朱興文

(華能山東石島灣核電有限公司,山東 榮成 264312)

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核電站500 kV斷路器跳閘原因分析及處理措施

朱興文

(華能山東石島灣核電有限公司,山東 榮成 264312)

介紹了國(guó)內(nèi)某核電站500 kV開(kāi)關(guān)站斷路器控制直流系統(tǒng)發(fā)生一點(diǎn)接地,斷路器發(fā)生無(wú)故障跳閘過(guò)程。通過(guò)深入分析發(fā)現(xiàn),由于控制電纜過(guò)長(zhǎng),對(duì)地電容較大,加之跳閘繼電器動(dòng)作電壓及功率較低,在發(fā)生直流正極一點(diǎn)接地時(shí),易導(dǎo)致斷路器誤跳。因此為避免今后再度發(fā)生此類(lèi)故障,提出應(yīng)從縮短直流控制電纜的長(zhǎng)度和提高出口繼電器動(dòng)作電壓及功率兩個(gè)方面考慮采取相應(yīng)解決措施。

500 kV斷路器;直流系統(tǒng);一點(diǎn)接地;跳閘;電容

1　事故經(jīng)過(guò)

某核電站500 kV開(kāi)關(guān)站,調(diào)試人員在對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備A屏進(jìn)行光纖熔接檢查時(shí),突然聽(tīng)到開(kāi)關(guān)跳閘的聲音,經(jīng)告知運(yùn)行人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)初步檢查及核實(shí),確認(rèn)為5022開(kāi)關(guān)跳閘,且現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員無(wú)任何操作、繼電保護(hù)未動(dòng)作、現(xiàn)場(chǎng)無(wú)任何試驗(yàn)、系統(tǒng)無(wú)故障。那么是何原因造成的跳閘呢?對(duì)此,本文將闡述該核電站500 kV斷路器跳閘的發(fā)生經(jīng)過(guò),分析查找其原因,并給出處理措施。

2　事故原因調(diào)查

2.1斷路器保護(hù)裝置檢查

對(duì)跳閘斷路器操作箱進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)跳位A、跳位B、跳位C燈亮,而跳A、跳B(niǎo)、跳C燈均沒(méi)亮。根據(jù)斷路器保護(hù)屏操作箱原理可知：在保護(hù)跳閘時(shí),跳位A、B、C和跳A、B、C燈均亮；在手動(dòng)跳閘時(shí),僅有跳位A、B、C燈亮,而跳A、B、C燈不亮。

對(duì)5022斷路器保護(hù)裝置進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)5022斷路器保護(hù)裝置無(wú)保護(hù)動(dòng)作信號(hào),查看保護(hù)裝置事件報(bào)告,僅有5022開(kāi)關(guān)變位信號(hào),無(wú)其他報(bào)警信號(hào)。

對(duì)5022斷路器相關(guān)保護(hù)進(jìn)行檢查,如第二串線路T區(qū)保護(hù)、2號(hào)機(jī)組T 區(qū)保護(hù)、2號(hào)線線路保護(hù)、2號(hào)機(jī)發(fā)變組保護(hù),發(fā)現(xiàn)相關(guān)保護(hù)均未啟動(dòng),無(wú)任何報(bào)警信號(hào)。

2.2故障錄波裝置檢查

對(duì)故障錄波裝置進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)僅有5022斷路器變位信號(hào),無(wú)任何保護(hù)動(dòng)作信號(hào),并且5022斷路器跳閘前后,線路電壓及電流無(wú)任何擾動(dòng),線路運(yùn)行良好。

2.3NCS監(jiān)控后臺(tái)檢查

對(duì)NCS監(jiān)控后臺(tái)監(jiān)控記錄進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)僅有5022斷路器跳閘信號(hào)及開(kāi)關(guān)變位信號(hào),無(wú)其他報(bào)警信號(hào)。

2.45022斷路器本體檢查

對(duì)5022斷路器本體及匯控柜進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)5022斷路器本體及匯控柜運(yùn)行正常,非全相繼電器未動(dòng)作,SF6氣體壓力、斷路器油壓正常,無(wú)任何異常報(bào)警出現(xiàn)。

