蔣曉鵬，石 巖，李 聰

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042）

核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)分析

蔣曉鵬，石 巖，李 聰

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042）

文章主要介紹了核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)功能與特點(diǎn)，在核事故情況下起到的重要性。詳細(xì)介紹了繼電保護(hù)的特點(diǎn)及保護(hù)配置，論述保護(hù)方案的合理性，能夠完全滿足應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)繼電保護(hù)裝置的原理、特性進(jìn)行詳細(xì)的論證分析，在應(yīng)急柴油機(jī)出現(xiàn)不正常運(yùn)行狀態(tài)和嚴(yán)重故障情況下的保護(hù)動(dòng)作，快速切除柴油機(jī)，防止柴油機(jī)的進(jìn)一步損害；分析了應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)在外部電源擾動(dòng)情況下，繼電保護(hù)裝置如何快速響應(yīng)，閉鎖保護(hù)動(dòng)作，避免應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)不必要的情況下切除，造成應(yīng)急電源失去，影響核電廠安全。同時(shí)，分析了繼電保護(hù)裝置保護(hù)定值的靈活應(yīng)用，滿足各種運(yùn)行狀況。闡述了核電廠由于其核安全的特殊性，導(dǎo)致繼電保護(hù)配置的特殊性，分析了此種保護(hù)在其他設(shè)備上應(yīng)用的可能性，并對(duì)設(shè)計(jì)提供的保護(hù)定值進(jìn)行分析，提出自己的觀點(diǎn)。

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)；保護(hù)配置；定值

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)是核電廠內(nèi)獨(dú)立的能夠自動(dòng)快速啟動(dòng)按程序帶載的應(yīng)急交流電源，田灣核電站一期工程每個(gè)機(jī)組配備4臺(tái)相互獨(dú)立的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)，使用的是德國(guó)MTU公司生產(chǎn)的MTU20V956TB33型柴油機(jī)與SIEMENS公司生產(chǎn)的1DK39414BE02Z發(fā)電機(jī)配成7 500 kVA機(jī)組。在廠內(nèi)外電源失效時(shí)，可自動(dòng)對(duì)相應(yīng)的6 kV專設(shè)安全設(shè)備供電，對(duì)由母線BEA、BEB、BEC、BED供電設(shè)備提供可靠的足夠電源，以確保反應(yīng)堆安全關(guān)閉，保證一回路壓力邊界的完整性，確保放射性物質(zhì)不向大氣泄漏。

1 應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)保護(hù)的特點(diǎn)

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)作為事故發(fā)電機(jī)，具有特殊的運(yùn)行方式，因此，發(fā)電機(jī)的繼電保護(hù)，應(yīng)與其運(yùn)行方式相適應(yīng)。應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)有兩種運(yùn)行方式：應(yīng)急方式和試驗(yàn)方式。

1.1 應(yīng)急方式

產(chǎn)生應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的應(yīng)急啟動(dòng)命令（Emergency SCTrt）有兩個(gè)始發(fā)信號(hào)：1）應(yīng)急6 kV母線（BEA、BEB、BEC、BED）電壓低于額定電壓的40%，即2.52 kV，時(shí)間超過(guò)2 s；2）應(yīng)急6 kV母線（BEA、BEB、BEC、BED）的頻率低于47.4 Hz，時(shí)間超過(guò)2 s。在這種情況下，保證反應(yīng)堆的冷卻最為重要，所以應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)的保護(hù)應(yīng)強(qiáng)調(diào)動(dòng)作的可靠性，防止保護(hù)誤動(dòng)，只有應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重故障無(wú)法提供應(yīng)急電源情況下，才能跳閘。采用兩套7UT512型微機(jī)差動(dòng)保護(hù)，作為發(fā)電機(jī)的主保護(hù)，只有在兩套差動(dòng)保護(hù)同時(shí)動(dòng)作的情況下，才出口跳閘，其余保護(hù)動(dòng)作只發(fā)信號(hào)，不出口跳閘。

1.2 試驗(yàn)方式

就地控制柜或主控制室啟動(dòng)，試驗(yàn)?zāi)康氖菫榱藱z驗(yàn)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)處于正常狀態(tài)，能在事故情況下啟動(dòng)，在試驗(yàn)情況下需要并網(wǎng)帶負(fù)荷，為了正確反映發(fā)電機(jī)的各種故障和不正常運(yùn)行狀態(tài)，保護(hù)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行，要強(qiáng)調(diào)發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作的靈敏性。在試驗(yàn)方式下，除了兩套7UT512型差動(dòng)保護(hù)并聯(lián)外，還設(shè)置了一套7UM511型微機(jī)綜合保護(hù)，該裝置包括兩段過(guò)流保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)、定子接地保護(hù)、逆功率保護(hù)，保護(hù)動(dòng)作跳閘，滅磁，停柴油機(jī)，另外還有低頻保護(hù)、過(guò)電壓、低電壓保護(hù)，保護(hù)動(dòng)作發(fā)信號(hào)。

