某核电站一期2 号机反应堆棒控电源电动机异常跳闸原因分析及处理

邓乃木

（中广核核电运营有限公司，广东 深圳518124）

1 引言

某核电站一期拥有两台984MW 的核电机组，每台机组拥有独立的控制棒驱动机构电源系统RAM。它负责向控制棒驱动机构提供电压为260V、频率50Hz 且中性点绝缘的交流电源。它由两套电源组成，正常运行时，两套电源并列运行各承担50%的额定负荷。当一套电源装置发生故障或停运维修时，另一套电源装置能够提供100%的负荷要求。如果两台发电机出口出现开关断开或RAM 系统电源全部失去，控制棒组靠其自身重力在1.2s 内落入堆芯，使反应堆紧急停堆。

本文针对某核电站一期2 号机组反应堆棒控电源电动机（L2RAM001MO）异常跳闸事件，分析设备异常的根本原因，并提出相应的处理措施。

2 问题描述

L2RAM001MO 设备参数为额定电压Un 为380V，额定功率为135kW 的异步电动机。其额定频率50Hz，转速1482rpm，效率92%。失步转矩电压0.7Un，定于铜绕组绝缘等级为F。L2RAM001MO 由额定电压为 380V 的交流配电盘L2LKA001TB 供电， 电动机启动方式为直接全压启动。L2LKA001TB 为TT 系统，其L2RAM001MO 电动机馈线开关L2LKA103 配备接地保护、电流速断保护、过载保护。

2018 年3 月1 日，在此核电站2 号机组第14 次换料大修过程中，检修人员进行RAM 系统再鉴定工作，启动L2RAM001MO 时，电动机馈线电源开关L2LKA103 零序保护跳闸。此故障模式为2 号机组RAM 系统连续运行14 个周期后首次出现，每个运行周期为1 年。而在2018 年2 月28 日，检修人员刚进行过RAM 系统空载试验，启动L2RAM001MO运行正常。RAM 系统空载至再鉴定期间，系统设备无检修活动且设备状态无改变。

3 原因分析

零序保护的动作原理是基于基尔霍夫电流定律：流入电路的任一节点的复电流的代数和等于零。它是利用电流互感器作为取样元件，让三相线路穿过同一个电流互感器。当三相负荷平衡时，无接地故障，不考虑正常泄露电流时，零序电流为零；当三相负荷不平衡时，零序电流包含不平衡电流。当发生单相接地故障时，产生单相接地故障电流。零序电流为三相不平衡电流与单相接地故障电流的矢量和。零序保护动作的可能原因如下。

3.1 棒控电源电动机故障

3.1.1 棒控电源电动机阻值不平衡

电动机绕组的电阻不平衡时，产生不平衡电流。当不平衡电流增大至零序保护继电器动作阈值会造成零序保护动作。在冷态下，采用双臂电桥对电动机绕组进行测量。所测得的各相电阻偏差与其最小值的百分比，不得超过5%。即：

上式中Ra——相电阻平均值，如果超出规定范围，则表示绕组中有短路、断路、焊接头接触不良、匝数有误差或某相绕组线径用错等故障。经测量，电机三相绕组阻值如表1，计算所得不平衡度为0.81%，满足标准。因此排除电动机绕组值不平衡造成零序保护动作的可能。

表1 L2RAM001MO 绕组电阻测量结果

3.1.2 棒控电源电动机接地故障

大型电动机可以通过测量绝缘电阻来判断绕组是否受潮及接地。对于额定电压500V 以下的电动机一般采用500V 兆欧表进行测量，其绝缘电阻冷态不应低于1MΩ，热态时绝缘电阻应不低于0.5MΩ。L2RAM001MO 绕组采用星型链接，绕组对地绝缘为177MΩ，满足标准。因此排除电动机接地故障的可能性。

3.2 动力电缆接地故障

棒控电源电动机的动力电缆不带铠装及接地线。当三相电缆出现接地故障时，会产生接地故障电流。对L2LKA103 开关至L2RAM001MO 的动力电缆进行绝缘检查，结果如表2。

表2 L2LKA103 开关至L2RAM001MO 动力电缆检查

测量结果表明，三相动力电缆对地绝缘值满足要求，因此排除动力电缆出现接地故障的可能。

3.3 零序保护继电器误动作

零序保护继电器为ALSTOM 生产，型号为DIMAX 111C，其动作阈值的工作范围为0.5IΔn≤Is≤IΔn，式中IΔn——电流互感器采样得到的电流信号。可见，动作阈值的0.5 倍至1 倍之间都存在零序保护继电器动作的可能性。由于零序保护的精度较粗，当零序保护继电器整定值飘移，会出现零序保护继电器误动作。现场零序保护继电器整定值3A，动作时间设定为小于0.4s。对零序保护继电器进行校验，结果如表3。