2.55022斷路器控制直流系統(tǒng)檢查

對(duì)5022斷路器控制直流系統(tǒng)進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)直流系統(tǒng)在5022斷路器跳閘同時(shí),發(fā)出正母線絕緣低報(bào)警,絕緣電阻為0 Ω,接地持續(xù)時(shí)間為1 s。由于直流系統(tǒng)未采用GPS對(duì)時(shí),經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)與500 kV監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)間相差7 s。

3　事故原因分析

根據(jù)上述調(diào)查結(jié)果,初步判斷5022斷路器跳閘的原因是其控制直流系統(tǒng)接地導(dǎo)致手動(dòng)跳閘繼電器動(dòng)作,從而引起5022斷路器誤跳閘。隨后,對(duì)5022斷路器手動(dòng)跳閘回路進(jìn)行了進(jìn)一步檢查分析。

3.1跳閘回路絕緣檢查

直流系統(tǒng)是通過(guò)絕緣監(jiān)察裝置接地的,正負(fù)極不允許接地[1]。直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)察原理如圖1所示。

KXJ—絕緣監(jiān)察繼電器;R1、R2—直流電源絕緣監(jiān)察裝置的電阻;R+、R-—正、負(fù)極對(duì)地絕緣電阻。

圖1直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)察原理圖

Fig.1Insulation monitoring principle diagram of DC system

正常運(yùn)行時(shí),直流系統(tǒng)絕緣良好,單一的直流耦合在跳閘繼電器中分壓很小,不足以使跳閘回路誤跳閘,跳閘繼電器1ZJ的電壓如圖2所示。

圖2　跳閘繼電器驅(qū)動(dòng)電壓U1

當(dāng)絕緣降低時(shí),正極對(duì)地絕緣電阻R+會(huì)下降很多,跳閘繼電器1ZJ的分壓逐漸增大。如果絕緣完全損壞,即R+=0,此時(shí)跳閘繼電器1ZJ兩端的直流分壓U1最大,超過(guò)跳閘繼電器1ZJ的動(dòng)作電壓值,導(dǎo)致跳閘繼電器1ZJ動(dòng)作,從而引起斷路器跳閘[2]。

5022開(kāi)關(guān)的手動(dòng)跳閘回路有DCS遠(yuǎn)方跳閘和緊急停堆盤(pán)ECP跳閘,對(duì)其跳閘回路絕緣進(jìn)行檢查,回路絕緣電阻均大于800 MΩ,排除由于跳閘回路絕緣不良導(dǎo)致控制直流系統(tǒng)接地。

3.2交直流混接檢查

500 kV開(kāi)關(guān)站使用的控制電纜較長(zhǎng),存在一定的分布電容[3]。當(dāng)絕緣良好時(shí),直流回路一般不會(huì)受到影響,但當(dāng)交流量進(jìn)入直流回路時(shí),直流回路中分布電容就會(huì)形成回路能夠讓交流量流過(guò),即對(duì)分布電容C進(jìn)行充放電[4],如圖3所示。

圖3　跳閘等效原理圖

直流跳閘回路的二極管將對(duì)此交流量進(jìn)行半波整流,變成脈動(dòng)電壓U2,如圖4所示。

圖4　跳閘繼電器驅(qū)動(dòng)電壓U2

交流電壓對(duì)分布電容C的充放電過(guò)程將使脈動(dòng)電壓趨于連續(xù)的電壓,此時(shí)跳閘繼電器1ZJ的電壓為

U1ZJ=U1+U2

跳閘繼電器1ZJ的電壓U1ZJ相當(dāng)于在繼電器兩端加入交流量與直流電壓迭加,迭加電壓波形如圖5所示。當(dāng)?shù)与妷哼_(dá)到繼電器動(dòng)作電壓時(shí),繼電器便可動(dòng)作。

圖5　跳閘繼電器驅(qū)動(dòng)電壓U1ZJ

對(duì)跳閘回路進(jìn)行測(cè)量得知,直流電壓為115.6 V,交流電壓為0.025 V,因此排除了由于交直流混接而導(dǎo)致的跳閘繼電器動(dòng)作。

