池云莉

（中國(guó)核電工程有限公司河北分公司，河北 石家莊 050011）

0 引言

交流接觸器在核電常規(guī)島低壓配電系統(tǒng)中主要作為電動(dòng)機(jī)供電回路正常接通/開斷的操作電器，應(yīng)用較為廣泛。當(dāng)發(fā)生廠用電源切換、大功率電動(dòng)機(jī)成組啟動(dòng)、短路故障時(shí)，配電系統(tǒng)均有可能出現(xiàn)瞬間斷電或電壓波動(dòng)。此時(shí)，交流接觸器作為電壓暫降敏感設(shè)備，極易失壓脫扣，導(dǎo)致汽輪發(fā)電機(jī)組輔機(jī)系統(tǒng)低壓電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生異常或停運(yùn)，影響核電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，甚至造成非計(jì)劃停機(jī)。

低壓電動(dòng)機(jī)交流接觸器一般采用電磁式接觸器，由電磁產(chǎn)生的力接通或斷開主觸頭。電磁系統(tǒng)按勵(lì)磁電流種類分為交流磁系統(tǒng)和直流磁系統(tǒng)，因前者取電方便，無須設(shè)置直流電源，出于經(jīng)濟(jì)性考慮，有核電建設(shè)單位提出低壓電動(dòng)機(jī)回路采用交流控制電源的要求。本文針對(duì)交流接觸器的控制原理進(jìn)行了分析，提出了交流控制電源存在的問題和改進(jìn)建議，可為后續(xù)工程設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 廠用電系統(tǒng)接線

核電常規(guī)島廠用電系統(tǒng)設(shè)置2個(gè)電壓等級(jí)，高壓廠用電系統(tǒng)采用6 kV或10 kV，低壓廠用電系統(tǒng)采用380/220 V，每臺(tái)機(jī)組的低壓廠用母線通過低壓廠用變壓器與高壓廠用母線連接。正常運(yùn)行時(shí)，每段母線分別帶負(fù)荷運(yùn)行，當(dāng)其中一段母線電源故障時(shí)，由另外一段母線提供電源，低壓電動(dòng)機(jī)由低壓廠用母線直接供電。核電常規(guī)島廠用電系統(tǒng)接線如圖1所示。

核電常規(guī)島保安負(fù)荷如發(fā)電機(jī)密封油泵、汽輪機(jī)交流潤(rùn)滑油泵、頂軸油泵等低壓電動(dòng)機(jī)由柴油發(fā)電機(jī)作為備用供電電源。由于柴油機(jī)容量限制，這些負(fù)荷需參與柴油發(fā)電機(jī)加卸載邏輯，為保證機(jī)組安全停運(yùn)，電動(dòng)機(jī)交流接觸器線圈采用直流控制電源，在本文中不再進(jìn)行分析。

2 低壓電動(dòng)機(jī)控制原理

低壓電動(dòng)機(jī)回路采用交流控制電源，即接觸器勵(lì)磁線圈電源由電動(dòng)機(jī)主動(dòng)力電源供電，電壓采用單相220 V或兩相380 V，主要控制原理如下：

（1）在主動(dòng)力回路正常且保護(hù)未動(dòng)作的條件下，操作人員控制就地按鈕-S11或遠(yuǎn)方控制系統(tǒng)DCS觸發(fā)合閘指令，接觸器線圈-K01得電，主觸頭閉合接通電動(dòng)機(jī)動(dòng)力回路，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。操作人員控制就地按鈕-S12或遠(yuǎn)方控制系統(tǒng)DCS觸發(fā)分閘指令，繼電器-K21得電，輔助觸頭斷開-K01控制回路，電動(dòng)機(jī)動(dòng)力回路失電，電動(dòng)機(jī)停運(yùn)。

（2）當(dāng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)，繼電器-K11失電，輔助觸點(diǎn)斷開-K01控制回路，接觸器失壓脫扣，電動(dòng)機(jī)停運(yùn)。

（3）當(dāng)控制電源發(fā)生波動(dòng)，電源電壓低于接觸器線圈工作電壓時(shí)，接觸器失壓脫扣，斷開動(dòng)力回路，電動(dòng)機(jī)停運(yùn)。在設(shè)定時(shí)間內(nèi)，延時(shí)斷開繼電器-K31保持-K01控制回路仍導(dǎo)通，若電源恢復(fù)，-K01自動(dòng)得電，電動(dòng)機(jī)自啟。

