核电厂应急柴油发电机过频保护设计改进分析

吴阳

福建福清核电有限公司 福建福清 350318

1 概述

应急柴油发电机（简称EDG）是核电站在失去正常电源和辅助电源的情况下，能够自动快速启动，在应急模式下对应急中压厂用母线的安全设备进行供电，以保证反应堆的安全停堆和一回路压力边界完整的核级设备，其系统结构框架图如下图1所示。

图1 柴油发电机系统结构示意Fig.1Schematic diagram of diesel generator system structure

图1中红色标注路径为EDG电气保护的回路结构联系。发电机电气保护柜配置差动、过负荷、低励磁、逆功率、过流、频率、过电压等保护功能，这些保护在试验模式下动作于跳闸，在应急模式下自动被闭锁。此外，装置还具有定子接地保护，该保护只用于报警。

某核电厂应急柴油发电机保护配置西门子7UM621保护装置，出现过频保护在柴油机启机时动作但未出口跳闸的问题，对该问题进行根本原因分析，并探讨合理可行的设计优化改进[1]。

2 问题描述

某核电厂1号机组A列应急柴油发电机（简称：1LHP）空载启动时，出现过频II段保护动作，就地电气保护柜上跳闸指示红灯H12点亮，就地PLC显示屏显示“LHA001JA Trip Order（简称：LHP004SY）”信号触发，但保护动作后并未引起应急中压厂用母线正常电源进线开关（简称：LHA001JA或CCB）开关跳闸，现场LHA001JA仍处于闭合状态，柴油机备用进线开关（简称LHA002JA或GCB）也仍处于断开状态。事件发生后，检查就地保护装置显示频率保护动作LED灯点亮，装置显示柴油机频率稳定在51.94HZ左右，同时检查转速在1558转/分，由于柴油机空载转速高于额定转速属正常状态，且转速未到超速保护定值。因此现场判断柴油机运行正常，按下就地电气保护柜保护复归按钮S11后，跳闸指示红灯熄灭，1LHP 004SY信号复归。

3 原因分析

3.1 功能原理分析

频率保护用于检测柴油发电机并网运行中出现的频率非正常偏高和偏低的异常工况，如果柴油发电机的频率处于允许的频率范围之外，那么就会将柴油发电机从电网中解列开来。柴油发电机定期试验时需要进行并网以验证柴油机的带负荷能力，当电网出现有功功率需求增加，或者发电机的频率或者速度控制系统非正确动作时，系统的频率就会下降，导致低频保护动作解列电网；而当有大型负载从系统中甩开，或者频率控制系统非正确动作，那么系统的频率就会上升，导致过频保护动作解列电网[2]。

3.2 定值整定分析

过频保护设置过频I段报警，过频II段跳闸保护，保护在应急模式下被闭锁，在监测发电机机端电压低于80V时也会闭锁。

LHP过频II段动作后，查看仪控柜PLC屏显示频率波形，如图2所示，可以发现启机过程中频率最高值略大于过频II段整定值52HZ，持续时间达到1s延时定值，因此触发了保护动作。由于柴油机空载时不带负荷，转速高于正常转速，因此频率会大于额定频率，实际空载频率为52HZ左右。同时，由于柴油机启机前工况的不同，启动过程中频率上升的最大值有所差别，但频率一旦高于52HZ且持续1s就会触发过频II段动作。

图2 过频II段动作频率波形

过频II段动作是因柴油机空载启动的固有频率高于频率保护的整定值导致，但过频保护动作后未引起开关跳闸的问题原因仍未明确，需进一步分析。

3.3 频率保护回路分析

（1）电气保护柜二次接线回路。如图3所示，LHA母线正常电源进线开关CCB保护动作出口接线图中，K40继电器辅助接点在应急模式下为断开，在试验模式下闭合，即柴油机在试验模式下CCB保护出口回路有效。BO9为7UM621装置的过频/低频、过负荷保护动作出口控制字接点，即当柴油机正常运行，7UM621装置采集对电压频率进线监测，在判定频率异常后通过装置BO9出口，触发信号401SY8，该信号送入非核级控制柜，参与PLC逻辑组态。

图3 CCB保护动作出口接线图

通过图3CCB保护动作出口接线图，还可以识别出柴油机在过负荷保护动作时，也会触发CCB的跳闸信号，其动作回路一致，但由于柴油机空载时不带任何负荷，也就不会带来过负荷问题。

（2）非核级控制柜PLC逻辑组态回路。如图4PLC逻辑组态回路，401SY8触发后被送至非核级控制柜，在没有保护闭锁信号（Operatinal protection SUPPESSION）下，触发 LHA001JA 跳闸指令004SY，该信号被送至主控MCR，并去参与LHA系统的DCS逻辑组态。从图4中还可以看出，当401SY8信号触发后，将会在PLC触摸屏上产生报警信号。

