核电厂主照明盘越级跳闸故障分析与改进

孙中博，曲国富，吴向华

（中核核电运行管理有限公司 维修五处，浙江 嘉兴 314300）

0 引言

主照明盘，即主照明配电盘，是集中、切换、分配电能的设备，由柜体、断路器、保护装置等组成。重水堆核电厂主照明盘的主要功能是为反应堆厂房、核辅助厂房、汽轮机厂房提供厂房工作照明，提供220V 交流单相插座电源；为部分设备提供电加热器电源，并提供适当的备用容量，方便控制负荷的停电、送电，当电路发生故障时，有利于检修工作安全措施的建立。

每个机组有6 个主照明盘，其中有4 个四级主照明盘和2 个三级主照明盘。四级主照明盘由四级电源供电，为电厂提供四级照明（正常照明）。三级主照明盘由三级电源供电，为电厂提供三级照明（重要照明）。四级照明失去时，三级照明可继续为厂房相关区域提供必需的照明。三级照明要求在相关重要区域内必须保持连续可靠的照明，只允许短时中断[1]。两个三级主照明盘电气回路带有联锁装置，当一个主照明盘失去电源时，可以通过手动切换操作允许另一照明盘电源同时带载两个三级主照明盘的全部三级照明负荷。

图1 照明回路单线图Fig.1 Single line diagram of lighting circuit

重水堆核电厂主照明盘自2002 年投运，多次发生因末级负荷接地故障而导致主照明盘上级电源跳闸的越级跳闸事故。为满足供电可靠性，2004 年进行了主照明盘供电变压器（以下简称照明变）二次侧接地继电器保护定值优化（将原接地保护设定值100A，0.2s 调整为300A，0.5s），虽然减少了越级跳闸的次数，但未从根本上解决越级跳闸问题。根据可查数据，2007 年～2018 年的12 年间，主照明盘共计发生越级跳闸故障36 起，平均每年3 起。

继电保护的选择性基本要求指出，电力系统发生故障时，保护装置仅将故障元件切除，而使非故障元件仍能正常运行，以尽量缩小停电范围[2]。一个末级负荷的接地故障，发生越级跳闸，将使整个主照明盘失电，使厂房失去近1/6 的照明，扩大了故障的影响范围，不满足继电保护的选择性要求。

1 主照明盘越级跳闸故障分析及改进方法

1.1 照明回路的组成

如图1 所示，主照明盘由上级小车断路器经照明变供电，照明变为△/Y 型接线，中性点接地，并引出零线，变压器二次侧A、B、C 三相及零排直接与主照明盘母排相接。主照明盘型号为伊顿Freedom2100 型配电盘，每个间隔的出线断路器是型号为HJD3250F 的三极断路器。下级负荷为LP 盘（LP，Lighting Panels，即照明面板式盘柜），LP盘为400V/230V，三相四线制，其零线引自主照明盘零排，未通过主照明盘出线间隔，LP 盘配有230V 一极或两极塑壳断路器为末级负荷供电，其中乏燃料水池水面灯和水下灯上级断路器配有漏电保护装置。

1.2 照明回路越级跳闸的原因分析

以5#主照明盘为例，由于照明回路由上到下级数较多，保护配置较为复杂，具体情况如下：

1）上级小车断路器保护配置如下：

固定式瞬跳保护：11×800A=8800A。

长延时保护设定值：0.7×800A=560A，动作时间设定值4s。

短延时保护设定值：10×560A=5600A，动作时间设定值0.2s。

接地保护设定值：40%×800A=320A，动作时间设定值0.5s。

由于负荷侧接地故障产生的零序电流仅存在于照明变二次侧，无法通过变压器在一次侧产生零序电流，故上级断路器的零序保护仅对照明变一次侧部分进行保护。

2）照明变二次侧接地保护继电器（GFR）的保护配置为：300A，延时0.5s，其保护动作直接作用于上级小车断路器跳闸。

3）出线断路器本体配置热磁型脱扣器，无接地保护。出线断路器额定电流为225A，其磁脱扣电流为断路器额定电流的7 ～12 倍，根据以往校验经验，通常为8 倍以上。

即，磁脱扣电流I=8In=8×225A=1800A。照明回路接地电流通常较小，且此脱扣电流已经超过照明变二次侧零序保护电流，配有热磁型脱扣器的出线断路器无法保障回路接地故障。

