核電廠輔助變壓器進線回路斷相監測方案研究

魏　巍，陳海龍

核電廠輔助變壓器進線回路斷相監測方案研究

魏巍1，陳海龍2

（1. 華龍國際核電技術有限公司，北京 100037；2. 許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

輔助變壓器回路的斷相故障監測是核電廠中最為關心的問題之一。斷相故障可能會引起核電廠廠用電系統出現異常工況，例如母線電壓不平衡、運行的設備跳閘、備用設備無法啟動等。若核電廠在正常運行方式下，輔助變壓器回路高壓側未能及時檢測到斷相故障，一旦發電機母線失去電壓需切換至廠外輔助電源供電，可能會導致關鍵的電動機跳閘，甚至是系統安全功能喪失，以致核電廠不能安全停堆。本文針對國內常用的輔助變壓器方案提出了兩種監測斷相故障的方案，通過對斷相監測方案的分析，并運用PSCAD/EMTDC軟件建模仿真，分析出兩種方案的特點，得出在針對核電廠不同的輔助變壓器方案時，如何選擇斷相監測方案才能更準確、更有效的識別出斷相故障。

核電廠；輔助變壓器；斷相故障；監測方法

國外核電廠發生過多起核電斷相故障，國際原子能機構（IAEA）和美國核管會（NRC）對核電廠的斷相故障極為重視，要求各國主要核安全監管局對核電廠的斷相故障開展研究，并給出核電廠應對斷相故障的措施。斷相發生的位置和原因有很多，天氣變化、外力機械損傷、設備老化、電蝕等多種原因都會導致架空輸電線路、隔離開關、斷路器、電纜、變壓器等電氣設備發生斷相。

輔助變壓器長期處于熱備用狀態，變壓器高壓側為空載電流，常規的電流互感器無法檢測到高壓側的空載小電流，現有的監測方案無法實現斷相監測[1]。本文重點研究輔助變壓器高壓側空載電流的監測方案。

經過調研，國內有兩種能夠檢測這種小電流的監測方法，注入式變壓器線路斷相監測系統和光學電流互感器斷相監測系統。我國核電廠常用的輔助變壓器方案為2臺雙卷變和1臺三卷變。本文基于這兩種設備提出了能夠解決輔助變壓器回路斷相故障的監測方案，通過仿真建模，分析了不同監測方案的特點，對于不同接線的核電廠如何選擇輔助變壓器進線回路斷相監測方案具有指導意義。

1　注入式變壓器線路斷相監測方案

注入式變壓器線路斷相監測系統能夠在輔助變壓器高壓側發生斷相故障時進行監測和保護，通過輔助變壓器接地中性點向系統注入非工頻電流信號，來構成獨立的零序回路，通過測量該零序回路電流的大小，來判別斷相故障的發生。

1.1　2臺雙卷變配置1套斷相監測裝置的斷相監測方案

當輔助變壓器方案為2臺雙卷變時，在#1變壓器上配置1套斷相監測裝置進行研究，配置方案如圖1所示。

圖1　2臺雙卷變配置1套斷相監測裝置的斷相監測方案

依據上述斷相監測方案，分析非工頻注入電流的流向：注入電流由1#變壓器中性點向系統流入，經由1#變壓器區域流向220 kV母線，在220 kV母線處進行分流，一回經由2#變壓器區域通過2#變壓器中性點返回到1#變壓器中性點形成環路，另外一回經由線路和外部區域通過電網等效系統的中性點返回到1#變壓器中性點形成環路。由此分析可得注入電流信號的零序等效電路，如圖2所示。

圖2　2臺雙卷變配置1套斷相監測裝置的零序等效電路

圖2中：t1為1#變區域的阻抗，即1#變壓器阻抗；t2為2#變區域的阻抗，即2#變壓器阻抗；s為線路和外部區域的阻抗，即架空線路阻抗和電網等效阻抗之和；CT01測量的零序電流為n1；CT02測量的零序電流為n2。

對圖2的零序等值電路圖分析可知，s與t2是并聯關系。當系統正常運行時，由注入電源n通過#1變壓器中性點向系統注入非工頻零序電流n1，經過t1后分流成零序電流n2和ns。因此，該零序等效電路的零序電流關系為n1=n2+ns。當1#變區域發生斷相故障時，t1回路由于斷相無法構成通路，因此零序電流也無法流向t2和s回路。此時，整個零序電路都沒有零序電流。當2#變區域發生斷相故障時，t2回路由于斷相無法構成通路，此時t1和s是串聯關系，零序電流關系為n1=ns。當線路和外部區域發生斷相故障時，s回路由于斷相無法構成通路，此時t1和t2是串聯關系，零序電流關系為n1=n2。