3.3跳閘繼電器動(dòng)作電壓及功率檢查

在排除由絕緣低及交直流混接導(dǎo)致跳閘繼電器動(dòng)作之后,對(duì)中間跳閘繼電器動(dòng)作電壓及功率進(jìn)行了測(cè)量,其中STJ動(dòng)作電壓為70 V,KKJ合閘和分閘動(dòng)作電壓均為68 V,符合標(biāo)準(zhǔn)要求,但1ZJ跳閘繼電器動(dòng)作電壓為63 V,繼電器約為1.2 W,不滿足《國(guó)家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》中“15.7.8 所有涉及直接跳閘的重要回路應(yīng)采用動(dòng)作電壓在額定直流電源電壓的55%～70%范圍以內(nèi)的中間繼電器,并要求其動(dòng)作功率不低于5W”的規(guī)定。

3.4模擬直流接地

模擬5022斷路器的直流接地故障,分別模擬5022斷路器控制回路就地側(cè)正接地、DCS側(cè)直流正接地、ECP側(cè)直流正接地各3次,模擬接地故障時(shí)間為3 s,并對(duì)跳閘繼電器1ZJ兩端電壓進(jìn)行錄波,如圖6所示。

圖6　模擬直流接地錄波圖

從圖6可以看出,在進(jìn)行直流接地時(shí),跳閘繼電器1ZJ兩端電壓差最高達(dá)到59 V,如果此時(shí)有其他干擾串入,極有可能造成跳閘繼電器動(dòng)作,從而導(dǎo)致5022斷路器跳閘。

4　理論分析

該核電站的500 kV開(kāi)關(guān)站采用3/2接線,此次偷跳的5022斷路器為3/2接線串的中間斷路器。通過(guò)調(diào)查近年來(lái)500 kV開(kāi)關(guān)站斷路器偷跳事故,發(fā)現(xiàn)偷跳的開(kāi)關(guān)絕大多數(shù)是雙母線接線的母聯(lián)開(kāi)關(guān)或3/2接線串中的中間開(kāi)關(guān),此類(lèi)開(kāi)關(guān)的回路數(shù)比其他開(kāi)關(guān)多,啟動(dòng)跳閘的電纜較長(zhǎng),存在著一定的分布電容,且電纜越長(zhǎng),分布電容就越大。一旦發(fā)生直流回路一點(diǎn)接地,就會(huì)使分布電容放電,在直流操作回路中形成干擾[5]。5022斷路器跳閘回路如圖7所示。

1ZJ—手跳繼電器；101、102—直流電源的正極與負(fù)極；C1、C2、C3—直流正極、長(zhǎng)電纜芯線、直流負(fù)極對(duì)地電容。

圖75022斷路器跳閘回路

Fig.75022 breaker trip circuit

正常情況下,圖7觸點(diǎn)3為多個(gè)跳閘回路的匯聚點(diǎn),除啟動(dòng)跳3/2接線串中間開(kāi)關(guān)的保護(hù)、線路保護(hù)、發(fā)變組保護(hù)回路外,還有較長(zhǎng)的DCS和ECP跳閘回路,從而導(dǎo)致接入跳閘繼電器的電纜較多且較長(zhǎng),使觸點(diǎn)3對(duì)地電容很大。

當(dāng)發(fā)生直流回路接地時(shí),圖7的等效電路如圖8所示。

R1—控制回路正極對(duì)地電阻；R2—長(zhǎng)電纜對(duì)地電阻；R3—直流電源內(nèi)阻；R4—控制回路負(fù)極對(duì)地電阻；R1ZJ—手跳繼電器內(nèi)阻；C1—控制回路正極對(duì)地電容；C2—長(zhǎng)電纜對(duì)地電容；C3—控制回路負(fù)極對(duì)地電容。

圖85022斷路器跳閘回路等效電路

Fig.8Equivalent circuit of 5022 breaker trip circuit

在正常運(yùn)行時(shí),U1=U2=58 V,U3=U4=-58 V,手跳繼電器1ZJ兩端電壓U1ZJ=0 V;在正極接地穩(wěn)定后,U1=U2=0 V,U3=U4=-116 V,手跳繼電器1ZJ兩端電壓U1ZJ=0 V。由于正、負(fù)極對(duì)地電容、長(zhǎng)電路對(duì)地電容的影響,因此在過(guò)渡過(guò)程中,相當(dāng)于一階電路全響應(yīng)狀態(tài)。

U3=-116+58e-t/(R1ZJ+R3+R4)C2

U4=-116+58e-t/(R3+R4)C3

U1ZJ=58((e-t/(R1ZJ+R3+R4)C2-e-t/(R3+R4)C3)

