核电厂非1E级低压负荷中心接地故障保护可靠性问题分析

李 烨

(1. 上海交通大学 电子信息与电气工程学院, 上海 200030; 2. 国核工程有限公司， 上海 200233)

随着低压电器产品制造工艺的不断进步，低压断路器的智能化保护功能应用越来越广泛，而智能化保护功能的可靠性对低压配电系统的供电安全至关重要。作为发生概率最高及危害相当大的接地故障，必须得到有效的预防及保护[1]。笔者通过分析某核电项目非1E级低压负荷中心(Load Center，简称LC，设备代码EK21)的Emax断路器接地保护误动作现象及可能原因，重新认识该保护功能的可靠性及应用。

1 接地故障保护功能

接地故障电流是指由于绝缘故障而流入大地的电流[2]。接地故障保护的设置应能预防人身间接电击以及电气火灾、线路损害等事故，这就要求该保护功能不仅能在规定的时间内切断接地故障电流，而且同时也要避免在未发生接地故障下的误动作。

接地故障保护主要分为电流平衡和电磁平衡(也称零序保护)两大类(见表1)。

表1 电流平衡和电磁平衡接地保护对比

2 接地故障保护误动作原因分析

该核电厂的EK21为下游电动机控制中心(MCC)及电动机类负载(380 V、50 Hz、90～185 kW)提供电源、控制和保护。EK21各回路接地故障保护通过ABB公司生产的Emax断路器中的电子脱扣器(PR121/P型号)实现。Emax断路器的数字式保护单元通过罗格斯基线圈测量相电流，并计算其矢量和得出接地故障电流。在下游负载(泵、充电器等设备)无接地故障的情况下，当EK21为其供电启动瞬间，Emax断路器接地故障保护发生多次误动作跳闸，导致该段电源供电中断，影响核电厂安全运行。

笔者结合EK21断路器接地故障保护误动作实例，分析其产生的原因。

案例一：在该核电厂调试阶段，通过EK21正常启动余热排出泵时，EK21相对应回路的接地故障保护发生跳闸。经排查，该跳闸现象属于误动作。

经查阅相关技术文件，该余热排出泵功率为201 kW，额定电流为378 A，带有接地故障保护(也称G保护)功能的Emax断路器额定电流In=630 A，接地故障保护设计整定值为I=0.2In=126 A，t=0.1 s；上游断路器保护单元额定电流In=3 200 A，整定值为I=0.2In=640 A，t=0.4 s。

现场试验时，同时采用接地故障保护单元(PR121)的数据记录功能记录在电动机启动时间的电流波形与万用表采集到启动至跳闸期间完整电流波形，对比发现：10 Hz以下谐波的分量超过了50 Hz基波的20%，且接地故障保护单元记录数值偏大，比万用表测量最大电流有效值偏大。

案例二：当正常启动水冷泵时，额定功率为155 kW，额定电流为264 A，带有G保护功能的Emax断路器额定电流In=630 A，设计整定值为I=0.2In=126 A，t=0.2 s，接地故障电流(Ig)短时间超过了G保护的阈值(126 A)，且由于超过保护阈值的时间到达跳闸延时设定值(200 ms)，因此G保护跳闸。经排查，该跳闸现象属于误动作。

现场试验时，采用前述同样方法记录完整电流波形，对比发现：万用表通过穿心传感器采集到的三相电流和Ig小于G保护的整定阈值，但断路器的接地故障保护单元记录数值偏大(约几倍)。通过电流、频率分析(见图1和图2)可以注意到10 Hz以下谐波的分量超过了50 Hz基波的20%，且此启动过程存在明显的直流暂态分量。

图2 基于Matlab软件中的频率分析

对比分析：

(1) Emax断路器的脱扣单元正常的工作频率范围为50(1±0.1)～60(1±0.1) Hz。

(2) 当电动机启动时，相应的电流谐波分量幅度高于10%(见图2)。

(3) 电流谐波分量主要出现在低频，低于脱扣器可正常工作的范围下限(见图1)。

(4) 所有G保护误动作事件均发生在下游电动机启动瞬间，且此段时间谐波分量大于10%，甚至20%。

(5) 断路器脱扣器每次跳闸，都是接地故障电流达到了设定值，且持续时间超过了设定时间，由此可以认为电子脱扣器执行G保护脱扣动作是可靠的，每次均成功跳闸，只是三相矢量和电流值偏大，超过了实际接地故障电流值。

电流平衡接地故障保护受电源谐波和下游大负荷启动瞬间的谐波影响，敏感度高，结合以上案例和试验数据，接地故障保护误动作原因可从以下几个角度分析：

(1) 启动瞬间电流大。在电动机启动瞬间，电动机的相电流可上升至6倍的满载电流值，并且三相电流之间存在不均匀性，特别对于大功率的电动机，可能会导致智能断路器采集的三相电流值较实际偏大。