在上述分析中，s回路的零序電流ns只作為理論分析用，在實際保護方案配置時并不測量，該保護方案是利用電流互感器CT01和CT02測量廠區內部1#變壓器和2#變壓器區域的零序電流n1和n2作為判斷是否發生斷相的依據。

經過上述分析，可得出以下結論：

（1）當系統正常運行時，n1＞n2≠0；

（2）當1#變區域發生斷相故障時，n1=n2=0；

（3）當2#變區域發生斷相故障時，n2=0，n1≠0；

（4）當線路和外部區域發生斷相故障時，n1=n2≠0。

由以上分析可知，在不同區域發生斷相故障時，n1、n2電流特征有明顯差別，這樣就可由不同的電流特征判斷出斷相故障所發生的故障區域，在故障區域內排查斷相故障發生的原因，從而縮短故障排查時間。

1.2　2臺雙卷變配置2套斷相監測裝置的斷相監測方案

當輔助變壓器為2臺雙卷變時，在#1變壓器和#2變壓器上各配置1套斷相監測裝置進行研究，配置方案如圖3所示。

依據上述斷相監測方案，分析非工頻注入電流的流向：配置在1#變壓器上的斷相監測裝置，其注入電流由1#變壓器中性點向系統流入，經由1#變壓器區域流向220 kV母線與線路和外部區域，通過電網等效系統的中性點返回到1#變壓器中性點形成環路。配置在2#變壓器上的斷相監測裝置，其注入電流由2#變壓器中性點向系統流入，經由2#變壓器區域流向220 kV母線與線路和外部區域，通過電網等效系統的中性點返回到2#變壓器中性點形成環路。由此分析可得注入電流信號的零序等效電路，如圖4所示。

圖4中：t1為1#變區域的阻抗，即1#變壓器阻抗；t2為2#變區域的阻抗，即2#變壓器阻抗；s為線路和外部區域的阻抗，即架空線路阻抗和電網等效阻抗之和；CT01測量的零序電流為n1；CT02測量的零序電流為n2。

圖3　2臺雙卷變配置2套斷相監測裝置的斷相監測方案

圖4　2臺雙卷變配置2套斷相監測裝置的零序等效電路

對圖4的零序等值電路圖（a）和（b）進行分析可知，s與t1是串聯關系，s與t2也是串聯關系。當系統正常運行時，由注入電源n1和n2分別通過#1變壓器中性點和#2變壓器中性點向系統注入非工頻零序電流n1和n2。兩臺輔助變壓器選型一致，220 V開關站至兩臺輔助變壓器的線路長度也基本相同，因此兩套保護裝置的選型也相同。由此可知，在系統正常運行時t1=t2，n1=n2。當1#變區域發生斷相時，t1回路由于斷相無法構成通路，因此1#斷相監測裝置的零序等值電路中沒有零序電流流過，此時2#斷相監測裝置不受影響，其零序等值電路是有零序電流n2流過的。當2#變區域發生斷相時，t2回路由于斷相無法構成通路，因此2#斷相監測裝置的零序等值電路中沒有零序電流流過，此時1#斷相監測裝置不受影響，其零序等值電路是有零序電流n1流過的。當線路和外部區域發生斷相故障時，s回路由于斷相均無法構成通路，此時1#、2#斷相監測裝置的零序等值電路中均沒有零序電流流過。

經過上述分析，可得出以下結論：

（1）當系統正常運行時，n1=n2≠0；

（2）當1#變區域發生斷相時，n1=0，n2≠0；

（3）當2#變區域發生斷相時，n2=0，n1≠0；

（4）當線路和外部區域發生斷相時，n1=n2=0。

由以上分析可知，在不同區域發生斷相故障時，n1、n2電流特征有明顯差別，同樣可由不同的電流特征判斷出斷相故障所發生的故障區域，在故障區域內排查斷相故障發生的原因，從而縮短故障排查時間。

通過上述對輔助變壓器為2臺雙卷變的方案配置1套和2套斷相監測裝置，可知兩種方案都可由不同的電流特征判斷出斷相故障所發生的故障區域，如表1所示。

表1　2臺雙卷變配置1套和2套斷相監測裝置可檢測故障區域的特征分析

1.3　1臺三卷變配置1套斷相監測裝置的斷相監測方案

當輔助變壓器為1臺三卷變時，在1#變壓器上配置1套斷相監測裝置進行研究，配置方案如圖5所示。

圖5　1臺三卷變配置1套斷相監測裝置的斷相監測方案

依據上述斷相監測方案，分析非工頻注入電流的流向：配置在1#變壓器上的斷相監測裝置，其注入電流由1#變壓器中性點向系統流入，經由1#變壓器區域流向220 kV母線與線路和外部區域，通過電網等效系統的中性點返回到1#變壓器中性點形成環路。由此分析可得注入電流信號的零序等效電路，如圖 6所示。