典型控制接線如圖2所示。

3 接觸器脫扣原因分析

根據(jù)《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第1部分：總則》（GB 14048.1—2012）要求，電磁操作電器的釋放電壓應(yīng)不高于75%額定控制電源電壓，對(duì)交流在額定頻率下其釋放電壓應(yīng)不低于20%，或?qū)χ绷鲬?yīng)不低于10%。當(dāng)接觸器交流電源下降到額定電壓的58%時(shí)，接觸器最容易脫扣，接觸器脫扣前持續(xù)時(shí)間約20 ms[1]。在核電機(jī)組運(yùn)行過程中，引起廠用電系統(tǒng)電壓短時(shí)斷電或波動(dòng)等晃電的原因一般有廠用電源切換、高壓電動(dòng)機(jī)成組啟動(dòng)、短路故障等。

3.1 廠用電源切換

高壓廠用母線通過高壓廠用變壓器與發(fā)電機(jī)和主變連接，當(dāng)高壓廠用母線進(jìn)線斷路器上游故障或母線電壓低時(shí)，保護(hù)動(dòng)作跳開進(jìn)線斷路器，啟動(dòng)廠用電源切換。核電常規(guī)島廠用電源切換根據(jù)各堆型電源需求和策略不同，采用快速切換或慢速切換的方式，當(dāng)快速切換不成功時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)為慢速切換方式。當(dāng)采用快速切換時(shí)，電源中斷0.1 s左右，由于高壓母線電動(dòng)機(jī)提供殘壓，若快切成功電壓降低幅度不大，低壓接觸器保持吸合；當(dāng)采用慢速切換時(shí)，電源中斷約1.5 s及以上，高壓母線電壓降為30%以下，在此過程中，低壓接觸器失電脫扣跳閘。

3.2 高壓電動(dòng)機(jī)成組啟動(dòng)

最大容量的高壓電動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)時(shí)，高壓廠用母線不應(yīng)低于額定電壓的80%，高壓電動(dòng)機(jī)成組自啟動(dòng)時(shí)，高壓廠用母線不應(yīng)低于額定電壓的70%，啟動(dòng)時(shí)間為5～10 s。當(dāng)電動(dòng)機(jī)成組啟動(dòng)母線電壓低于額定電壓的75%時(shí)，低壓電動(dòng)機(jī)接觸器可能會(huì)發(fā)生低壓脫扣跳閘，因此廠用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，一般通過調(diào)整負(fù)荷分配、變壓器阻抗或容量使電動(dòng)機(jī)成組啟動(dòng)母線電壓大于額定電壓的75%。

3.3 短路故障

核電機(jī)組電氣設(shè)備最常見的故障是單相接地故障，約占全部短路的75%以上，兩相短路接地故障一般不超過全部短路的10%，兩相及三相短路不超過全部短路的10%。

表1、表2為低壓廠用變壓器高、低壓側(cè)在故障情況下，低壓母線電壓理論計(jì)算值與額定電壓的比值[2]。

表1 高壓側(cè)故障情況下低壓母線電壓幅值

由表1可以看出，當(dāng)?shù)蛪簭S用變壓器相鄰饋線發(fā)生三相短路、兩相短路或兩相短路接地故障時(shí)，總有至少某一相電壓為0或某兩個(gè)線電壓降為額定電壓的50%及以下，若保護(hù)動(dòng)作時(shí)間和斷路器跳閘時(shí)間大于低壓交流接觸器低壓耐受時(shí)間，電動(dòng)機(jī)低壓母線電壓降低將導(dǎo)致接觸器脫扣跳閘。

當(dāng)?shù)蛪弘妱?dòng)機(jī)相鄰電源饋線發(fā)生短路故障，若電源饋線考慮上下級(jí)保護(hù)配合，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間在0.2 s及以上，不能瞬時(shí)動(dòng)作切斷故障，電動(dòng)機(jī)低壓母線電壓降低將導(dǎo)致接觸器脫扣跳閘。綜合表2，若交流接觸器線圈電源取相電壓220 V，在兩相短路和兩相短路接地故障情況下，接觸器脫扣概率為66.7%，在單相接地故障情況下，接觸器脫扣概率為33.3%；若交流接觸器線圈電源取線電壓380 V，在兩相短路和兩相短路接地故障情況下，接觸器脫扣概率為66.7%，在單相接地故障情況下，接觸器脫扣概率同樣為66.7%。

4 問題分析

核電機(jī)組常規(guī)島主輔機(jī)系統(tǒng)低壓電動(dòng)機(jī)供電回路交流接觸器電源若引自電動(dòng)機(jī)主交流動(dòng)力回路，將存在以下問題：

（1）電動(dòng)機(jī)主交流動(dòng)力回路電壓在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)存在不穩(wěn)定性，其波動(dòng)易造成接觸器觸頭彈跳、抖動(dòng)，易損壞電動(dòng)機(jī)[3]，且電動(dòng)機(jī)在冷態(tài)下僅允許連續(xù)啟動(dòng)兩次，在熱態(tài)下允許啟動(dòng)一次。

