核电厂低压配电系统接地保护配置优化探讨

摘要：通过对近年来核电厂低压配电系统负荷接地故障导致的越级跳闸等事故进行分析，分析了造成接地保护不正确动作的根本原因，指出了目前核电厂配电系统接地保护配置存在的薄弱点，并提出了改进建议，以防止同类问题反复发生，提高核电厂配电系统的供电可靠性。

关键词：配电盘;接地保护;剩余电流;越级跳闸;配置优化

0 引言

核电厂大部分厂用电负荷通过380 V低压交流配电系统供电。380 V低压配电系统主要向功率小于160 kW的负荷供电，这些负荷按照重要程度不同，可分为核安全相关负荷和核安全无关负荷。提高低压配电系统的供电可靠性，对于保障核电厂正常生产和核安全都有着重要意义。

低压配电系统用电负荷主要包括电动机、加热器、阀门、配电箱柜等。这些负荷分布在核电厂核岛、常规岛、BOP等多个区域。用电负荷受到制造质量缺陷、绝缘劣化、环境潮湿或定期切换瞬态冲击等因素影响，配电系统电气故障时有发生，其中接地故障是占比最大的故障模式。据统计，配电系统接地故障数量约占总故障数量的75%以上。针对单一负荷的接地故障，如果保护能够正确动作切除故障，不会影响核电机组的正常运行。近年来，核电厂配电系统负荷发生接地故障时，负荷保护元件未及时切除故障，上游降压变压器零序保护动作越级断开中压开关，导致整列配电盘失电的事件时有发生。这些越级跳闸事件的发生，说明需要进一步优化核电厂低压配电系统接地保护配置。

1 配电系统接地保护配置现状

核电厂低压配电系统由6.6 kV中压母线，通过装在低压配电盘内的6.6 kV/380 V干式降压变压器供电，降压变压器中性点直接接地。核电厂低压配电盘典型接线图如图1所示。

低压配电系统主要由降压变压器、监控仓以及各类负荷开关抽屉、仓室组成。针对降压变压器，通常在中性线设置零序保护，作为低压侧单相接地故障短路保护，并与下游馈线回路进线配合。降压变零序保护由电流互感器和接地故障过流继电器组成，当中性线有接地电流通过，超过定值时，继电器动作，跳开6.6 kV进线开关。

380 V馈线配电回路通常配置断路器本体保护、保险、热偶保护、接地保护等，其中采用断路器本体实现速断保护，保险实现过流/过负荷保护，热偶主要实现过负荷保护，并对部分馈线回路配置进行接地保护。接地保护由剩余电流互感器及漏电继电器组成，漏电保护原理如图2所示。当开关下游设备发生接地故障时，在故障点电流发生分流，漏电电流无法流经电流互感器，致使互感器流进、流出的电流不平衡，一次线圈产生剩余电流。因此，配电系统漏电保护也被称为剩余电流保护。

2 接地保护配置存在的主要问题

2.1    馈线接地保护选配造成的越级跳闸问题

核电厂低压配电系统针对电机等馈线负荷，根据额定容量选配接地保护。通常核岛配电盘75 kW及以上、常规岛配电盘100 kW及以上电动机类负荷配置接地保护。《火力发电厂厂用电设计技术规定》第8.7.1条第2点，对单相接地短路保护的配置要求如下：对容量为100 kW以上的电动机，装设单相接地短路保护;对55 kW及以上的电动机，如相间短路保护能满足单相接地短路的灵敏度要求时，由相间短路保护兼作接地短路保护，当不能满足时，另装接地短路保护。核电厂配电系统接地保护的配置也基本遵循《火力发电厂厂用电设计技术规定》的要求，容量75 kW及以下电动机负荷没有专门配置接地保护，当下游发生接地故障时，需要依靠开关保险或断路器相间短路保护动作切除故障。开关相间短路保护因为灵敏度或动作时限的原因，存在无法及时切除故障的风险，若此时接地电流已超过上游降压变压器零序保护动作定值，则降压变压器零序保护动作跳开6.6 kV开关，越级跳闸造成整盘失电，扩大停电范围。类似事故在核电厂已经发生多起，一个典型案例是某A核电厂常规岛负荷4SEK004PO（电动机功率45 kW，额定电流90 A）发生接地故障，接地故障电流约800 A，其供电开关4LKT401配置断路器本体速断保护（整定值1 280 A）和热偶保护，没有配置接地保护，接地故障电流导致上游380 V配电盘4LKT001TB零序保护继电器（整定值364.8 A，延时0.4 s）动作，越级造成中压开关4LGD502跳闸，4LKT001TB整盘失电。

