核电站低压厂用变压器零序保护的分析与改进

宋鹏飞,冯庆冬

(中广核工程有限公司设计院,广东 深圳 518172)

核电站低压厂用变压器零序保护的分析与改进

宋鹏飞,冯庆冬

(中广核工程有限公司设计院,广东 深圳 518172)

核电站低压厂用变压器中性点零序保护采用“定时限”设计,多次出现因低压负荷回路发生单相接地故障引起的低压厂用变压器零序保护越级动作事件。梳理低压厂用变压器零序保护整定原则和分析上下级差保护配合要求,提出低压厂用变压器零序保护采用“定时限＋反时限”两段式保护改进方案,经过保护校验和现场验证,改进方案可在核电站应用和推广。

低压厂用变压器;零序保护;定时限;反时限

核电站低压厂用变压器作为核电站厂用电系统关键电气设备,主要为厂用低压380 V/220 V负荷提供电源。低压厂用变压器单相接地故障保护可以利用高压侧的三相过流保护,也可以利用低压侧中性点装设专用零序保护实现。

核电站低压厂用变压器的零序保护采用变压器低压侧中性点装设专用的零序保护,国内外核电工程中发生多起因低压负荷回路故障导致低压变压器零序保护动作越级跳闸事件。低压厂用变压器零序保护与下级低压负荷回路保护存在级差配合的问题,需对核电站低压厂用变压器中性点零序保护进行深入分析和改进。

1 问题与现状

1.1 典型事件

2009年2月法国CHOOZ核电站2号机组发生因加热器(2DVC105RS)绝缘故障,加热器低压回路保护未动作,造成低压厂用变压器中性点零序保护越级动作跳闸,导致低压配电盘(2LLA001TB)全盘失电。2013年6月国内某核电站水泵电机(4SEK004MO)发生接地故障,低压负荷回路保护未及时动作,低压厂用变压器零序保护越级跳闸,导致低压厂用配电盘(4LKT001TB)全盘断电。2014年2月在国内另一核电站发生因电加热器(9DVN017S)烧熔,低压负荷回路保护未动作,低压厂用变压器零序保护越级跳闸,导致低压配电盘(1LLC001TB)全盘断电。

国内外多个核电站发生多起事件,均因低压负荷回路发生单相接地故障,其低压保护未及时动作,越级至低压厂用变压器零序保护动作,断开变压器6.6 k V侧中压接触器,造成整列低压配电盘失电。国内外核电站典型越级跳闸事件说明低压厂用变压器零序保护设计存在一定的设计缺陷和改进空间。

1.2 设计现状

核电站低压系统为中性点直接接地系统,低压厂用变压器中性点均设置有专用的零序保护装置,用于保护低压厂用变压器单相接地故障。一旦保护动作,触发变压器6.6 k V侧中压接触器断开。以往核电站低压厂用变压器中性点零序保护采用定时限特性设计,以630 k VA低压厂用变压器为例,中性点零序保护整定值为440 A,动作延时设定为1 s。

核电站低压厂用电系统设计中,低压负荷回路设置专用接地故障保护时,因低压负荷回路接地故障保护比较灵敏,能够满足与低压厂用变压器零序保护的级差配合要求。电动机回路额定功率大于等于55 k W时配置专用的接地故障保护;电加热器回路额定电流大于100 A时配置专用的接地故障保护。国内外核电站典型越级跳闸事件中发生故障的低压负荷回路均是未配置专用接地故障保护的回路。

1.3 保护配合

核电站低压厂用电系统设计中,未配置专用接地故障保护的最大电动机功率为45 k W。故以630 k VA低压厂用变压器零序保护与45 k W电动机回路的熔断器和热继电器保护配合(见图1)为例,进行以下分析。

图1 变压器及电动机回路保护配置Fig．1 The protection devices of the transformer and the motor feeder

原先设计的低压厂用变压器零序保护采用定时限特性,其与45 k W电动机熔断器和热继电器级差配合曲线(见图2)。当故障电流值小于850 A时,由热继电器控制接触器断开该回路。当故障电流值大于等于850 A时,则由熔断器在相应时间内熔断隔离故障。630 k VA低压厂用变压器零序故障电流达到440 A后,延时1 s触发上级6.6 k V接触器动作断开变压器进线电源。

从图2配合曲线中可以看出,45 k W电动机回路发生单相接地故障时,当电流值小于440 A时,低压厂用变压器零序保护不动作;当故障电流值大于1 200 A时,熔断器则要先于变压器零序保护动作;当故障电流值在440～850 A之间时,低压厂用变压器零序保护先于热继电器动作,发生越级跳闸。当故障电流值在850～1 200 A之间时,低压厂用变压器零序保护先于熔断器和热继电器动作,也会导致越级跳闸。