所以針對(duì)發(fā)電機(jī)的兩種運(yùn)行方式，有不同的保護(hù)出口與其相對(duì)應(yīng)，應(yīng)急方式和試驗(yàn)方式保護(hù)的不同出口靠切換開關(guān)實(shí)現(xiàn)。

2 保護(hù)配置及定值分析

田灣核電站一期工程應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)裝置包括兩套7UT512型差動(dòng)保護(hù)和一套7UM511型綜合保護(hù)，保護(hù)裝置反應(yīng)比較靈敏，動(dòng)作可靠性高，保護(hù)功能比較完善，能夠滿足中、小型發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)的要求，現(xiàn)將保護(hù)的配置、功能和保護(hù)定值進(jìn)行分析，以便更好了解柴油發(fā)電機(jī)的繼電保護(hù)。

我國(guó)相關(guān)規(guī)程規(guī)定，發(fā)電機(jī)功率超過(guò)1 MW應(yīng)裝設(shè)差動(dòng)保護(hù)，作為發(fā)電機(jī)的主保護(hù)。7UT512型差動(dòng)保護(hù)能夠反映各種相間和接地故障，在發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障時(shí)保護(hù)可靠動(dòng)作，差動(dòng)特性包括兩段制動(dòng)曲線以適應(yīng)不同的運(yùn)行工況，動(dòng)作特性如圖1所示。

圖1 差動(dòng)保護(hù)特性曲線Fig.1 Characteristic curve of diff-protection

設(shè)計(jì)提供的差動(dòng)啟動(dòng)電流Id為0.15IN動(dòng)作時(shí)間0.1 s，啟動(dòng)電流相對(duì)較低，啟動(dòng)電流Id＞應(yīng)能躲過(guò)正常運(yùn)行的最大不平衡電流，其中包括CT比值誤差、外部短路暫態(tài)非周期分量對(duì)CT飽和的影響等。在額定負(fù)荷下，5P級(jí)電流互感器的比誤差為±1%，考慮可靠系數(shù)為2，Id≥2×2%＝4%，10P級(jí)電流互感器的比誤差為±3%，Id≥2×6%＝12%，所以選取Id≥（0.1～0.2）IN充分安全的。對(duì)于應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)，防止在應(yīng)急情況下保護(hù)不誤動(dòng)，另外差動(dòng)保護(hù)的CT取自不同的廠家，誤差相對(duì)較大，將啟動(dòng)電流適當(dāng)提高，改為0.2IN較合適。橫坐標(biāo)Irest應(yīng)小于或等于二次額定值1IN，所以拐點(diǎn)Irest取1IN。

曲線S1主要考慮由主CT及繼電器CT的變比誤差或由主變分接頭位置改變而產(chǎn)生的誤差，這種誤差在CT飽和前與電流基本成比例增加。曲線S2主要考慮在大電流范圍內(nèi)，由于CT飽和，測(cè)量電流誤差將會(huì)急劇增大，因此其斜率比S1更高。差動(dòng)保護(hù)的斜率S1、S2分別設(shè)為0.3、0.5 。

7UT512型差動(dòng)保護(hù)具有一個(gè)附加制動(dòng)區(qū)，近距離區(qū)外故障所產(chǎn)生的大穿越電流可能導(dǎo)致兩側(cè)CT嚴(yán)重飽和，從而產(chǎn)生相當(dāng)大的差流，在兩側(cè)CT飽和程度不同時(shí)，此差流更為明顯，雖然動(dòng)作特性曲線的上揚(yáng)，大多數(shù)情況已可以躲過(guò)這種情況，但嚴(yán)重區(qū)外故障時(shí)差動(dòng)電流Idiff/IN和制動(dòng)電流Istab/IN構(gòu)成的坐標(biāo)點(diǎn)，仍可能位于圖1中的動(dòng)作區(qū)，保護(hù)仍可能誤動(dòng)。為可靠、正確區(qū)分出內(nèi)部故障與近距區(qū)外嚴(yán)重故障，7UT512采取了一個(gè)區(qū)外故障CT飽和時(shí)的附加制動(dòng)措施。

