核电站500 kV断路器跳闸原因分析及处理措施

朱兴文

(华能山东石岛湾核电有限公司,山东 荣成 264312)



核电站500 kV断路器跳闸原因分析及处理措施

朱兴文

(华能山东石岛湾核电有限公司,山东 荣成 264312)

介绍了国内某核电站500 kV开关站断路器控制直流系统发生一点接地,断路器发生无故障跳闸过程。通过深入分析发现,由于控制电缆过长,对地电容较大,加之跳闸继电器动作电压及功率较低,在发生直流正极一点接地时,易导致断路器误跳。因此为避免今后再度发生此类故障,提出应从缩短直流控制电缆的长度和提高出口继电器动作电压及功率两个方面考虑采取相应解决措施。

500 kV断路器;直流系统;一点接地;跳闸;电容

1　事故经过

某核电站500 kV开关站,调试人员在对网络设备A屏进行光纤熔接检查时,突然听到开关跳闸的声音,经告知运行人员对现场初步检查及核实,确认为5022开关跳闸,且现场运行人员无任何操作、继电保护未动作、现场无任何试验、系统无故障。那么是何原因造成的跳闸呢?对此,本文将阐述该核电站500 kV断路器跳闸的发生经过,分析查找其原因,并给出处理措施。

2　事故原因调查

2.1断路器保护装置检查

对跳闸断路器操作箱进行检查,发现跳位A、跳位B、跳位C灯亮,而跳A、跳B、跳C灯均没亮。根据断路器保护屏操作箱原理可知：在保护跳闸时,跳位A、B、C和跳A、B、C灯均亮；在手动跳闸时,仅有跳位A、B、C灯亮,而跳A、B、C灯不亮。

对5022断路器保护装置进行检查,发现5022断路器保护装置无保护动作信号,查看保护装置事件报告,仅有5022开关变位信号,无其他报警信号。

对5022断路器相关保护进行检查,如第二串线路T区保护、2号机组T 区保护、2号线线路保护、2号机发变组保护,发现相关保护均未启动,无任何报警信号。

2.2故障录波装置检查

对故障录波装置进行检查,发现仅有5022断路器变位信号,无任何保护动作信号,并且5022断路器跳闸前后,线路电压及电流无任何扰动,线路运行良好。

2.3NCS监控后台检查

对NCS监控后台监控记录进行检查,发现仅有5022断路器跳闸信号及开关变位信号,无其他报警信号。

2.45022断路器本体检查

对5022断路器本体及汇控柜进行检查,发现5022断路器本体及汇控柜运行正常,非全相继电器未动作,SF6气体压力、断路器油压正常,无任何异常报警出现。

2.55022断路器控制直流系统检查

对5022断路器控制直流系统进行检查,发现直流系统在5022断路器跳闸同时,发出正母线绝缘低报警,绝缘电阻为0 Ω,接地持续时间为1 s。由于直流系统未采用GPS对时,经现场核实与500 kV监控系统时间相差7 s。

3　事故原因分析

根据上述调查结果,初步判断5022断路器跳闸的原因是其控制直流系统接地导致手动跳闸继电器动作,从而引起5022断路器误跳闸。随后,对5022断路器手动跳闸回路进行了进一步检查分析。

3.1跳闸回路绝缘检查

直流系统是通过绝缘监察装置接地的,正负极不允许接地[1]。直流系统绝缘监察原理如图1所示。

KXJ—绝缘监察继电器;R1、R2—直流电源绝缘监察装置的电阻;R+、R-—正、负极对地绝缘电阻。

图1直流系统绝缘监察原理图

Fig.1Insulation monitoring principle diagram of DC system

正常运行时,直流系统绝缘良好,单一的直流耦合在跳闸继电器中分压很小,不足以使跳闸回路误跳闸,跳闸继电器1ZJ的电压如图2所示。

图2　跳闸继电器驱动电压U1

当绝缘降低时,正极对地绝缘电阻R+会下降很多,跳闸继电器1ZJ的分压逐渐增大。如果绝缘完全损坏,即R+=0,此时跳闸继电器1ZJ两端的直流分压U1最大,超过跳闸继电器1ZJ的动作电压值,导致跳闸继电器1ZJ动作,从而引起断路器跳闸[2]。