2.2    接地保护级差配合问题

核电厂配电系统接地保护的级差配合，主要体现在负荷接地保护与降压变压器中性点零序保护的配合关系，既有电流定值的配合问题，又有延时配合的问题。核电厂配电系统在实际运行过程中，因动作电流或延时级差配合问题，接地保护曾发生过误动作，问题主要出现在采用“熔断器+接觸器”方式供电的馈线开关，与上游降压变采用零序电流保护的配合关系上。降压变下游负荷众多，有加热器、电动机、电动头等，这些负荷所在回路的熔断器种类和容量都不尽相同，熔断器熔断特性曲线差别较大，使得零序保护不能完全匹配下游所有熔断器特性曲线，存在保护配合死区，而这些死区的存在可能会导致越级跳闸。

一个典型的案例是某B核电厂2RRM003ZV电动机三相接地短路故障，导致上游配电盘2LLE001TB整盘失电。2RRM003ZV电动机额定功率为90 kW，额定电流为180 A，上游供电主回路开关为2LLE04R1，2LLE04R1开关采用“熔断器+接触器”的组合方式，配备了短路保护（熔断器）和接地保护（漏电继电器）。2LLE04R1漏电继电器保护定值为30 A，延时0.06 s动作于接触器跳闸，接触器型号AF260，最大开断电流值2 600 A。熔断器型号为aM250A，熔断器动作具有反时限动作特性，故障电流越大，熔断时间越快。2LLE001TB配电盘变压器低压侧配置有零序过流保护，定值为1 500 A，延时0.5 s。某次2RRM003ZV发生三相接地短路故障，漏电继电器延时0.06 s动作试图跳开接触器，因故障电流超出接触器最大开断电流（接触器最大开断电流为2 600 A），接触器出现粘连现象，接地故障电流持续存在，引起A/C相保险熔断，A/C相主回路断开，B相因为接地电流较A/C相实际要小（B相漏电保护记录接地电流2 632 A），未能及时熔断，B相持续存在接地电流，0.5 s后2LLE001TB配电盘变压器零序过流保护动作，跳开6.6 kV开关，造成整盘失电。后经查阅熔断器熔断特性曲线，接地故障电流在2 632 A的情况下，熔断器熔断时间最短为1.0 s。从这起案例可以看出，除了接触器选型配置有问题外，熔断器熔断特性曲线与上游零序保护延时级差配合不当，也是引起越级跳盘的一个主要因素。

2.3    剩余电流互感器性能问题

核电厂配电系统针对馈线接地故障配置的漏电保护采用剩余电流原理，剩余电流互感器是漏电保护的检测元件，它的主要功能是检测通过互感器铁芯的主回路剩余电流（触电、漏电等接地故障电流），并将一次回路的剩余电流变换成二次回路的输出电压。剩余电流互感器一次回路的励磁电流很小，处于在弱磁场条件下工作。核电厂配电系统的馈线主回路经常会受到几百安培至上千安培大启动电流或几万安培的短路电流冲击，剩余电流互感器性能不佳，易处于极端饱和状态，在这种情况下，剩余电流互感器会因冲击电流产生的剩磁影响动作特性，甚至造成漏电保护拒动。

某C核电厂曾发生因剩余电流互感器在接地短路电流冲击下迅速饱和，漏电保护拒动而导致的越级跳闸事件。事件过程为：运行人员在进行3CVI系统定期切换时，当启动备用列3CVI101PO电动机（额定容量185 kW，额定电流383.4 A）后，电动机运行约24 s后出现相间短路接地故障，其电源开关3LKQ301漏电保护（定值30 A，延时0.06 s）未正确动作，0.4 s后配电盘3LKQ001TB零序保护继电器（定值600 A，延时0.4 s）动作，联跳上游6.6 kV开关3LGA702跳闸，导致3LKQ001TB整盘失电。经分析，本次电动机相间短路接地故障电流超过4 500 A，达到剩余电流互感器额定电流（250 A）的18倍，铁芯出现严重饱和现象。图3是事件发生后外送上海电气设备检测所开展的剩余电流互感器性能测试结果，可见当输入电流达到4.99 kA时，铁芯饱和状态下的输出电压波形产生畸变。