图2 定时限保护配合曲线Fig.2 The coordination curve of definite time protection

综上分析,当低压回路故障电流值在440～1 200 A之间时,低压厂用变压器零序保护与低压回路的熔断器和热继电器级差配合无法满足要求,低压厂用变压器零序保护会越级动作,这是国内外核电站越级跳闸的根本原因。

2 零序保护设计

2.1 保护整定原则

核电站低压厂用变压器采用中性点零序保护设计,低压电动机、电动阀和电加热器采用“熔断器-接触器-热继电器”回路配置,其低压厂用变压器零序保护整定原则需满足作为用电负荷的后备保护和上下级差配合要求。

(1)保护装置动作电流值必须大于等于正常运行时PEN线上流过的最大三相不平衡电流、谐波电流、正常泄露电流之和,并在发生接地故障时可靠动作。

式中:Iop0——厂用变压器零序保护整定值;

IPEN——PEN线最大三相不平衡电流。

(2)当变压器低压侧或低压盘母线上发生单相接地故障时,短路灵敏度系数大于等于1.5。

式中:Id——变压器低压侧或低压盘单相接地故障电流。

(3)变压器零序保护动作电流应与带专用接地故障保护低压回路的接地故障保护相配合。

式中:I0max——带专用接地故障保护低压回路的接地故障保护整定最大值。

(4)不带专用接地故障保护回路,熔断器或断路器作为短路保护元器件,兼做接地保护元器件。为与变压器零序保护开展级差配合,需要满足当低压负荷回路发生单相接地故障时,变压器零序保护时间比低压负荷回路动作时间长Δt。

式中:top0——厂用变压器零序保护动作时间;

t0max——低压负荷回路熔断器或热继电器动作时间最大值;

Δt——保护级差时间,一般取0.1～0.5 s。

2.2 继电器功能

核电站低压变压器中性点零序保护采用通用的过流及接地保护继电器。以发生越级跳闸故障的国内某一核电站为例,低压厂用变压器零序保护继电器采用的是某供货商生产的通用过流及接地保护继电器SPAJ142C。该继电器的零序电流元件SPCJ4D29模块包括两段零序保护,即Ⅰ段零序过电流保护(I0Ⅰ)和Ⅱ段零序过电流保护(I0Ⅱ)。

1)Ⅰ段零序过电流保护(I0Ⅰ),电流整定值范围为(0.1～10.0)IN或∞,Ⅰ段零序过电流保护动作时间(t0Ⅰ)范围为0.05～300 s。

2)Ⅱ段零序过电流保护(I0Ⅱ),电流整定范围为(0.1～0.8)IN。动作方式分为定时限和反时限两种特性。定时限动作特性的动作时间(t0Ⅱ)范围为0.05 s～300 s;反时限动作特性又包括甚反时限,极反时限,正常反时限和长反时限四种特性。

四种标准的反时限特性曲线,时间和电流的关系按照IEC 60255-3《继电器 第3部分:非固定时限或固定时限的单输入激励量的量度继电器》推荐的反时限曲线特性,通用表达式为:

式中:t——反时限保护动作时间,s;

K——反时限保护时间系数,取值范围为0.05～1.0;

I0——零序过电流故障电流值,A;

α——反时限特性曲线常数值;

β——反时限特性曲线常数值。

根据电气回路配合要求,选用不同的常数α和β(见表1),选取相应的反时限特性曲线作为低压厂用变压器Ⅱ段零序过电流保护。

表1 反时限特性曲线的常数选择Table 1 Constant of inverse time characterizing curve

3 设计改进

以往的核电站低压厂用变压器中性点零序保护采用定时限特性设计,保护配合的分析结果说明厂用电系统在一定故障电流范围内保护级差配合无法实现,存在越级跳闸风险,对零序保护设计改进显得十分必要。

3.1 改进依据

低压厂用变压器中性点零序保护主要有两方面的功能。一是作为低压厂用变压器和低压配电盘发生单相接地短路故障的主保护,二是作为低压负荷回路发生单相接地故障的后备保护。

对于低压侧中性点直接接地的变压器,低压侧单相接地短路故障应在变压器低压侧中性点上装设零序过电流保护[1]。为了与低压负荷回路的熔断器和热继电器特性相配合,保护装置可由反时限电流继电器组成。低压厂用变压器中性点Ⅰ段零序过电流保护整定值一般大于或接近变压器低压侧额定电流,当厂用变压器经过渡电阻单相接地短路时,单相接地短路电流小于Ⅰ段零序过电流保护动作电流,则失去了后备保护功能,应对此类小电流故障,可设置Ⅱ段零序过电流反时限保护[2]。

