核电厂发电机变压器组继电保护装置的应用

朱 伟

（江苏核电有限公司，江苏 连云港 222042）

核电厂发电机变压器组继电保护装置的应用

朱 伟

（江苏核电有限公司，江苏 连云港 222042）

田湾核电站俄供发电机变压器组（简称发变组）继电保护装置在运行过程中多次发生误动，为了提高发变组继电保护装置的可靠性，电站对俄供装置进行了改造，将国产发变组继电保护装置首次应用于百万千瓦级核电机组。文章还总结了田湾核电站国产发变组继电保护装置的技术特点、研发创新及运行情况，为后续扩建工程或同类大型核电机组改造提供借鉴经验。

核电厂；继电保护装置；应用；创新

发电机变压器组（简称发变组）保护是核电厂重要的系统之一，该系统可保证发电机、变压器等主设备安全可靠运行，并且在发生异常运行或故障时，能及时发出报警或者快速切除故障，避免故障范围扩大，尽量减少由故障引起的损失。该系统的可靠稳定运行是核电厂安全生产的重要保障。田湾核电站原来配套安装的俄供发变组继电保护装置由传统的电磁型或整流型元件构成，固有动作时间长，可靠性低，许多方面不能满足我国电力系统现行规定的要求。如保护配置不完整、不满足双重化的要求。另外，该装置曾在运行过程中发生过数次误动，影响了机组的安全稳定运行。

为了提高发变组继电保护装置的可靠性，田湾核电站分别于T203、T104大修期间对原俄供装置进行了改造。改造采用了国产南瑞RCS985系列微机发变组成套保护装置，同时结合田湾核电站机组特点进行多处创新。这是国产发变组继电保护装置首次应用于我国百万千瓦级核电机组，具有很强的示范作用。

文章主要对田湾核电站发变组继电保护装置的特点和改造实施过程中的技术创新进行了介绍，为后续扩建工程或同类大型核电机组改造积累经验。

1 田湾核电站发变组的特点及其对保护的要求

田湾核电站采用的发电机在结构上为双Y型绕组，有两个中性点引出端，可以在两个中性点引出端之间安装电流互感器（简称CT），而其他火电机组中性点一般只引出3个端子。此特点为实现高灵敏横差保护以及裂相横差保护创造了条件，可以很好地保护发电机定子绕组匝间故障，对反映定子绕组分支开焊也具有比较好的效果。

在电流互感器配置上，发电机CT准确精度基本上为5P级或10P级，容易出现饱和，导致保护不正确动作。我们要求保护装置能够识别CT饱和，明确判断出区内故障还是区外故障。

发电机容量设计裕度较大，其出力有时能超出额定容量运行较长时间。此外，发电机出口断路器无法切除大电流，在主变压器（简称主变）发生内部故障时，机组保护动作跳开主变高压侧开关和灭磁开关，但由于转子电流不能突变，需要逐渐衰减，发电机仍然会向故障点提供电流，无法快速切除故障。

2 田湾核电站发变组继电保护装置的技术特点和研发创新

田湾核电站发变组继电保护装置因核岛方面的特殊性，设计上更强调运行的安全、稳定和可靠性。参考国内外大型核电机组的保护配置情况，田湾核电站机组在保护功能配置上与常规火电机组差别不大，主要区别在于保护的出口和信号接点组数多、逻辑需要特殊要求，如工艺保护跳闸、励磁系统联锁、厂用电源切换等。此外，机组主设备（如反应堆、汽轮机、发电机）的某些工况需闭锁、启动、联锁继电保护，这些都需要充分考虑。

借鉴原有成熟的出口逻辑，此次改造在原有保护功能和保护逻辑基础上进行了完善，如采用主、后备保护完全双重化，补充缺少的失步保护、误上电保护、断路器闪络保护、启/停机保护等。田湾核电站与南瑞继保工程技术人员在RCS985装置的通用功能基础上，进行了多项技术研发创新，分别是：