圖中：t1為1#變區域的阻抗，即1#變壓器阻抗；s為線路和外部區域的阻抗，即架空線路阻抗和電網等效阻抗之和；CT01的測量電流為n。

對圖6的零序等值電路圖進行分析可知，s與t1是串聯關系。當系統正常運行時，由注入電源n通過 1#變壓器中性點向系統注入非工頻零序電流n。當1#變區域發生斷相時，t1回路由于斷相無法構成通路，零序等效電路沒有電流流過。當線路和外部區域發生斷相故障時，s回路由于斷相無法構成通路，零序等效電路沒有電流流過。

圖6　1臺三卷變配置1套斷相監測裝置的零序等效電路

經過上述分析，可得出以下結論：

（1）當系統正常運行時，n≠0；

（2）當1#變區域發生斷相故障時，n=0；

（3）當線路和外部區域發生斷相故障時，n=0。

由以上分析可知，無論哪個區域發生斷相故障，系統的電流特征都是n=0。對于輔助變壓器方案為1臺三卷變時，配置注入式變壓器線路斷相監測裝置作為斷相監測方案，可以及時檢測出斷相故障，但無法判斷故障發生區域，即需要從1#變區域與線路和外部區域同時進行排查。

2　輔助變壓器回路斷相仿真建模與分析

運用PSCAD/EMTDC軟件對輔助變壓器為2臺雙卷變和1臺三卷變的廠用電系統方案配置注入式變壓器線路斷相監測方案，并進行仿真建模分析。

2.1　仿真建模

該斷相監測方案采用在輔助變壓器高壓側中性點外加注入電源的方式進行斷相檢測，注入電源及其配套設備的參數如表2所示。

表2　注入電源及其配套設備的參數

續表

注入電源及其配套設備參數 注入頻率75 Hz 注入電流互感器600/10 測量電流互感器2/1 輔變高壓側電流互感器300/1

2.1.12臺雙卷變配置1套斷相監測裝置的斷相監測方案

針對輔助變壓器為2臺雙卷變的方案，在1#變壓器上配置1套注入式變壓器線路斷相監測裝置，建立了某核電廠廠用電系統仿真模型，仿真模型的參數如表3～表5所示。

表3　2臺雙卷變仿真模型參數

表4　線路仿真模型參數

表5　220 kV電網系統仿真模型參數

建立的仿真模型如圖7所示。

2.1.22臺雙卷變配置2套斷相監測裝置的斷相監測方案

針對輔助變壓器為2臺雙卷變的方案，在1#變壓器和2#變壓器上分別配置1套注入式變壓器線路斷相監測裝置，建立了輔助變壓器方案為2臺雙卷變的某核電廠廠用電系統仿真模型，仿真模型的參數同表3～表5，建立的仿真模型如圖8所示。

圖7　2臺雙卷變配置1套斷相監測裝置的仿真模型

2.1.31臺三卷變配置1套斷相監測裝置的斷相監測方案

針對輔助變壓器為1臺三卷變的方案，在1#變壓器上配置1套注入式變壓器線路斷相監測裝置，建立了輔助變壓器方案為1臺三卷變的某核電廠廠用電系統仿真模型，仿真模型的參數如表6～表8所示。

表6　1臺三卷變仿真模型參數

續表

名稱參數 接線形式YN，d11-d11 中性點接線方式高壓側中性點直接接地

表7　線路仿真模型參數

表8　220 kV電網系統仿真模型參數

建立的仿真模型見圖9所示：

圖9　1臺三卷變配置1套斷相監測裝置的仿真模型

2.2　仿真分析

2.2.12臺雙卷變配置1套斷相監測裝置的斷相監測方案

在輔助變壓器高壓側的不同位置發生斷相故障時進行仿真，運行參數如表9所示。

表9　2臺雙卷變配置1套斷相監測裝置的斷相運行參數

2.2.22臺雙卷變配置2套斷相監測裝置的斷相監測方案

在輔助變壓器高壓側的不同位置發生斷相故障時進行仿真，運行參數如表10所示。

表10　2臺雙卷變配置2套斷相監測裝置的斷相運行參數

2.2.31臺三卷變配置1套斷相監測裝置的斷相監測方案

在輔助變壓器高壓側的不同位置發生斷相故障時進行仿真，運行參數如表11所示。

表11　1臺三卷變配置1套斷相監測裝置的斷相運行參數

從以上仿真結果來看，與上述理論分析結果一致。由此可以進一步說明，當輔助變壓器方案為2臺雙卷變時配置1套和2套注入式變壓器線路斷相監測裝置，在發生斷相故障時，都可以縮小故障排查范圍；當輔助變壓器方案為1臺三卷變時，只能及時檢測出斷相故障的發生。