3.2 改进方案

低压厂用变压器中性点零序保护设计需要满足零序保护整定原则,同时满足厂用电系统上下级保护级差配合要求。改进方案结合通用过流及接地保护继电器(SPAJ142C)功能,低压厂用变压器采用Ⅰ段零序过电流定时限和Ⅱ段零序过电流反时限的两段式零序保护。

3.2.1 Ⅰ段零序过电流定时限保护

与不带专用接地故障保护的低压负荷回路熔断器(NH00-160 A,a M)配合时,低压厂用变压器中性点Ⅰ段零序过电流采用定时限,零序保护动作延时需要比熔断器熔断时间长,确保低压负荷熔断器先动作。变压器零序保护在满足动作灵敏性系数1.5要求的前提下,Ⅰ段零序过电流保护整定值越小、延时越短对低压厂用变压器保护越有利。

低压负荷回路中不带专用接地故障保护的最大熔断器(NH00-160 A,aM)作为保护配合分析依据。从图2分析看出,熔断器1 s内熔断的电流为1 200 A,0.2 s内熔断电流为1 800 A。根据厂用电系统短路电流计算结果,低压厂用变压器低压侧发生单相接地短路时,最小短路电流约为17.9 k A。

综上分析,改进后的低压厂用变压器Ⅰ段零序过电流保护可采用定时限设计,整定值为2 000 A,延时0.4 s。

3.2.2 Ⅱ段零序过电流反时限保护

与不带专用接地故障保护的低压负荷回路熔断器(NH00-160 A,a M)配合,低压厂用变压器中性点Ⅱ段零序过电流保护采用反时限特性,相同故障电流下Ⅱ段零序过电流保护动作时间长于低压负荷回路熔断器熔断时间。

可采用甚反时限特性时,查询表1,公式(5)中的常数α采用2.0,常数β采用80.0,零序保护整定电流值Iop0为400 A,时间系数为1.0。由公式5可得到:

改进后的Ⅱ段零序过电流反时限保护曲线时间电流特性计算值见表2。

表2 甚反时限保护曲线计算值Table 2 Calculated data of even inverse time characteristic protection curve

3.2.3 两段式零序保护

改进后的低压厂用变压器中性点零序保护采用两段式零序保护,Ⅰ段零序过电流定时限保护,整定值为2 000 A,延时0.4 s。Ⅱ段零序过电流反时限保护,反时限特性采用甚反时限,整定电流为400 A,时间系数为1.0。

低压厂用变压器中性点采用Ⅰ段零序过电流定时限保护作为低压厂用变压器低压侧发生单相接地短路故障的主保护。Ⅱ段零序过电流反时限保护,作为低压厂用变压器低压侧发故障电流较小的非金属性接地故障保护,也作为低压负荷回路接地故障的后备保护。低压厂用变压器中性点两段式零序过电流保护能在故障电流范围内的保护可靠动作,并满足保护级差配合要求。

3.3 配合与校验

3.3.1 曲线配合

改进方案,将低压厂用变压器中性点零序保护采用“定时限＋反时限”两段式零序过电流保护,将其保护曲线绘制入对数坐标(见图3),进行保护曲线的配合分析。

从时间-电流特性曲线看出,低压厂用变压器中性点两段式零序过电流保护曲线在热继电器-熔断器动作曲线的上方。当故障电流小于850 A时,热继电器先于零序保护动作,当故障电流大于等于850 A时,熔断器先于零序保护动作。

3.3.2 保护校验

按照低压厂用变压器中性点零序保护整定原则,逐条校验两段式零序保护方案。

(1)保护装置动作电流值应躲过变压器中性点上流过的最大不平衡电流值。

图3 两段式保护配合曲线Fig.3 The coordination curve of two section protection

变压器中性点零序保护最小动作电流值为400 A,低压厂用变压器最大不平衡电流值为25%。其中ITR为低压厂用变压器额定电流值,对于630 k VA变压器为957 A。

Iop0＝400 A≥1.2IPEN＝1.2×25%×957＝287 A,满足校验公式(1)。

(2)变压器低压侧发生短路故障,灵敏度系统大于1.5。

低压厂用变压器低压侧发生单相接地故障短路电流值为17.9 k A。最大动作电流为2 000 A。

Id/Iop0＝17.9/0.2＝89.5≥1.5,满足校验公式(2)。

(3)低压厂用变压器零序保护与带专用接地故障保护低压回路的接地故障保护相配合。

低压负荷回路专用接地故障保护最大整定值为30 A,零序保护与30 A相配合。

Iop0＝400 A≥1.1I0max＝1.1×30＝33 A,满足校验公式(3)。

(4)低压厂用变压器零序保护与不带专用接地故障保护的低压负荷回路动作时间相配合。

低压负荷回路不带专用接地故障保护的回路,电动机回路最大功率为45 k W,加热器回路额定电流值不超过100 A,选用熔断器(NH00-160 A,a M)和及热继电器(TA25DU4,TC20)。