(2) 低频谐波分量大。暂态冲击电流包含的高频及低频谐波分量给接地电流的测量和计算带来了进一步的偏差。在稳态状态下，通过相电流传感器测量相电流求和进行接地故障保护的方法是可靠的，但是在负载启动的暂态过程中，保护系统可能会有所反应。当测量的电流频率与保护单元额定频率不同时，采用这一计算方法获取相电流和容易放大电流信号误差，特别是对低频电力以及超高频率电流。电动机启动时存在包含多种频率的暂态谐波分量。

(3) 设备固有误差。采用三个独立罗格斯基线圈测量三相电流，再经过算术求和后的结果受制于这些独立设备的累积误差。当回路电流为额定电流7倍时，测量计算的绝对误差将大于额定电流时的误差。

(4) 质量和工艺问题。产品质量和生产工艺、内部计算逻辑存在不足，也可能导致接地故障保护的可靠性降低。

3 解决方法

G保护的设定必须确保在电动机启动的暂态阶段绝不发生误动作，对于低压断路器本身带接地保护功能发生误动作，主要有两种解决方法：

(1) 提高整定值(包括永久提高整定值和启动阶段提高整定值)，同时考虑增加保护动作的延时时长。

很多情况下永久提高整定值和延时时长将根据设备实际重复启动后的经验反馈进行修改。

针对电动机类、变压器及充电器类负荷启动瞬间的谐波电流，Emax断路器的脱扣单元PR122/P有一个启动保护功能。在启动阶段，启动功能允许S、I和G功能在更高的脱扣门限下运行，这将避免由某种负载(电动机、变压器、充电器)的高冲击电流导致的脱扣。启动阶段以0.05 s的间隔从100 ms持续到1.5 s。PR122/P脱扣器自动识别如下状态：自供电脱扣器的断路器合闸；如果脱扣器由外部电流供电，最大峰值电流超过0.1In。电流降到门限值的0.1In以下后，将可能产生一个新的启动阶段。在启动前的1 s，接地故障整定值设置到0.6In或者0.8In，当启动时间超过1 s后，自动降为0.2In(见图3)，这些设定值可根据实际情况来进行设置。

图3 接地故障整定限值调整

假设提高整定值为I=0.8In，t=0.1 s，即t′>1 s时，I=0.2In=126 A，t=0.1 s；t′≤1 s时，I≥0.8In=504 A，t=0.1 s。

结合第2节的实际数据，计算此方案能够满足上下游开关的保护配合裕度为：t′>1 s时，I=514 A，t=0.24 s；t′≤1 s时，I≥136 A，t=0.24 s。

这种整定方法也能够确保与上级断路器之间在过电流和延时方面的选择性配合。

(2) 采用零序CT和继电器的方式，实现接地保护故障保护功能。让三相导线一起穿过一个外置零序CT，利用这些CT检测三相电流的矢量和，即IO=IA+IB+IC。当线路上所接的三相负载完全平衡时(没有接地故障，也不考虑线路、电器设备等的泄漏电流)，根据三相电流矢量相加IO=0，即没有零序电流产生。当线路上所接的三相负载不平衡时，在N线上就会有零序电流流过，即IO=IN，此时的零序电流就是三相不平衡电流。

此种方法需要考虑到实际低压柜的内部空间、CT的合理安装以及电缆排布和电缆弯曲半径等问题，这些都会影响零序保护的正确动作，甚至会造成零序保护装置在接地故障时拒动。

该核电堆型的两个现场相继发生多次EK21接地保护功能误跳闸事故，涉及到大功率泵、充电器等几种类型下游设备。为了解决此问题，将类似负荷设备进行整改。常规岛低压动力中心开关柜的接地保护整改方案主要采用第一种方法的提高启动阶段的整定值，安装脱扣单元PR122/P，提高整定阈值和延时时间。对于核岛低压动力中心开关柜的接地保护整改方案主要采用第二种方法的零序CT和外置继电器的方式，其整定值等于或低于原设计整定值，更为可靠。但因该核电机型盘柜内部空间紧凑，导致安装零序CT和继电器较为困难，且需要停电窗口，此项整改大约进行了一年。

4 结语

笔者结合核电厂的实际案例，对非1E级低压负荷中心接地故障保护误动作进行了原因分析，并对具体问题分别进行整改，效果良好，对该核电堆型的后续项目具有参考意义。

同时，笔者通过实测数据和波形也验证了谐波影响矢量和型接地故障保护的可靠性，而现有国家标准GB 14048.2—2008 《低压开关设备和控制设备 第2部分 断路器》中没有明确的接地故障保护验证方法；GB14048.2—2008的附录B(具有剩余电流保护的断路器)也很难适用于接地故障保护的验证。目前，智能化低压断路器的接地故障保护期待一种权威的验证方法[2]，在设计、采购前期能够指导验证其可靠性，确保设备安全稳定运行。