（1）设置大电流闭锁选跳发电机出口断路器

田湾核电站发电机出口断路器（简称GCB）的开断容量为160 kA，根据短路计算，最大运行方式下，在发电机出口发生三相金属性短路故障时，流过GCB的最大短路电流将超过其开断电流，GCB不能安全可靠地切断故障电流，因此需要增加开关大电流闭锁选跳功能，保证开关能安全可靠地动作，并切除故障。

如果发变组保护范围内发生故障，保护动作于跳GCB时，而GCB的开断容量不够，则必须闭锁跳GCB的接点。在其他相邻断路器、灭磁开关等跳开后，GCB中流过的故障电流减小到低于其开断电流后，解除对跳闸接点的闭锁，完成GCB的跳闸过程。

在保护装置发出跳GCB开关的命令时，跳GCB的输出接点增加小延时（20 ms），如判别出GCB大电流闭锁元件未动作，则直接跳开GCB；如判别出GCB大电流闭锁元件动作，由保护装置本身根据大电流选跳跳闸控制字，选跳其他断路器等出口，待电流降低到允许值后再完成GCB的跳闸。其中，大电流闭锁逻辑只与断路器相关，和保护功能无关。即无论哪种类型的保护动作于跳GCB时，均需判断GCB流过的短路电流的大小是否在GCB允许的开断能力范围内，如在其能力范围内则动作于跳GCB，否则动作于选跳其他相邻开关。该功能可由“大电流闭锁选跳投入”控制字投退。

图1 大电流闭锁选跳故障录波图Fig.1 Fault recorder waves of high-current locking and selected jump

图1 为南瑞RCS985发变组继电保护装置在动模试验室进行模拟发电机A—B相间故障（经过渡电阻，100 ms切除）时的故障录波图。可见，7 ms时刻发电机差动保护出口跳GCB和出口1、出口2，机端开关电流大于GCB开断容量，10 ms时刻大电流闭锁选跳，闭锁跳GCB的接点，待电流降低到允许值后，于73 ms时再动作于跳GCB，证明了大电流闭锁逻辑正确、有效。

（2）设置3种状态下的发电机过电压保护

根据核电厂电气系统特点和核岛运行特点要求，田湾核电站发电机过电压保护与常规机组保护不同。过电压保护需分3种状态，分别为并网过电压保护、孤岛过电压保护和空载过电压保护，分别经不同的整定延时动作于不同的出口。另外，为了防止在突然甩负荷后机端电压的短时升高导致过电压保护误动，需延时投入空载孤岛过电压保护，延时设定为3 s。其中：

1）并网运行条件为出口断路器合位、主变高压侧套管CT有一定电流。

2）孤岛运行条件为500 kV系统解列，即主变套管无流，出口断路器合位，发电机带高厂变孤岛运行。

3）空载运行条件为发电机出口断路器处于分位且机端没有电流。

4）设置高厂变分支功率方向闭锁。

核电机组特别强调其厂用电源的安全可靠，因为所有与核岛相关的工艺负荷均接在厂用系统内，一旦厂用系统故障，可能导致核岛停堆，严重影响核安全。

为防止500 kV侧发生短路故障时，因6 kV侧的电动机反馈电流而使高厂变分支过电流保护误动，需要增设高厂变分支功率方向判据及出口，作为6 kV进线开关过电流保护闭锁判据。

保护装置接入高厂变低压分支电压和低压分支电流。通过计算对应的低压分支电压和电流间相角，得出其功率方向。

2010年6月18日2时7分1秒6毫秒到60毫秒，田湾核电站发变组继电保护装置多次发出“A1分支功率方向输出”、“A2分支功率方向输出”、“B1分支功率方向输出”信号，之后恢复正常。

查询该时段所有操作记录和保护动作记录，发现该时刻在核电厂出线近端发生了一次线路故障，并很快切除，导致厂变分支功率方向输出短时动作。

根据定值整定情况，功率方向闭锁动作的边界角度为135°～45°。故障时刻高厂变分支相间电压和分支相电流的角度从210°突变到118°，处于动作区，之后恢复到210°附近。该故障录波数据分析有力地证明了保护设置高厂变分支功率方向闭锁功能的正确性，如图2所示。