从图3中看出,当故障电流值小于850 A时,热继电器先于零序保护反时限动作,当故障电流达到850 A时热继电器动作时间为15 s,零序保护动作时间为24 s。当故障电流值大于850 A时,熔断器先于零序保护动作,当故障电流2 000 A时熔断器熔断时间为0.13 s,零序保护动作时间为0.4 s。从配合曲线中看出,在任意故障电流范围内,Δt大于0.2 s,满足校验公式(4)。

3.3.3 现场验证

2014年8月某核电站低压厂用变压器中性点零序保护改进方案开展了现场验证试验。试验过程采用某供货商生产的通用过流及接地保护继电器(SPAJ142C)。

试验中的低压厂用变压器中性点上的零序电流互感器变比为500/1 A。Ⅰ段零序过电流保护采用定时限设置,保护整定值4 A(2 000/500),延时0.4 s。Ⅱ段零序过电流保护采用甚反时限设置,甚反时限曲线选用时间系数为K＝1,启动电流整定值0.8 A(400/500)。

现场试验结果数据见表3。按照保护继电器功能显示,“8”代表Ⅰ段零序过电流定时限保护动作,“6”代表Ⅱ段零序过电流甚反时限保护动作。

现场试验测得动作时间电流值与供货商提供的甚反时限特性曲线(K＝1)吻合,继电器均能可靠动作。当采样电流值为4 A时,现场实际测得动作时间为0.413 s,为Ⅰ段零序过电流保护动作时间定值,而且从继电器显示为“8”说明Ⅰ段零序过电流保护可靠动作。

当故障电流大于或等于Ⅰ段零序过电流定时限整定定值时,Ⅰ段零序过电流定时限保护可靠动作。在故障电流小于Ⅰ段零序过电流定时限整定值时,保护继电器的Ⅱ段零序过电流反时限保护可靠动作。核电站现场试验改进后的低压厂用变压器中性点零序保护功能验证,说明“定时限＋反时限”两段式零序保护成功地解决了故障电流范围内的低压变压器中性点零序保护与低压负荷回路保护的级差配合问题。

4 结论

核电站低压厂用变压器是厂用电系统的核心设备。低压厂用变压器中性点零序保护是对低压厂用变压器发生单相接地故障的主保护,也作为低压负荷回路接地故障保护的后备保护。以往核电站低压厂用变压器中性点零序保护设计采用的是“定时限”特性,导致国内外核电站发生多起低压负荷回路故障引起低压厂用变压器中性点零序保护动作越级跳闸事件。

改进后的低压厂用变压器中性点零序保护采用“定时限＋反时限”两段式零序保护。Ⅰ段保护采用零序过电流定时限功能,Ⅱ段保护采用零序过电流反时限功能。变压器中性点零序保护在定值和时限上均满足与低压负荷回路保护级差配合,根本上解决因低压负荷回路接地故障导致的越级跳闸问题。

[1] 电力行业电力规划设计标准化技术委员会．DL/T 5153—2002火力发电厂厂用电设计技术规定[S]．北京:电力出版社,2002．

[2] 高春如．发电厂厂用电及工业用电系统继电保护整定计算[M]．北京:电力出版社,2012．

[3] 中国航空工业规划设计研究院．工业与民用配电设计手册[M]．北京:电力出版社,2005．

Analysis and improvement on zero sequence protection of low voltage auxiliary power transformer in nuclear power station

SONG Peng-fei,FENG Qing-dong
(Design Institute of China Nuclear Power Engineering Co．,Ltd,Shenzhen Guangdong,518172,China)

The zero sequence protection for neutral point of low voltage transformer is the definite time characteristic in nuclear power station．Low voltage electrical feeder fault resulted in zero sequence protection of low voltage transformer leapfrog trip．According to the setting principle of zero sequence of low voltage transformer and analysis of protection coordination,the zero sequence protection scheme was improved with definite time and inverse time characteristic．The improved two section protection scheme can be used in the low voltage transformer of nuclear power station after protection checking and onside testing．

Low voltage auxiliary power transformer;Zero sequence protection;Definite time;Inverse time

TM623.1

A

0258-0918(2016)02-0245-06

2015-06-23

宋鹏飞(1986—),男,山西省晋中市人,工程师,工学学士,现主要从事核电厂电气系统设计工作