由圖2可知，一次側(cè)短路后，二次側(cè)暫態(tài)不平衡電流可能超過(guò)穩(wěn)態(tài)不平衡電流好幾倍，且波形完全偏向于時(shí)間軸的一側(cè)，這也就很有可能引起瞬時(shí)動(dòng)作的差動(dòng)保護(hù)錯(cuò)誤動(dòng)作。另外，由于CT勵(lì)磁回路具有很大的電感，勵(lì)磁電流不能立即上升，圖2中不平衡電流最大值出現(xiàn)的時(shí)間不是在短路開始的瞬時(shí)，而是要滯后幾個(gè)周期，這也是它與內(nèi)部故障時(shí)出現(xiàn)的差動(dòng)電流的一個(gè)重要區(qū)別，利用這一點(diǎn)即可構(gòu)成辨別區(qū)外故障的一個(gè)重要判據(jù)。

圖2 外部短路暫態(tài)過(guò)程中的CT不平衡電流Fig.2 Imbalance CT current of external short transient process

區(qū)外故障開始的瞬時(shí)，制動(dòng)電流很大而不平衡電流形成的差流還很小，過(guò)了幾個(gè)周期后，差流達(dá)到最大才可能超越動(dòng)作邊界。7UT512型差動(dòng)保護(hù)在短路開始的瞬間，即差流與制動(dòng)電流組成的坐標(biāo)點(diǎn)剛進(jìn)入圖1中所示附加制動(dòng)區(qū)內(nèi)時(shí)，可以閉鎖保護(hù)8個(gè)周期時(shí)間（50 Hz）即160 ms，在這段時(shí)間內(nèi)，差流雖然達(dá)到了最大值，可能越過(guò)了動(dòng)作邊界，但裝置依然不會(huì)動(dòng)作，待裝置再次開放時(shí)，不平衡電流已下降到一個(gè)較小值，此時(shí)已返回到制動(dòng)區(qū)，這樣就可以達(dá)到抗CT飽和的效果。

制動(dòng)電流Istab達(dá)到一定倍數(shù)的額定電流時(shí)，根據(jù)所使用CT的飽和特性就可以認(rèn)為CT已飽和，這正是附加制動(dòng)曲線的起點(diǎn)，該曲線的延長(zhǎng)線過(guò)原點(diǎn)，其斜率整定為比率制動(dòng)斜率S1的1/2，即S3＝0.15。

內(nèi)部故障時(shí)，制動(dòng)電流大于差動(dòng)電流的可能性極小，（Istab/IN、Idiff/IN）立即沿故障特性曲線F移動(dòng)，因而不會(huì)進(jìn)入附加制動(dòng)區(qū)。

外部故障時(shí)，差動(dòng)保護(hù)在由附加制動(dòng)閉鎖差

動(dòng)保護(hù)的情況下，發(fā)電機(jī)又發(fā)生內(nèi)部故障，此種原理構(gòu)成的差動(dòng)保護(hù)仍能可靠動(dòng)作。只要（Istab/IN、Idiff/IN）點(diǎn)穩(wěn)定的處于故障特性曲線F上2個(gè)周期，附加制動(dòng)立即被解除。

7UT512差動(dòng)保護(hù)有兩種模式：一種是發(fā)電機(jī)模式（應(yīng)急柴油機(jī)），另一種是變壓器模式。變壓器模式具有二次諧波交叉制動(dòng)，這和國(guó)產(chǎn)的差動(dòng)保護(hù)有些區(qū)別，在變壓器空投困難時(shí)，通過(guò)改變制動(dòng)時(shí)間的設(shè)置，具有良好的二次諧波制動(dòng)效果。

圖3為典型的勵(lì)磁涌流波形，曲線c為對(duì)稱性涌流，a、b為非對(duì)稱性涌流。變壓器涌流的間斷角都大于60°，由于間斷角的存在，使得勵(lì)磁涌流的波形在一個(gè)周期內(nèi)前半周和后半周存在不對(duì)稱性。變壓器內(nèi)部故障電流一個(gè)周期波形的前半周和后半周的對(duì)稱性與勵(lì)磁涌流波形的非對(duì)稱性，可以有效判斷是變壓器的勵(lì)磁涌流還是內(nèi)部短路。而勵(lì)磁涌流中含有大量的高次諧波分量，并以二次諧波為主。

圖3 典型的勵(lì)磁涌流波形Fig.3 Typical wave shape of magnetizing inrush current

一般二次諧波制動(dòng)是按相工作的，二次諧波含量高于限值的相被制動(dòng)，二次諧波含量低于限值的相依然可以動(dòng)作。因此只要有一相符合動(dòng)作條件，繼電器即發(fā)出跳閘命令?？梢栽O(shè)想若涌流出現(xiàn)時(shí)有兩相電流都超過(guò)差動(dòng)啟動(dòng)值，而其中僅有一相二次諧波含量超過(guò)限值而制動(dòng)，則另一個(gè)二次諧波含量低于限值的相因無(wú)制動(dòng)作用而可以引發(fā)跳閘。為避免此類誤動(dòng)，7UT512差動(dòng)保護(hù)提供了二次諧波交叉制動(dòng)的功能，即二次諧波不僅對(duì)本相起制動(dòng)作用，對(duì)其他相也起制動(dòng)作用，只要有一相檢測(cè)出涌流三相都閉鎖。制動(dòng)作用是通過(guò)設(shè)定出現(xiàn)前述情況后保護(hù)閉鎖多少個(gè)周期來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