3　光學電流互感器斷相監測方案

光學電流互感器是基于法拉第（Faraday）磁光效應原理進行電流采集的互感器，具有絕緣結構簡單、無二次開路危險、無爆炸、暫態性能好、無磁飽和、抗干擾能力強等優點[2,3]。輔助變壓器由于平時處于空載狀態，高壓側的空載電流極小，一般為毫安級，普通的電流互感器無法檢測到，而光學電流互感器具有測量范圍廣、精度高等優點，因此本文采用光學電流互感器監測方法作為輔助變壓器進線回路斷相的監測方案。光學電流互感器將一次傳感部分使用光纜制作成光纖傳感環，直接纏繞在輔助變壓器的高壓套管上[4]，用于測量輔助變壓器空載時的電流，進而實現輔助變壓器空載狀態下的斷相監測。

圖10為輔助變壓器方案為2臺雙卷變的光學電流互感器斷相監測配置方案，該方案在輔助變壓器的進線線路A、B、C三相上分別配置一臺光學電流互感器，共需6臺光學電流互感器。每臺輔助變壓器配置的3臺光學電流互感器檢測到的參數傳輸到1套繼電保護裝置進行處理與邏輯判斷，2臺輔助變壓器共需2套繼電保護裝置。現對該斷相監測方案進行分析：

圖10　2臺雙卷變配置光學電流互感器斷相監測方案

（1）當系統正常運行時，通過光學電流互感器CT1、CT2、CT3、CT4、CT5、CT6測量2臺輔助變壓器A、B、C三相的空載電流，分別傳輸到2套繼電保護裝置中顯示。

（2）若繼電保護裝置1中顯示有一相或兩相電流為0，其余相仍為空載電流，而繼電保護裝置2中三相均為空載電流，由此可以分析出斷相發生區域為1#變區域，而且可以識別出電流為0的相為故障相，只需從1#變區域排查斷相發生的具體位置即可。

（3）若繼電保護裝置2中顯示有一相或兩相電流為0，其余相仍為空載電流，而繼電保護裝置1中三相均為空載電流，由此可以分析出斷相發生區域為2#變區域，而且可以識別出電流為0的相為故障相，只需從2#變區域排查斷相發生的具體位置即可。

（4）若2套繼電保護裝置中，不同相的電流為0，其余相仍為空載電流，由此可以分析出1#變區域和2#變區域都發生了斷相，而且可以識別出電流為0的相為故障相，需從這兩個區域分別排查斷相發生的具體位置。

（5）若2套繼電保護裝置中，相同相的電流為0，其余相仍為空載電流，可以識別出電流為0的相為故障相，由此可以分析出斷相發生的區域可能在線路和外部區域，也可能是1#變區域和2#變區域都發生了斷相，需要從線路和外部區域、1#變區域和2#變區域同時排查。

圖11為輔助變壓器方案為1臺三卷變的光學電流互感器斷相監測配置方案，該方案在輔助變壓器的進線線路A、B、C三相上分別配置一臺光學電流互感器，共需3臺光學電流互感器。3臺光學電流互感器檢測到的參數傳輸到1個繼電保護裝置進行處理與邏輯判斷。現對該保護配置方案進行分析：

圖11　1臺三卷變配置光學電流互感器斷相監測方案

（1）當系統正常運行時，通過光學電流互感器CT1、CT2、CT3測量輔助變壓器A、B、C三相的空載電流，傳輸到繼電保護裝置中顯示。

（2）當輔助變壓器回路中任意一相或兩相發生斷相時，發生斷相相的電流為0，其余非斷相相的電流仍為空載電流，由此可以判斷出系統有斷相發生，而且可以識別出故障相。但是，無法判斷出故障發生區域，需要從1#變區域與線路和外部區域同時進行排查。

