核電廠低壓配電系統剩余電流保護繼電器誤動原因分析及處理

遼寧紅沿河核電有限公司 紀雄飛

GB/T 6829-2017定義剩余電流為流過剩余電流保護電器主回路電流瞬時值的矢量和（用有效值表示）。剩余電流動作保護器在低壓供電系統中，對人身觸電傷亡和電氣火災等事故起到了有效防護作用，在低壓電網中得到廣泛應用[1-2]。

近年來，隨著我國核電安全有序快速發展，具有靈敏度高、整定誤差小等優點的電子式剩余電流保護繼電器廣泛應用于核電廠380V 低壓配電系統。然而由于其抗干擾能力較差[3]，設備運行過程中發生多起剩余電流保護繼電器誤動作引起跳閘的異常事件，嚴重影響了設備供電的可靠性，因此有必要對其誤動的原因進行分析并制定有效措施。對于推動低壓成套開關設備在核電廠安全穩定運行具有重要的意義。

1 設備簡介及剩余電流保護的基本工作原理

某核電廠380V 低壓配電系統由6.6kV/0.4kV干式變壓器（接線組別Dyn11）、380V 抽屜式配電盤以及相應的二次設備構成，變壓器中性點直接接地。抽屜式配電盤采用的是由鍍鋅鋼板制成的封閉外殼，進出線回路的電器元件均安裝在可抽出的抽屜中，構成能完成某一類供電任務的功能單元，其中抽屜配置了電子式剩余電流保護繼電器用于接地保護。

剩余電流保護基本原理為，通過穿入主回路的零序電流互感器監測是否存在接地電流，正常工作時，線路中剩余電流為零，當主回路存在絕緣下降或接地故障時，零序互感器就感應到一個不平衡電流，當漏電流超過設定值時，繼電器動作，發送信號到開關跳閘回路，自動切斷電源，從而起到接地保護的作用[4]，接線簡圖如圖1所示。

圖1 剩余電流保護接線圖

2 常規島及外圍生產廠房低壓配電系統剩余電流繼電器誤動原因分析及處理

2.1 故障現象

常規島及外圍生產廠房低壓配電系統使用鎮江穆勒MODAN6000抽屜式配電盤，剩余電流保護繼電器使用的是朔高美生產的P40，自2010年投運以來，不同功能位置的抽屜發生多起因剩余電流保護繼電器誤動作，引起下游負荷跳閘失電的異常事件。跳閘后，檢修人員使用兆歐表檢查下游負荷絕緣正常，重新送電后設備可正常運行，因此判斷剩余電流保護繼電器誤動。

2.2 原因分析

現場檢查抽屜小室與電纜小室之間動力負荷電纜與無屏蔽的控制單芯電纜平行布置，動力電纜對控制電纜可能存在干擾。剩余電流保護繼電器P40安裝在電纜小室，而與其配套的零序電流互感器（額定一次電流10A，變比600/1）安裝在抽屜內，兩者之間使用2根2.5mm2單芯無屏蔽的控制電纜連接，電纜經過試驗插頭、抽屜二次插件及端子排平行布置，總長3.5m，接線如圖2所示。

圖2 剩余電流保護現場接線圖

對比核島380V 低壓配電系統，剩余電流保護繼電器與零序電流互感器之間通過屏蔽雙絞電纜連接，且控制電纜距離動力電纜較遠，未發生干擾造成繼電器誤動的情況，因此分析常規島及外圍生產廠房低壓配電柜剩余電流保護繼電器誤動的直接原因為，零序電流互感器與剩余電流保護繼電器之間未使用屏蔽雙絞電纜，且控制電纜與動力電纜平行布置，距離較近，線纜之間的電磁干擾造成剩余電流保護誤動作。

2.3 雙絞線抗干擾機理

抽屜內部、抽屜二次插件與盤柜端子排之間大量控制電纜均為無屏蔽單芯電纜，捆扎成線束，與動力電纜平行布置，線間距離很近，使得線纜間的干擾成為正常工作時重要干擾源。由電磁感應概念可知，縮小電磁感應回路面積是一種有效的抗干擾方法。如果將兩根線絞合在一起，如圖3（b）所示，與圖3（a）相比其感應回路面積較小，更重要的是在理想狀況下，源電路產生的磁通量，在每個環中感應的電磁場相互抵消，從而有效地降低了外界電磁場的干擾[5]。

圖3 對比分析圖

雙絞線對干擾的抑制能力與干擾源頻率、線絞距及終端電阻等因素有關，表1列出雙絞線絞距對抑制干擾的影響。由表1數據可知，現場剩余電流繼電器與零序電流互感器之間使用平行布置的2.5mm2單芯電纜對干擾抑制能力為雙絞線（絞距2.5cm）的0.7%，抗干擾性能不足。