图2 厂变分支功率方向分析图Fig.2 Analysis of the branch power direction of the service transformer

3 RCS985系列保护装置的关键技术创新

3.1 变斜率比率差动和工频变化量差动

对于大容量的核电机组，当突然短路时,电流存在非周期电流衰减分量，影响电流互感器的正确传变，所以要求差动保护在一定灵敏度的情况下不丧失可靠性。常规的两折线、三折线比率差动、采样值差动等由于原理本身限制已不可能有太大突破，RCS985保护装置应用变斜率稳态比率差动和工频变化量比率差动的原理，具有很好的特性。

变斜率比率差动不设拐点，一开始就带制动特性；合理整定定值，在区内故障时，保证最大的灵敏度；在区外故障时，可以躲过暂态不平衡电流。变斜率比率差动和常规比率差动动作特性比较如图3所示。

由图3可见，和常规比率差动相比，变斜率比率差动的制动曲线能够很好地与CT不平衡电流曲线配合，差动的起始定值降低了，动作区域上多了两块灵敏动作区，少了一块易误动区。

对于大型发电机组，在重负荷情况下如果发生内部轻微故障，常规稳态差动由于制动电流和负荷电流成正比较大、而动作电流较小无法进入动作区，工频变化量比率差动保护可以很好地解决这个问题。工频变化量比率差动保护完全反映差动电流及制动电流的变化量，不受正常运行时负荷电流的影响，可以灵敏地检测出变压器、发电机在重负荷情况下的内部轻微故障。同时，工频变化量比率差动的制动系数设置较高，其耐受CT饱和的能力较强。

3.2 高灵敏匝间短路故障保护

定子绕组中性点只能引出一端的机组，匝间保护只能采用纵向零序电压保护。常规的负序功率方向闭锁的纵向零序电压保护、基于3次谐波闭锁的匝间保护在整定时必须按照各种情况下的最大的不平衡零序电压来整定，而RCS985保护装置采用电流比率制动和浮动门槛相结合的纵向零序电压匝间保护，只需躲过正常运行时的不平衡零序电压即可。其原理在于：外部三相故障时，故障电流增加很大，而纵向零序电压增加较少，取电流增加量作制动量，保护能可靠制动；外部不对称故障时，电流增加，同时出现负序电流，而纵向零序电压稍有增加，取电流增加量及负序电流作制动量，保护能可靠制动；定子绕组轻微匝间故障时，纵向零序电压增加较大，而电流几乎没有变化，保护有很高的动作灵敏度；对于其他正常运行情况下，纵向零序电压不平衡值的增大，纵向零序电压保护动作门槛值自动随之浮动。

图3 变斜率比率差动和常规比率差动动作特性比较Fig.3 Comparison of the behavior characteristics between variable slope and conventional ratio differential

对于定子绕组中性点可引出两个端子的发电机，可配置电流比率制动原理的高灵敏横差保护或变斜率比率制动特性的裂相横差保护，灵敏检测定子绕组匝间故障。

3.3 CT饱和“异步法”判别技术

CT饱和问题是主设备保护面临的共同问题。大容量机组保护由于定子回路时间常数增大，故障电流非周期分量衰减时间长，更易引起差动保护各侧CT传变暂态不一致或饱和。判断CT饱和的方法很多，如采用附加额外的电路来检测CT饱和、改进时差法的CT饱和检测、基于采样值的CT饱和检测等。现场应用较好的是异步法CT饱和判据，RCS985保护装置也采用此方法。

通过理论分析和实验得知，CT在暂态饱和时，谐波含量主要为二次谐波，波形明显不对称；稳态饱和时，谐波含量主要为三次谐波，因此利用电流谐波和波形来判断CT饱和。异步法CT饱和判据其关键在于用“异步法”判别区内、外故障。区外故障时，差动电流的出现滞后于制动电流的上升，投入CT饱和判别元件，CT饱和保护不会误动；区内故障时，两者几乎同步出现，不投入CT饱和判别元件，使区内故障CT饱和时保护仍能快速动作。