但是，交叉制動(dòng)也有其不利的一面，如變壓器空載投入到區(qū)內(nèi)預(yù)伏故障上時(shí)，無(wú)論涌流和故障發(fā)生在哪一相，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間都會(huì)延遲前述設(shè)定周期數(shù)，從保護(hù)速動(dòng)性的角度來(lái)講，這也是難以忍受的。因此，是否投入交叉制動(dòng)功能以及制動(dòng)多少個(gè)周期，需根據(jù)實(shí)際工程的情況具體分析而定。7UT512差動(dòng)保護(hù)提供的缺省設(shè)定為0周期，即不投入此功能，我們認(rèn)為根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況可以使用此缺省值。在變壓器空投困難時(shí)，可以根據(jù)裝置自身錄取的波形確定一個(gè)適當(dāng)?shù)拈]鎖周期數(shù)，但必須保證變壓器投運(yùn)前檢查無(wú)誤。

7UT512差動(dòng)保護(hù)原理較完善，考慮周到，采用兩段式比率制動(dòng)特性；防止變壓器空載送電時(shí)勵(lì)磁涌流的影響，采用二次諧波制動(dòng)；防止變壓器過(guò)激磁，采用五次諧波制動(dòng)。諧波制動(dòng)采用相間交叉閉鎖，以保證只要其中一相電流的二次諧波或五次諧波達(dá)到整定值，差動(dòng)保護(hù)即被閉鎖。不足之處是它未考慮到CT回路斷線閉鎖差動(dòng)保護(hù)功能。

3 結(jié)論

繼電保護(hù)的目的主要反映主設(shè)備發(fā)生的各種故障和不正常的運(yùn)行狀態(tài)，但對(duì)于核電廠，由于其運(yùn)行的特殊性，對(duì)繼電保護(hù)有了新的要求，保護(hù)設(shè)備重要，保證核電廠安全更為重要。應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)的保護(hù)配置應(yīng)能滿足應(yīng)急和試驗(yàn)方式的要求，保護(hù)定值的整定應(yīng)根據(jù)核電廠的實(shí)際情況，使繼電保護(hù)的可靠性、速動(dòng)性、靈敏性、選擇性得到合理的應(yīng)用。

[1] 王維儉. 發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)應(yīng)用[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2005.（WANG Wei-jian. Generatortransformer Protective Relaying Applying[M]. Beijing：China Electric Power Press，2005.）

[2] 王維儉. 電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2004.（WANG Wei-jian. Principle And Applying of Main Electric Equipment Protective Relaying[M]. Beijing：China Electric Power Press，2004.）

[3] SIEMENS AG.7UT51 Numerical Differential Protection RelayInstruction Manual Siemens，1995．

The Feature of Emergency Diesel Generator Relaying Protection in Tianwan Nuclear Power Station

JIANG Xiao-peng，SHI Yan，LI Cong
(Jiangsu Nuclear Power Corporation，Lianyungang of Jiangsu Prov. 222042，China)

This paper mainly introduces the function and feature of emergency diesel generator in nuclear power plant, which plays an important role in nuclear accident. It minutely tells about the feature and configuration of relay protection and discusses the rationality of protection scheme，which shows that it can be completely contented all kinds of operation states. It is an analysis and argument about the principle of relay protection in detail，that would operate correctly when emergency diesel generator be in abnormal operating and serious fault conditions，such as cut off emergency diesel generator in order to avoid more harm to emergency diesel generator. It analyzes how the relay responses quickly and locks up the protection action under perturbations in the external power，so it can avoid unnecessary resection of emergency diesel generator to emergency power supply loss and effect of nuclear

emergency diesel generator；configuration protection；setting

TL36 Article character：A Article ID：1674-1617(2014)01-0014-04

TL36

A

1674-1617(2014)01-0014-04

2013-12-24

蔣曉鵬（1979—），男，江蘇常熟人，大學(xué)本科，工程師，從事核電廠電力生產(chǎn)。

safety. It also analyzes the flexible use of protection setting of the protective relay to meet various operating status. It elaborates the particularity of relay protection which is due to the particularity of nuclear safety. It analyses the possibility of relay protection which has to be applied to other equipment and the protection setting that was provided by design institute, and puts forward the author’s viewpoints.