4　輔助變壓器回路斷相監測方案分析

上文基于兩種斷相監測設備對國內常用輔助變壓器方案的斷相監測方案進行了配置研究，經過上述理論分析和仿真驗證，得出兩種斷相監測方案有以下特點：

由表12可以看出，注入式變壓器線路斷相監測方案在發生斷相故障時不能夠識別故障相，但當輔助變壓器方案為2臺雙卷變時可以縮小故障排查的范圍，從而縮短故障排查時間，保證輔助變壓器回路的可用性；光學電流互感器斷相監測方案對于任何輔助變壓器方案都可以識別故障相，但當輔助變壓器方案為2臺雙卷變時，對于部分斷相故障可以縮小故障排查的范圍，保證輔助變壓器的供電可靠性。

表12　不間斷相監測方案特點的對比分析

5　結論

本文針對我國核電廠常用的輔助變壓器方案（2臺雙卷變和1臺三卷變）進行了斷相監測方案的研究，通過對不同斷相監測方案進行理論分析，并運用PSCAD/EMTDC軟件仿真建模驗證，分析出不同斷相監測方案的特點，并得出以下結論：

（1）當輔助變壓器方案為2臺雙卷變時，選用1套或2套注入式變壓器線路斷相監測方案都能夠解決斷相問題，且都能縮小故障排查范圍，但相對于2套來說，選用1套注入式變壓器線路斷相監測方案經濟性更好。

選用6臺光學電流互感器斷相監測方案亦能夠解決斷相問題，與選用1套注入式變壓器線路斷相監測方案相比各有優缺點：從故障排查區域來看，1套注入式變壓器線路斷相監測方案能夠縮小故障排查范圍，6臺光學電流互感器斷相監測方案只有在部分斷相情況下能夠縮小故障排查范圍；從識別故障相來看，6套光學電流互感器斷相監測方案較為合適。這兩種斷相監測方案都可以縮短故障排查時間。在實際工程中選擇斷相監測方案時，可以基于以上技術方面的分析，再結合經濟性綜合考慮作出決策。

（2）當輔助變壓器方案為1臺三卷變時，優先選用光學電流互感器斷相監測方案，該方案可以識別出故障相，從而縮短故障排查時間。

（3）本文提出的2種斷相監測方案適用性較廣，無論是目前常用的輔變方案還是新的優化輔變方案都適用。由于安裝時無需拆卸原有一次連接，安裝維護簡便，對于新建核電廠適用，對于在運和在建的核電廠也都可以改造使用。

［1］ 李陽. 核電廠主輔變單相斷線故障處理預案探討［J］. 電工技術，2019（7）：80-81+85.

［2］ 時誼，陳海龍，丘慧龍，等. 核電站輔助變壓器缺相保護研究［J］. 電測與儀表，2018，55（11）：132-136.

［3］ 劉青，王增平，等. 光學電流互感器對繼電保護系統的影響研究［J］. 電網技術，2005，29（1）：11-14.

［4］ 滕林，劉萬順，李貴存. 光學電流傳感器及其在繼電保護中的應用［J］. 電網技術，2002，26（1）：31-34.

Study on the Open Phase Monitoring Scheme of the Incoming Circuit of the Auxiliary Transformer in Nuclear Power Plant

WEI Wei1，CHEN Hailong2

（1. Hualong Nuclear Power Technology Co.，Ltd. Beijing 100037，China；2. XJ Electric Co.，Ltd.，Xuchang of Henan Prov. 461000，China）

Open phase failure monitoring in auxiliary transformer circuits is one of the most concerned issues in nuclear power plant. Open phase failure may cause abnormal conditions of the power system in a nuclear power plant, such as unbalanced bus voltage, tripping of operating equipment, failure of standby equipment to start, etc. If the high-voltage side of the auxiliary transformer circuit fails to detect the open phase failure in time under the normal operation mode of the nuclear power plant, once the generator bus loses voltage, it is necessary to switch to the auxiliary power supply outside the plant, which may lead to the tripping of key motors and even the loss of system safety function, so that the nuclear power plant cannot be shut down safely. Aiming at the commonly used auxiliary transformer schemes in China, this paper puts forward two schemes of monitoring open phase failure. Through the analysis of the open phase monitoring scheme, and using PSCAD/EMTDC software modeling and simulation, this paper analyzes the characteristics of two schemes, and obtains how to select the open phase monitoring method for different auxiliary transformer schemes of nuclear power plant in order to identify the open phase failure more accurately and effectively.

Nuclear power plant; Auxiliary transformer; Open phase failure; Monitoring method

TL48

A

0258-0918（2023）03-0601-12

2022-03-21

魏 巍（1987—），女，吉林遼源人，高級工程師，碩士研究生，主要從事核電廠核島電氣設計相關研究