表1 雙絞線絞距對抑制干擾的影響

2.4 故障處理

為了減少動力負荷電纜對控制單芯電纜的電磁干擾造成剩余電流保護繼電器誤動的異常事件，檢修人員應將常規島以及外圍生產廠房的380V 低壓配電系統抽屜內的零序電流互感器移位至電纜小室，并同時將剩余電流保護繼電器與零序電流互感器之間的電纜更換為屏蔽雙絞電纜，改造后的接線如圖4所示。

圖4 剩余電流保護改造后接線圖

改造完成后，運行效果良好，未再發生剩余電流保護誤動的異常事件。二期新建工程低壓配電盤在制造階段，廠家已按照要求在剩余電流保護繼電器，與零序電流互感器之間使用屏蔽雙絞電纜，2021年投入運行以來，未發生剩余電流保護繼電器受干擾誤動的異常事件。

3 核島低壓配電系統剩余電流繼電器誤動原因分析及處理

3.1 故障現象

核島低壓380V 配電盤使用的是ABB 生產的MNS3.0低壓開關柜，剩余電流保護繼電器使用的是施耐德生產的RH99M。現場檢查發現剩余電流保護繼電器RH99M 安裝在抽屜內，而與其配套的零序電流互感器（額定一次電流10A，變比600/1）安裝在電纜小室，兩者之間通過屏蔽雙絞電纜連接，與常規島及外圍生產廠房低壓配電盤布置不同。

隨著運行年限的增加，不同功能位置的抽屜發生多起剩余電流保護繼電器報警跳閘的異常事件，主要包含以下兩種情況：一是下游負荷絕緣真實故障，剩余電流保護正確動作出口跳閘；二是抽屜斷路器及接觸器未合閘，下游負荷處于熱備用停運狀態，剩余電流保護誤動作。

3.2 原因分析

核島低壓配電盤部分抽屜剩余電流保護動作時，下游負荷處于熱備用停運狀態，因此排除下游負荷真實絕緣低的情況，確認剩余電流保護繼電器誤動。RH99M 剩余電流保護繼電器具有檢測零序電流互感器開路的功能，離線試驗驗證發現當RH99M 剩余電流保護繼電器，與零序電流互感器之間連接回路阻值超過120Ω 時，剩余電流保護繼電器會報警、出口跳閘。

現場檢查發現RH99M 剩余電流保護繼電器，與零序電流互感器之間回路共包含四個連接點，即零序電流互感器端子1-2、試驗插頭1-2、抽屜二次插及端子排19-20、剩余電流保護繼電器端子T1-T2，接線圖如圖5所示。

圖5 核島剩余電流保護現場接線圖

其中，零序電流互感器端子1-2、試驗插頭1-2、剩余電流保護繼電器端子T1-T2連接方式為螺絲緊固，端子松動引起接觸不良的可能性較低；而抽屜二次插及端子排19-20連接方式為插接式，抽屜在試驗位和工作位置時二次插及端子排連通，抽屜在隔離位置時二次插及端子排斷開，隨著運行年限的增加及抽屜多次操作以及盤柜的振動，二次插及端子排存在接觸不良的故障模式。

現場對抽屜二次插以及端子排進行解體檢查，確認剩余電流保護誤動的原因為抽屜二次插以及端子排長期運行，多次操作，造成二次插件接觸面磨損、氧化、壓緊力下降，接觸電阻變大，進而引起了RH99M 剩余電流保護繼電器與零序電流互感器回路阻值超過120Ω，引起剩余電流保護繼電器誤動跳閘。

3.3 故障處理

為了減少由于抽屜二次插及端子排接觸電阻增大引起剩余電流保護繼電器誤動的異常事件，檢修人員制定了定期更換抽屜二次插及端子排的檢修策略，全部更換完成后，運行效果良好，未再發生剩余電流保護繼電器誤動的情況。

4 結論

低壓成套開關設備的設計、生產、檢修等技術水平，對開關設備的正常功能和可靠性有較大的影響。本文闡述和分析了核電廠常規島及外圍生產廠房、核島低壓配電系統剩余電流繼電器誤動的根本原因及處理措施，為提高核電廠低壓成套開關設備運行的可靠性，避免類似問題在后續核電項目發生，提出以下優化措施。

一是剩余電流保護繼電器與其配套使用的零序電流互感器之間應當使用屏蔽雙絞電纜連接，并且二次控制電纜應當盡量遠離一次動力回路，這樣可以有效減少線纜間的干擾造成剩余電流保護誤動作。二是剩余電流保護繼電器與其配套使用的零序電流互感器，應共同布置在抽屜小室或者電纜小室，兩者之間通過電纜直接連接，盡量減少連接點，避免抽屜二次插以及端子排接觸不良引起剩余電流保護誤動作。