3.4 高性能硬件平台

（1）双CPU系统体系结构

RCS985系列保护装置包含两个独立的CPU系统，“与门”出口方式，两个CPU系统的低通、AD采样、保护计算、逻辑输出完全独立，CPU2系统作用于启动继电器，CPU1系统作用于跳闸矩阵。两个CPU板的启动元件必须完全一致，保护才会动作出口，任何CPU板故障，装置闭锁并报警，杜绝硬件故障引起的误动。硬件结构图如图4所示。

（2）高速24点采样、实时并行计算

在每个采样间隔内对所有继电器（主保护、后备保护、异常运行保护）进行并行实时计算，使得装置具有很高的可靠性和动作速度。

（3）强电磁兼容性

整体面板、全封闭机箱，强弱电严格分开，取消传统背板配线方式，同时软件设计上采取相应的抗干扰措施，抗干扰能力大大提高，对外电磁辐射也满足相关标准。

4 田湾核电站国产发变组继电保护装置运行情况

田湾核电站国产RCS985系列发变组继电保护装置投运试验，经受了核电项目“零缺陷”的严格考验。

图4 RCS985系列装置硬件结构图Fig.4 Hardware structure of RCS985 series devices

两台机组新保护装置安装调试后，分别经历了3次主变空充试验。通过装置录波数据分析，确认了主变分侧差动的极性正确。发电机并网前进行了发电机短路升流试验、空载零启升压试验、手动励磁试验、自动励磁试验、同期并网试验等项目，验证了发电机差动、主变差动、高厂变差动极性正确，差流正常，电压回路极性和相序正确，功率和频率测量正常。整个试验进程中，保护装置无任何缺陷出现。其中1号机组在进口励磁系统失电的情况下正确动作，联跳发电机。两台机组全部试验项目结束后，均顺利并网发电，并带满负荷功率运行。

从改造后正式并网发电以来，国产发变组保护装置在田湾核电站运行状态良好，无任何异常情况。

5 结束语

田湾核电站国产发变组继电保护装置技术方案、功能配置完善，原理先进，且充分考虑了田湾核电站的特殊要求，能够保证核电机组的安全可靠运行。改造成功创造了业内纪录：国产发变组继电保护装置首次用于百万千瓦级核电机组，为国产保护装置在这一领域的广泛应用积累了宝贵的技术和工程经验，具有很强的示范作用，这必将推动加快我国核电装备国产化的步伐。

[1] 防止电力生产重大事故的二十五项重点要求—继电保护实施细则[R]. 国家电力公司，2000.（Twenty-five important requirements for preventing severe accidents in power generation——Detailed relay protection implementation guidelines[R]. State Power Corporation, 2000.）

[2] 国家电网公司十八项电网重大反事故措施（试行）—继电保护专业重点实施要求[M]. 北京：中国电力出版社，2006.（Eighteen important power grid accident prevention measures of the State Grid Corporation of China (trial)——Important relay protection implementation requirements[M]. Beijing:China Electric Power Press, 2006.）

Application and Technical Innovation of Domestic Relay Protection Device for Nuclear Power Plant Transformer

ZHU Wei
(Jiangsu Nuclear Power Corporation, Lianyungang of Jiangsu Prov. 222042, China)

Relay protection device of nuclear power plant transformer provided by Russia to Tianwan Nuclear Power Plant had mal-operated in service. In order to raise its operational reliability, Tianwan NPP modif i ed the Russian device, and put domestic device into practice. The paper sums up the technology feature, R&D innovation and the operational condition of domestic relay protection device. Some feedback and experience can be learned for the follow-up expansion project or similar units.

nuclear power plant；relay protection device；application；innovation

TM623Article character：A

1674-1617(2013)03-0197-06

TM623

A

1674-1617(2013)03-0197-06

2013-04-27

朱 伟（1979—），男，江苏扬州人，工程师，工学学士，从事核电厂继电保护专业的调试、维护工作。