5022开关的手动跳闸回路有DCS远方跳闸和紧急停堆盘ECP跳闸,对其跳闸回路绝缘进行检查,回路绝缘电阻均大于800 MΩ,排除由于跳闸回路绝缘不良导致控制直流系统接地。

3.2交直流混接检查

500 kV开关站使用的控制电缆较长,存在一定的分布电容[3]。当绝缘良好时,直流回路一般不会受到影响,但当交流量进入直流回路时,直流回路中分布电容就会形成回路能够让交流量流过,即对分布电容C进行充放电[4],如图3所示。

图3　跳闸等效原理图

直流跳闸回路的二极管将对此交流量进行半波整流,变成脉动电压U2,如图4所示。

图4　跳闸继电器驱动电压U2

交流电压对分布电容C的充放电过程将使脉动电压趋于连续的电压,此时跳闸继电器1ZJ的电压为

U1ZJ=U1+U2

跳闸继电器1ZJ的电压U1ZJ相当于在继电器两端加入交流量与直流电压迭加,迭加电压波形如图5所示。当迭加电压达到继电器动作电压时,继电器便可动作。

图5　跳闸继电器驱动电压U1ZJ

对跳闸回路进行测量得知,直流电压为115.6 V,交流电压为0.025 V,因此排除了由于交直流混接而导致的跳闸继电器动作。

3.3跳闸继电器动作电压及功率检查

在排除由绝缘低及交直流混接导致跳闸继电器动作之后,对中间跳闸继电器动作电压及功率进行了测量,其中STJ动作电压为70 V,KKJ合闸和分闸动作电压均为68 V,符合标准要求,但1ZJ跳闸继电器动作电压为63 V,继电器约为1.2 W,不满足《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》中“15.7.8 所有涉及直接跳闸的重要回路应采用动作电压在额定直流电源电压的55%～70%范围以内的中间继电器,并要求其动作功率不低于5W”的规定。

3.4模拟直流接地

模拟5022断路器的直流接地故障,分别模拟5022断路器控制回路就地侧正接地、DCS侧直流正接地、ECP侧直流正接地各3次,模拟接地故障时间为3 s,并对跳闸继电器1ZJ两端电压进行录波,如图6所示。

图6　模拟直流接地录波图

从图6可以看出,在进行直流接地时,跳闸继电器1ZJ两端电压差最高达到59 V,如果此时有其他干扰串入,极有可能造成跳闸继电器动作,从而导致5022断路器跳闸。

4　理论分析

该核电站的500 kV开关站采用3/2接线,此次偷跳的5022断路器为3/2接线串的中间断路器。通过调查近年来500 kV开关站断路器偷跳事故,发现偷跳的开关绝大多数是双母线接线的母联开关或3/2接线串中的中间开关,此类开关的回路数比其他开关多,启动跳闸的电缆较长,存在着一定的分布电容,且电缆越长,分布电容就越大。一旦发生直流回路一点接地,就会使分布电容放电,在直流操作回路中形成干扰[5]。5022断路器跳闸回路如图7所示。

1ZJ—手跳继电器；101、102—直流电源的正极与负极；C1、C2、C3—直流正极、长电缆芯线、直流负极对地电容。

图75022断路器跳闸回路

Fig.75022 breaker trip circuit

正常情况下,图7触点3为多个跳闸回路的汇聚点,除启动跳3/2接线串中间开关的保护、线路保护、发变组保护回路外,还有较长的DCS和ECP跳闸回路,从而导致接入跳闸继电器的电缆较多且较长,使触点3对地电容很大。

当发生直流回路接地时,图7的等效电路如图8所示。

R1—控制回路正极对地电阻；R2—长电缆对地电阻；R3—直流电源内阻；R4—控制回路负极对地电阻；R1ZJ—手跳继电器内阻；C1—控制回路正极对地电容；C2—长电缆对地电容；C3—控制回路负极对地电容。

图85022断路器跳闸回路等效电路

Fig.8Equivalent circuit of 5022 breaker trip circuit

在正常运行时,U1=U2=58 V,U3=U4=-58 V,手跳继电器1ZJ两端电压U1ZJ=0 V;在正极接地稳定后,U1=U2=0 V,U3=U4=-116 V,手跳继电器1ZJ两端电压U1ZJ=0 V。由于正、负极对地电容、长电路对地电容的影响,因此在过渡过程中,相当于一阶电路全响应状态。