直流一點(diǎn)接地造成斷路器誤動(dòng)的原因是手跳繼電器1ZJ兩端電壓衰減不一致,導(dǎo)致U1ZJ達(dá)到動(dòng)作值。由于R1ZJ?R1、R2、R3,則C2通過(guò)R1ZJ、R3向接地點(diǎn)放電的速度小于C3通過(guò)R3向接地點(diǎn)放電速度,即U3比U4衰減慢,因此電纜越長(zhǎng),C2越大,繼電器動(dòng)作功率越低,R1ZJ電阻越大,U1ZJ出現(xiàn)最大值電壓越高,維持時(shí)間越長(zhǎng),繼電器越容易誤動(dòng)[6]。

5　處理措施

通過(guò)上述分析和試驗(yàn),最終判定為DCS和ECP跳閘回路線路較長(zhǎng)(長(zhǎng)約750 m),存有較大對(duì)地電容C1、C2(見(jiàn)圖7),在發(fā)生直流一點(diǎn)接地時(shí),由于對(duì)地分布電容形成回路,加之跳閘繼電器1ZJ動(dòng)作電壓及功率較低,因此會(huì)引起5022斷路器誤跳閘。

為防止此類(lèi)事件的再次發(fā)生,針對(duì)上述問(wèn)題采取了如下措施進(jìn)行處理。

1) 進(jìn)行跳閘回路改造,即在跳閘回路中加入大功率中間繼電器,滿足《國(guó)家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》的相關(guān)規(guī)定。

2) 由于2號(hào)機(jī)DCS側(cè)處于安裝階段,交叉作業(yè)嚴(yán)重,極易產(chǎn)生直流接地故障,為防止在改造過(guò)程中再有類(lèi)似事件重發(fā),且現(xiàn)階段DCS和ECP跳閘功能暫不需要,因此臨時(shí)將DCS及ECP跳閘線拆除。

3) 采用光纜代替電纜傳遞跳閘信號(hào),如圖9所示。

圖9　采用光纜替代電纜

采用光纜代替電纜,將跳閘電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào),以光信號(hào)的形式傳遞到開(kāi)關(guān)站后,再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換裝置換成電信號(hào),以驅(qū)動(dòng)直流跳閘回路,這種方式克服了長(zhǎng)電纜分布電容的影響,當(dāng)然也就不存在分布電容的放電問(wèn)題,只是需要增加一對(duì)電/光和光/電轉(zhuǎn)換裝置。

6　結(jié)　語(yǔ)

針對(duì)某核電站500 kV開(kāi)關(guān)站5022開(kāi)關(guān)誤跳事件進(jìn)行了詳細(xì)的分析,認(rèn)為其直接原因是直流控制

回路中電纜的分布電容過(guò)大。當(dāng)發(fā)生直流回路一點(diǎn)接地時(shí),分布電容對(duì)跳閘出口元件放電,又因跳閘繼電器動(dòng)作電壓及功率較低,所以引起斷路器偷跳。對(duì)此,本文給出了相應(yīng)防范措施,即從縮短直流控制電纜的長(zhǎng)度和提高出口繼電器動(dòng)作電壓及功率兩個(gè)方面考慮,對(duì)于控制電纜過(guò)長(zhǎng)的情況,采用光纜代替電纜,可達(dá)到防止誤動(dòng)目的。

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(責(zé)任編輯侯世春)

Analysis and solution of NPP 500 kV circuit breaker tripping

ZHU Xingwen

(Huaneng Shandong ShidaoBay Nuclear Power Company, Rongcheng 264312, China)

This paper introduced the process of 500 kV breaker trouble-free trip caused by he DC system grounding at one-point in 500 kV switching station of one domestic nuclear power station. Through the analysis, it found that the large capacitance to ground since the long control cable, coupled with the low operating voltage and power of trip relay was easy to cause the breaker false tripping when DC system grounded at one-point. In order to avoid the similar failures, the paper proposed to adopt treatments from two aspects which are the reduction of the length of dc control cable and the increase of operating voltage and power of exit relay.and proposes treatment strategy of such fault.

500 kV breaker; DC system; grounding at one-point; tripping;capacitance

2015-06-20;

2016-06-29。

朱興文(1986—),男,助理工程師,從事核電廠電氣調(diào)試工作。

TM561

A

2095-6843(2016)03-0230-04