表3 L2LKA103 开关零序保护继电器校验

经过测量，可以判断零序继电器整定值未飘移，动作时间合格，因此排除零序保护继电器误动作的可能。

3.4 外界因素

3.4.1 零序互感器安装不规范

使用互感器时，要求测量回路与被测系统隔离，以保障工作人员和测试设备的安全。现场专业人员检查互感器测量回路靠近动力电缆。RAM001MO 电机启动时，启动电流峰值达1396A。变化的磁场会干扰互感器的测量回路，造成DIMAX 111C 继电器动作，使零序保护误动作。现场布置如图1。

图1 L2LKA103 零序互感器现场安装图

经检查发现，现场安装的零序电流互感器非水平放置，穿过零序电流互感器的三相动力电缆非“品”字型布置，而是呈“一”字型排列。当三相动力电缆呈“一”字排列穿过互感器线圈且紧贴线圈时，穿过线圈截面的交变磁通非均匀对称，在交变磁场作用下，对磁化电流、磁滞电流分量及涡流电流分量产生影响。因此，现场零序互感器的安装不规范会影响电路互感器的励磁电流，对电流互感器的测量误差产生影响。结合此核电站L2LKA103 开关现场初始安装工况，可以认为，初始工况下L2RAM001MO 启动时零序互感器采样到的电流信号已接近DIMAX 111C 继电器的动作阈值。

3.4.2 天气潮湿

2018 年3 月1 日，RAM 系统再鉴定时天气变化，为大雾天气。空气中大量的水分改变了线路对地电容的电介质常数。电动机启动时，线路对地电容在交变电场下形成的充电电流增大，即线路对地电容的泄露电流增大。

分析认为，初始工况下L2RAM001MO 启动时零序互感器采样到的电流信号已接近DIMAX 111C 继电器的动作阈值，叠加天气变化后，线路对地电容泄露电流增大的因素，使突破了DIMAX 111C 继电器的动作阈值，从而零序保护动作。

4 处理过程

4.1 电流互感器安装位置消缺

调整电流互感器线圈接线的布置方式，将互感器线圈接线相互缠绕并远离动力电缆，以减少大电流流经动力电缆时产生的强磁场对电流互感器测量回路的干扰。调整电流互感器线圈的安装位置，将三相动力电缆呈“品”字型穿过电流互感器线圈，尽量将动力电缆置于线圈正中间，以减少电流互感器的测量误差。经调整处理后，现场设备布置如图2，启动L2RAM001MO 5 次，棒控电源电动机均正常启动。

4.2 零序保护整定值调整

由于调整L2LKA103 零序互感器安装位置及二次接线的布线方式，提高了零序互感器抗干扰能力，使L2RAM001MO成功启动。但L2RAM001MO 启动时，零序电流接近零序保护动作阈值的工况依然存在。因此需要调整L2LKA103 开关零序保护整定值。对于容量为100kW 及以上的电动机单相接地保护整定值应躲过电动机启动时的最大不平衡电流，可按电动机的额定电流的25%～30%，即：

上式中，Kcoef 为不平衡系数，取0.25～0.3。Im.n 为电动机的额定电流。保护动作时限整定为0.2～0.3s。

图2 调整后电流互感器现场安装图

上式中，Ko.sef 为灵敏系数，要求大于或等于1.5。Isc.gf.min 为电动机端单相接地时的故障电流。Io.op.set 为零序保护电流设定值。根据电动机参数计算得出，Io.op.set 应小于等于71.05A。可以发现，现场零序保护继电器整定值为3A，使零序保护的灵敏系数过高。因此，在不进行DIMAX 111C 继电器换型改造的前提下，调整LKB103 开关零序保护整定值，从3A调整到10A。10A 为DIMAX 111C 继电器整定值的最大量程。

5 事件反馈

反馈检查同类型大电机负载的零序保护互感器安装情况。对零序互感器安装不当或存在零序互感器二次接线受干扰的潜在工况及时调整和处理。

6 结语

通过对RAM 电机馈线开关零序动作跳闸的研究，总结了此类大功率异步电机启动时出现上游电源开关零序跳闸的故障查找方法。在现场实践的基础上，为后续机组出现同类问题的处理提供了良好的参考和借鉴。