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)

直流一点接地造成断路器误动的原因是手跳继电器1ZJ两端电压衰减不一致,导致U1ZJ达到动作值。由于R1ZJ≫R1、R2、R3,则C2通过R1ZJ、R3向接地点放电的速度小于C3通过R3向接地点放电速度,即U3比U4衰减慢,因此电缆越长,C2越大,继电器动作功率越低,R1ZJ电阻越大,U1ZJ出现最大值电压越高,维持时间越长,继电器越容易误动[6]。

5　处理措施

通过上述分析和试验,最终判定为DCS和ECP跳闸回路线路较长(长约750 m),存有较大对地电容C1、C2(见图7),在发生直流一点接地时,由于对地分布电容形成回路,加之跳闸继电器1ZJ动作电压及功率较低,因此会引起5022断路器误跳闸。

为防止此类事件的再次发生,针对上述问题采取了如下措施进行处理。

1) 进行跳闸回路改造,即在跳闸回路中加入大功率中间继电器,满足《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》的相关规定。

2) 由于2号机DCS侧处于安装阶段,交叉作业严重,极易产生直流接地故障,为防止在改造过程中再有类似事件重发,且现阶段DCS和ECP跳闸功能暂不需要,因此临时将DCS及ECP跳闸线拆除。

3) 采用光缆代替电缆传递跳闸信号,如图9所示。

图9　采用光缆替代电缆

采用光缆代替电缆,将跳闸电信号转换为光信号,以光信号的形式传递到开关站后,再经光电转换装置换成电信号,以驱动直流跳闸回路,这种方式克服了长电缆分布电容的影响,当然也就不存在分布电容的放电问题,只是需要增加一对电/光和光/电转换装置。

6　结　语

针对某核电站500 kV开关站5022开关误跳事件进行了详细的分析,认为其直接原因是直流控制

回路中电缆的分布电容过大。当发生直流回路一点接地时,分布电容对跳闸出口元件放电,又因跳闸继电器动作电压及功率较低,所以引起断路器偷跳。对此,本文给出了相应防范措施,即从缩短直流控制电缆的长度和提高出口继电器动作电压及功率两个方面考虑,对于控制电缆过长的情况,采用光缆代替电缆,可达到防止误动目的。

[1] 王坚敏.直流回路一点接地引起保护误动的实例分析[J].继电器,2003,31(增刊):65-68.

WANG Jianmin. Analysis of incorrect-operation of protection caused by one-point earth-fault on direct current circuit[J]. Replay, 2003,31(Supplement):65-68.

[2] 李鹤峰.直流系统接地的原因及处理[J].黑龙江电力,2009,31(4):287-288.

LI Hefeng. Cause analysis and countermeasures of dc system grounding[J]. Heilongjiang Electric Power, 2009,31(4):287-288.

[3] 阳细斌.新型基波在直流接地故障检测中的应用[J].黑龙江电力,2010,32(1):38-41.

YANG Xibin. Application of the wavelet transform in the DC system ground fault detection[J]. Heilongjiang Electric Power, 2010,32(1):38-41.

[4] 杜建华,王长水.控制电缆分布电容对控制回路的影响分析及处理[J].自动化技术与应用,2010,29(9):120-122.

DU Jianhua, WANG Changshui. Effect analysis and processing of the distributed capacitance for control cable on control loop[J]. Techniques of automation and applications, 2010,29(9):120-122.

[5] 汤磊,高厚磊,苏文博,等.杂散电容对二次回路的影响及防范措施[J].电力系统保护与控制,2010,38(22):206-209.

TANG Lei, GAO Houlei, SU Wenbo, et al. Influence of stray capacitance on secondary circuit and its countermeasures[J]. Power System Protection and Control, 2010,38(22):206-209.

[6] 李钢,刘平,孙集伟,等.变电站及电厂直流系统二次回路干扰分析[J].华北电力技术,2007(9):37-39.

LI Gang, LIU Ping, SUN Jiwei, et al. Analysis of secondary circuit interference of DC system in substation and power plant[J]. North China Electric Power, 2007(9):37-39.

(责任编辑侯世春)

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。

朱兴文(1986—),男,助理工程师,从事核电厂电气调试工作。

TM561

A

2095-6843(2016)03-0230-04