4）《GB 13955-92 漏电保护器安装和运行》4.5 节规定：“安装在潮湿、强腐蚀性等环境恶劣场所的电气设备必须安装漏电保护器”，5.6.2 节规定：“安装在潮湿场所的电气设备应选用额定漏电动作电流为15mA ～30mA 且快速动作的漏电保护器[3]。在电厂建设之初，乏燃料水池水面灯和水下灯末级断路器配置了30mA 的瞬时漏电保护装置，当此负荷发生接地故障，末级断路器会先于照明变零序保护动作，除此以外的其他负荷未配置漏电保护开关。

如图2 所示，照明回路上下级保护没有形成良好的配合，图中“照明变接地保护区域”没有下级保护可以优先于照明变接地保护动作，是造成越级跳闸的根本原因。基于目前的保护配置情况，除水面灯和水下灯以外的负荷，在接地故障电流达到照明变二次侧接地保护设定值且小于出线断路器磁脱扣电流值时，照明变二次侧接地保护将动作，发生越级跳闸。

1.3 解决越级跳闸的方法分析

图2 保护动作综合示意图[4]Fig.2 Time-current curves of protection tripping[4]

图3 两种接地保护示意图Fig.3 Schematic diagram of two types of ground protection

表1 改造前后的对比情况Table 1 Comparison before and after protection improvement

为了满足保护动作的选择性，减小故障影响范围，需使照明回路上下级保护形成良好的配合。目前，在照明变二次侧的整个回路，仅在二次侧中性点配置一处总的接地保护，作用于动作上级电源，结合最新国家标准《GB/T 13955-2017 剩余电流动作保护装置安装和运行》4.3 节的规定，低压供电系统中为了缩小发生人身电击和接地故障切断电源时引起的停电范围，RCD 应采用分级保护，形成由总保护、中级保护、末端保护组成的两级或三级保护[5]。由于末级负荷为多负荷共用零线的形式，且末级负荷数量庞大，在末级负荷增加接地保护的可行性较低。而在出线断路器配置接地保护，则大大减少工作量，更具经济性，同时满足减小故障影响范围的需求。通过在出线断路器配置接地保护，设置合理的动作电流和动作时间，与照明变二次侧接地保护相配合，可以形成总保护和中级保护的两级保护配合。

接地故障保护分为零序电流保护和剩余电流保护两种方式。

1）零序电流保护是通过三相相线或零线检测三相电流矢量和。三相电流矢量和在三相平衡时等于零，在三相不平衡时等于三相不平衡电流。故障时零序电流：I0=IA+IB+IC+Id=IN+Id（IN，三相不平衡电流；Id，接地故障电流）。

2）剩余电流保护是通过三相相线和零线检测三相电流和零线电流的矢量和。当线路没有故障时，无论三相电流是否平衡，剩余电流都为零。剩余电流故障时，剩余电流：I=IA+IB+IC+IN+Id=Id。

主照明盘提供的400V 三相正弦交流电，通过零线分三相，分别为不同负荷提供220V 单相交流电，零线上不平衡电流大，且部分照明回路接地故障的接地电流较小，如使用零序电流保护，可靠性将难以满足。因此，采取了在主照明盘每个出线断路器配置剩余电流保护的方法。

由于主照明盘出线断路器厂家没有与此型号断路器相配合的剩余电流保护及跳闸装置，故需更换可配置剩余电流保护功能的断路器。选用了配置RC222 型剩余电流脱扣器的四极断路器，为与照明变二次侧接地保护（300A，延时0.5s）及末级水面灯水下灯漏电保护（30mA，瞬跳）合理配合，出线断路器保护配置如下：

1）剩余电流保护整定值：500mA，延时0.3s。

2）瞬时短路保护整定值：I3 ＝4In=4×250A=1000A。

3） 反 时 限 过 载 保 护 整 定 值（ 启 动 值）：I1 ＝0.7In=0.7×250A=175A。

2 保护配置改进后设备运行状况

从2018 年9 月～2019 年7 月，先后完成了2#机组主照明盘保护的改进工作。从第1 个主照明盘（2#机组2#主照明盘）保护改进完成后至今（2020 年4 月），所有已完成改进的主照明盘未发生过越级跳闸，同一时间未改造的1#机组主照明盘上级电源出现过2 次跳闸故障。2#机组主照明盘保护改进完成后至今（2019 年7 月～2020 年4月），2#机组主照明盘出线断路器保护动作4 次，保护可靠性和灵敏性达到预期要求。

改造前后的对比情况见表1。

3 结论

保护改进后的主照明盘，增设了出线断路器剩余电流保护功能，保护配置合理，实现了出线断路器与末级断路器及上级小车断路器保护间的相互配合。现场运行效果良好，解决了原有主照明盘越级跳闸的问题，大大缩小了故障影响范围，增强了继电保护的可靠性、灵敏性与选择性。