从一起案例浅谈核电厂中压电气系统继电保护配合

陈计超

三门核电有限公司 浙江台州 317112

1 案例简介

某日某核电机组处于85%电功率运行。约凌晨06点，主控室出现2环路热段流量低报、ECS-EV-61-STRG1（VFD2B Control Status Feedback）、故 障 录 波 器 启 动、IDSB/D-DU/DT-1/2-TRBL、EDS2/4-DT/DT-1-TRBL等报警，IDS、EDS相关报警随后复归。2环路热段流量降至91.889%（任一热段流量4取2低于90%会触发反应堆停堆），主泵2B转速降至84.113%（4取2主泵转速低于91%会触发反应堆停堆），主泵2B电流从754A瞬降至0A后逐步回升，历经21秒恢复至之前水平，主泵2B变频器控制器由正常控制器A切换至冗余控制器B运行。主泵2B变频器就地设备HMI画面存在Alarm黄灯报警、Redun Loss红灯报警、B1Bypassed。机组经历瞬态后无人为干预，状态稳定，维持85%电功率运行。

2 背景介绍

该核电机组为压水堆类型，一回路反应堆冷却剂配置4台主泵，主泵额定输入线电压6.9kV，额定频率60Hz，接入10kV，50Hz厂用电中压母线[1]。由于两者电压和频率不匹配，在主泵启动、调速和全速连续运行时需要使用变频器。

主泵变频器为非核安全级设备，由变压器柜、运行控制盘柜、功率单元模块（IGBT）盘柜和冷却系统等构成，变频器控制器是控制柜的核心控制部分。主泵变频器控制器冗余配置，每台主泵变频器有A、B两套控制器，控制器A为主控制器，控制器B为备用控制器。三相每相各6个功率单元根据控制指令输出电压和频率，驱动主泵电机。通过先进的“中性点漂逸技术”实现N-2冗余，即使两个功率单元旁路，变频器亦能维持正常输出。

3 案例分析

事件直接原因是电厂配套设施10kV负荷开关因预维不当在分断工作电流过程中灭弧装置失效，发生三相弧光短路，引起上游10kV母线电压降低，该10kV母线（ES-6段）所带载主泵的变频器输入电压短时超限，触发主泵变频器控制器切换和功率单元旁路，产生主泵运行瞬态。

负荷开关的三相弧光短路产生接地电流，ES-6段工作进线断路器电流从约860A突变至约11000A，线电压从10.3kV突变至约7.1kV（降至初始水平的69%，相电压从5.9kV突变至4.1kV），持续时间278毫秒。ES-609间隔断路器保护装置记录（如图1所示）馈线电流，电流突变至10000A以上，可以判断故障电流来自ES-609间隔下游。ES-H08间隔断路器综保装置动作情况与之相符。

IDS/EDS报警原因是ES-6段母线电压降低，由于ES-2段与ES-6段工作电源同时取自厂变B的X绕组，ES-2段母线电压也连带降低，引起IDS/EDS调压变输出电压降低，逆变器检测出调压变输出电压降低的情形，逆变器主回路和旁路不同步，触发报警。

变频器输入电压下降至70%，变频器能连续运行。本事件中主泵变频器输入电压降低至66.3%额定电压，导致输出电流控制不稳定，输出转矩不能维持主泵转速，变频器进入失压穿越模式，关断有功输出，输入功率和输出功率均缓慢下降，二者偏差呈增大趋势，按照过损耗保护计算原理，触发过损耗保护动作，从工作控制器切换至备用控制器。

功率单元B1旁路原因为直流母线过电压“B1DC Bus Over Volt”，而导致直流母线过电压有两种可能。主泵变频器输入电压降低至66.3%额定电压，导致输出电流控制不稳定，输出转矩不能维持主泵转速，变频器进入失压穿越模式，为维持直流母线电压保证电机磁通具备电压恢复后重启条件，自动调节增大直流母线电压，此过程中可能导致功率单元直流母线过电压。或者，变频器停止输出后，主泵电机反送有功功率至主泵变频器功率单元，最大发送有功功率72.2kW，充电直流母线电容，可能导致直流母线过电压。

4 继电保护动作分析

该事件中，ES-H08间隔断路器过流一段保护正确动作，但是保护延时定值为0.2秒，加上断路器的固有分闸时间，使得故障在近280毫秒后切除，使ES-6段母线电压从10.3kV最低降至约7.1kV，进而对主泵变频器的运行产生影响。

ES-H08间隔下有多级负荷，为实现继电保护选择性，按照逐级配合原则整定，速断定值整定为0.2秒。多级负荷的整定配合使得该故障情况下保护动作时间较长，导致机组厂用电母线电压异常，超出主泵变频器设计基准。

ES-609间隔断路器速断保护延时0.6秒；ES-H08间隔断路器速断保护延时0.2秒，ES-H段进线断路器速断保护延时0.5秒，而同类中压馈线断路器速断保护延时典型为0.02秒或0.1秒[2]。以上保护配置情况可以保证下游故障保护动作的选择性，但在保护配合的速动性方面存在不足。

假想ES-609间隔至电厂配套设施ES-H段工作进线间隔之间的电气回路发生非接地短路，ES-609间隔断路器约680毫秒后方切除故障，对主泵和机组的影响将更显著。对于电厂配套设施非重要负荷，建议考虑适当牺牲选择性，提高保护动作速度以便故障快速切除[3]。

5 结语

综上所述，电厂配套设施接入生产电气系统时，对继电保护的配合有所考虑，但对电厂配套设施潜在故障情况引起厂用中压母线电压降低的分析存在不足。设计方出具的系统计算书分析了各种电气故障，但后期没有针对电厂配套设施接入厂用中压母线，对计算书进行升版。设计、运行阶段尤其需要关注潜在故障对关键敏感设备运行的影响，在继电保护配置方面要有所侧重，必要时适当地牺牲部分选择性，来保障机组安全运行。