（2）電動(dòng)機(jī)頻繁啟停易造成主輔機(jī)工藝系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，并將觸發(fā)相關(guān)邏輯動(dòng)作，進(jìn)而導(dǎo)致出力降低或非計(jì)劃停機(jī)。

（3）控制回路中用于實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)在電壓短時(shí)波動(dòng)時(shí)能夠自啟的時(shí)間繼電器可靠性差，一旦繼電器故障，此功能將失效。

（4）若接觸器控制電源引自電動(dòng)機(jī)主交流回路塑殼斷路器和接觸器之間，對(duì)于單獨(dú)配置接地保護(hù)的回路，如圖2所示，當(dāng)發(fā)生單相接地時(shí)，接地保護(hù)跳閘回路因失壓而無法動(dòng)作，有可能導(dǎo)致越級(jí)跳閘，引起故障電動(dòng)機(jī)所在母線全部電動(dòng)機(jī)失電跳閘。另外，當(dāng)控制回路發(fā)生短路故障時(shí)，故障電流為20～30 kA，控制回路保護(hù)電器和主動(dòng)力回路塑殼斷路器保護(hù)無選擇性，將導(dǎo)致兩者同時(shí)跳閘，電動(dòng)機(jī)停運(yùn)。

（5）若接觸器控制電源引自塑殼斷路器上游低壓廠用母線，控制回路需選用高分?jǐn)嗄芰Φ奈⑿蛿嗦菲?，由于短路點(diǎn)靠近母線，短路電流若超過微型斷路器短路分?jǐn)嗄芰?，將?dǎo)致微斷觸頭燒毀。而高分?jǐn)嗄芰Φ奈⑿蛿嗦菲鬟x型受限，一般選用熔斷器，但熔斷器保護(hù)動(dòng)作后需更換熔體，為運(yùn)行維護(hù)帶來不便。此方案因直接從低壓母線取電，提高了母線的故障率。

5 改進(jìn)建議

為了避免出現(xiàn)上述問題，針對(duì)低壓電動(dòng)機(jī)采用交流控制電源提出如下改進(jìn)建議：

（1）對(duì)于影響機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的低壓電動(dòng)機(jī)，若其交流接觸器線圈采用主回路動(dòng)力電源供電，建議采用具有防晃電模塊的電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置[4]或者防晃電裝置，控制和保護(hù)回路由防晃電模塊供電，在系統(tǒng)晃電時(shí)，確保接觸器不釋放及電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能不失效。

（2）對(duì)于不重要的低壓電動(dòng)機(jī)，其保護(hù)功能建議由供電回路塑殼斷路器配套的電子脫扣器來實(shí)現(xiàn)，其保護(hù)功能不依賴于主動(dòng)力回路電源，可以避免晃電導(dǎo)致保護(hù)功能失效。

（3）為了避免主回路與控制回路的相互影響，包括短路故障、電壓暫降等，提高控制回路的獨(dú)立性和安全性，建議采用控制變壓器[5]進(jìn)行隔離。

（4）由于核電常規(guī)島需為機(jī)組保護(hù)、控制等負(fù)荷設(shè)置直流電源，交流接觸器線圈建議由直流系統(tǒng)供電，取電方便，無須單獨(dú)設(shè)置直流電源。直流線圈保持功率一般不超過3 W，功耗低。直流系統(tǒng)獨(dú)立于交流系統(tǒng)，不受交流電源故障切換、大容量電機(jī)成組啟動(dòng)、變壓器勵(lì)磁涌流、短路故障等產(chǎn)生的晃電影響，當(dāng)系統(tǒng)晃電時(shí)，接觸器主觸頭不會(huì)斷開，可避免重要電動(dòng)機(jī)跳閘；由于電動(dòng)機(jī)殘壓的存在，電動(dòng)機(jī)電壓降低較慢，不會(huì)產(chǎn)生大的沖擊電流。需注意設(shè)置電動(dòng)機(jī)低電壓保護(hù)，在電源電壓長(zhǎng)時(shí)間消失后自動(dòng)斷開交流接觸器線圈電源，電動(dòng)機(jī)跳閘，以確保人身和設(shè)備安全。

6 結(jié)語

核電常規(guī)島為了保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，機(jī)組保護(hù)、控制等負(fù)荷均采用直流電源，低壓交流接觸器線圈保持功率很小，建議采用直流電源，以減少設(shè)備因系統(tǒng)短時(shí)斷電或電壓波動(dòng)導(dǎo)致的不良影響。對(duì)于不重要的負(fù)荷或輔助設(shè)施，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較無須設(shè)置直流電源時(shí)，低壓交流接觸器可采用交流電源。