于ES-2段與ES-6段工作電源同時取自廠變B的X繞組，ES-2段母線電壓也連帶降低，引起IDS/EDS調壓變輸出電壓降低，逆變器檢測出調壓變輸出電壓降低的情形，逆變器主回路和旁路不同步，觸發報警。

變頻器輸入電壓下降至70%，變頻器能連續運行。本事件中主泵變頻器輸入電壓降低至66.3%額定電壓，導致輸出電流控制不穩定，輸出轉矩不能維持主泵轉速，變頻器進入失壓穿越模式，關斷有功輸出，輸入功率和輸出功率均緩慢下降，二者偏差呈增大趨勢，按照過損耗保護計算原理，觸發過損耗保護動作，從工作控制器切換至備用控制器。

功率單元B1旁路原因為直流母線過電壓“B1DC Bus Over Volt”，而導致直流母線過電壓有兩種可能。主泵變頻器輸入電壓降低至66.3%額定電壓，導致輸出電流控制不穩定，輸出轉矩不能維持主泵轉速，變頻器進入失壓穿越模式，為維持直流母線電壓保證電機磁通具備電壓恢復后重啟條件，自動調節增大直流母線電壓，此過程中可能導致功率單元直流母線過電壓。或者，變頻器停止輸出后，主泵電機反送有功功率至主泵變頻器功率單元，最大發送有功功率72.2kW，充電直流母線電容，可能導致直流母線過電壓。

4 繼電保護動作分析

該事件中，ES-H08間隔斷路器過流一段保護正確動作，但是保護延時定值為0.2秒，加上斷路器的固有分閘時間，使得故障在近280毫秒后切除，使ES-6段母線電壓從10.3kV最低降至約7.1kV，進而對主泵變頻器的運行產生影響。

ES-H08間隔下有多級負荷，為實現繼電保護選擇性，按照逐級配合原則整定，速斷定值整定為0.2秒。多級負荷的整定配合使得該故障情況下保護動作時間較長，導致機組廠用電母線電壓異常，超出主泵變頻器設計基準。

ES-609間隔斷路器速斷保護延時0.6秒；ES-H08間隔斷路器速斷保護延時0.2秒，ES-H段進線斷路器速斷保護延時0.5秒，而同類中壓饋線斷路器速斷保護延時典型為0.02秒或0.1秒[2]。以上保護配置情況可以保證下游故障保護動作的選擇性，但在保護配合的速動性方面存在不足。

假想ES-609間隔至電廠配套設施ES-H段工作進線間隔之間的電氣回路發生非接地短路，ES-609間隔斷路器約680毫秒后方切除故障，對主泵和機組的影響將更顯著。對于電廠配套設施非重要負荷，建議考慮適當犧牲選擇性，提高保護動作速度以便故障快速切除[3]。

5 結語

綜上所述，電廠配套設施接入生產電氣系統時，對繼電保護的配合有所考慮，但對電廠配套設施潛在故障情況引起廠用中壓母線電壓降低的分析存在不足。設計方出具的系統計算書分析了各種電氣故障，但后期沒有針對電廠配套設施接入廠用中壓母線，對計算書進行升版。設計、運行階段尤其需要關注潛在故障對關鍵敏感設備運行的影響，在繼電保護配置方面要有所側重，必要時適當地犧牲部分選擇性，來保障機組安全運行。