图4 PLC逻辑回路示意图

（2）DCS中LHA001JA跳闸逻辑回路。如图5LHA001JA跳闸逻辑，LHP004SY信号被送至DCS系统，参与LHA系统的逻辑组态。在没有001JA手动合闸指令，并且001JA，002JA处于合闸位置时，LHP004SY信号将去触发001JA自动跳闸指令。也就是说当001JA，002JA任意一个处于断开位置时，尽管柴油发电机综合保护装置已经触发004SY跳闸信号，此时也不会真正去触发001JA自动跳闸，该保护将在LHA系统逻辑中被闭锁掉。只有当柴油机组处于并网模式下，001JA和002JA均合闸，频率保护动作出口权限才会开通[3]。

图5 LHA001JA跳闸逻辑示意图

通过频率保护回路分析，可知保护动作后未出口跳闸的原因是柴油机空载启动时GCB处于断开状态，不满足图5GCB和CCB同时合闸的要求，保护出口被闭锁。

4 设计改进分析

通过原因分析，可知EDG空载启动过频II段动作是因为EDG空载固有频率超过了整定值，触发了7UM621装置LHP401SY8跳闸信号，该信号在非核级控制柜PLC逻辑组态后，触发主控LHA001JA跳闸指令LHP004SY，而LHP004SY在DCS逻辑组态时，需要满足001JA和002JA均合闸并网的前提下，才会出口001JA自动跳闸。因此，柴油机在空载状态下触发了频率跳闸保护动作不合理，需要采取改进措施。

4.1 改进方案1

通过调整过频设定值，实现过频II段可以躲过柴油机空载频率。同时，考虑柴油机甩负荷时会引起频率上升的问题，如图6所示，为现场录取的柴油机100%甩负荷试验频率波形，其最高频率达到52.4HZ，需考虑过频II段躲过该频率。

图6 柴油机100%甩负荷试验频率波形

结合实际，对过频保护II段定值进行调整，调整后的定值具体如下表2所示。定值调整后经过后续各机组多次柴油机空载以及甩负荷试验验证，其过频保护不再触发II段跳闸信号，该定值调整也得到设备制造商的认可。

4.2 改进方案2

柴油机空载或者甩负荷时频率都会高于额定频率，这是柴油机正常运行的固有特性，同时，柴油机在空载时本身不带负荷，因此可以通过改造，设计在柴油机GCB开关合闸情况下投入频率保护和过负荷保护。

根据7UM621装置说明书，频率保护的跳闸逻辑框图如图7所示，其中描述频率保护可以通过开关量输入信号来予以闭锁，见图7左下角＞BLOCK Freq.，该信号软件地址为5203。同时，查阅过负荷保护的跳闸逻辑图，也可以通过开关量输入信号来予以闭锁，其闭锁信号为＞BLK ThOverload，对应软件地址为1503。

图7 频率保护的跳闸逻辑框图

通过引用LHA电气二次接线图GCB备用断路器分闸位置状态接点，以及柴油机电气保护柜二次接线图备用闭锁控制字输入接点，因此设计将GCB的分闸位置接点进行串联后接入7UM621闭锁控制字电气二次回路，如图8所示。按此修改后，只有当GCB处于合闸状态时，才会触发BI3控制字为高电平，通过DIGSI软件在配置矩阵Masking I/O中将BI3控制字与地址5203和1503关联，使其释放＞BLOCK Freq.和＞BLK ThOverload信号，反之则闭锁信号。

图8 保护装置闭锁控制字接入回路修改

此外，需要将图5中的GCB分闸位置闭锁条件解除，修改后的逻辑图见图9。

图9 LHA逻辑图修改

按此方案修改，只在GCB合闸情况下柴油机才会投入频率和过负荷保护，此时如果CCB在分闸状态，则保护只起报警作用，只有当CCB合闸状态时，保护动作才会触发CCB跳闸。

4.3 方案比较

方案1是通过调整定值以躲过柴油机空载或甩负荷工况下频率所能达到的最高值，定值修改较为简单，但一定程度降低了定值的灵敏度；方案2对频率和过负荷保护的功能进行了闭锁设置，即只在柴油机GCB合闸时投用频率和过负荷保护功能，该模式下柴油机频率保护不再受空载启动频率及甩负荷时频率的影响，因此无需再调整定值，可保持原定值的灵敏度，但改造引入了国外进口装置内置软件程序修改，DCS软件程序修改，以及二次回路硬接线修改，涉及接口范围复杂，相应敷设电缆等工程量较大，具有一定局限性。

5 结语

某核电厂EDG过频保护动作原因为柴油机空载启动的固有频率高于频率保护的整定值，而保护动作后未出口跳闸原因是柴油机空载时GCB处于断开位置，致使保护动作信号被闭锁。该问题反应出EDG系统回路设计与厂家内部回路设计接口上存在的偏失，即在设计回路上未能将电气保护闭锁条件置于保护装置出口的前端，导致保护动作后未能真正出口跳闸，影响核电厂运行人员对柴油机运行状态的判断。

针对该问题，本文通过设计改进分析，提供了2套可行的解决方案。其中，鉴于方案2的局限性，建议在建核电厂在应急柴油发电机设计阶段对频率和过负荷保护闭锁设置进行改进，实现只在并网工况条件下投入相应保护。