3 接地保护优化方案探讨

3.1    扩大馈线接地保护配置范围，提高保护动作的灵敏性、快速性

根据核电厂配电系统接地保护现行标准，只有电动机类馈线负荷功率超过一定数值，才考虑配置接地保护，导致大部分电动机负荷没有配置接地保护，需要通过相间短路保护对接地故障进行保护。然而，电动机类负荷因为要考虑躲过电动机启动电流的影响，相间短路保护设定值通常都比较大，相间短路保护灵敏度难以满足接地短路故障的需求。因此，用相间短路保护兼作接地短路保护，往往不能针对电动机接地故障进行快速切除，只能等到接地短路继续发展成相间接地短路，才能由相间短路保护切除故障，延长了保护的动作时间，使设备损害更加严重，同时，还可能导致上游降压变零序电流保护抢先动作，造成越级跳闸。

随着技术的发展，配电盘的制造工艺越来越模块化、智能化，接地保护继电器也越来越微机化、小型化，增设漏电保护继电器和剩余电流互感器所需的空间、成本等限制条件不再突出，可以考虑针对所有电动机类负荷配置接地保护，以实现接地故障的全范围保护，提高接地故障保护动作的灵敏性、快速性。

3.2    进行配电系统接地保护定值核算，优化降压变零序保护配置

相比较中高压电气系统，核电厂配电系统的保护定值核算和灵敏度校验工作在重视程度和执行有效性方面都存在改进的空间。尤其是针对配电系统接地保护的定值核算工作，因涉及各低压配电盘馈线回路短路电流的计算，需收集的数据繁杂，同时需考虑系统、降压变、低压母排及低压电缆的阻抗等信息，部分基础数据存在缺失;接地故障又存在金属性接地、非金属性接地等各种工况，都对配电接地保护的定值核算造成了困难，需要避免单一设备故障越级跳闸导致的整盘失电对核电机组造成瞬态冲击，因此，有必要针对核电厂配电系统接地保护规范开展定值核算和灵敏度校验工作，及时发现保护配置方面的问题，予以改进纠正。

针对核电厂馈线接地保护和降压变零序保护级差配合问题，《厂用电继电保护整定计算导则》（DL/T 1502—2016）9.2.3单相接地零序过流保护，关于动作时间的整定方法要求如下：

（1）下一级有零序过电流保护时，按与下一级单相接地零序过电流保护最大动作时间配合进行计算，级差时间可取0.2～0.3 s。

（2）下一级无零序过电流保护时，按与下一级相电流保护最大动作时间配合进行计算，级差时间可取0.2～0.3 s。

《大型发电機机组继电保护整定计算与运行技术》关于低压厂用变压器继电保护整定计算中，也有针对低压侧中性点零序过流保护动作时间的细致要求：变压器中性点零序过电流保护动作时间可用定时限，也可用反时限，根据下一级零序过电流保护动作特性决定。当低压馈线无熔断器保护时，变压器中性点采用定时限零序过电流保护。当低压馈线有熔断器保护时，变压器中性点侧过电流应与熔断器熔断特性曲线配合，此时变压器中性点侧零序过流保护可采用反时限特性保护。为与熔断器特性配合，其时限级差可取0.5～0.7 s。

根据以上规范要求，针对核电厂配电系统接地保护的级差配合问题，需要优化降压变零序保护配置，主要包括以下两点：

（1）降压变零序保护动作时间不仅需要考虑与馈线接地保护最大动作时间级差配合，还要考虑与馈线相电流保护的最大动作时间级差配合，尤其是馈线采用熔断器保护，需要结合熔断器特性曲线考虑动作时间。

（2）早期投运的核电厂，降压变零序保护继电器大多采用集成电路型继电器，不具备反时限特性，可以利用集成电路型继电器使用年限到期、老化换型的机会，更换为微机型零序保护继电器，增设反时限动作特性。

3.3    注重剩余电流互感器选型，提升剩余电流互感器性能

漏电保护作为核电厂配电系统接地故障的主要保护，在配电系统中得到了大量使用，而剩余电流互感器又是漏电保护中最关键的部件之一，其性能直接影响漏电保护动作的可靠性。但在核电厂设备设计、制造、安装、运维各环节中，往往忽视对剩余电流互感器的技术要求，导致漏电保护拒动或误动，影响配电盘供电可靠性。笔者结合维护经验，主要有以下几点优化建议：

（1）剩余电流互感器的选型，要注意其额定工作电流与回路额定电流相匹配。与回路额定电流偏差过大或过小，都会影响剩余电流互感器性能。前文案例所述的某C核电厂发生的3CVI101PO电动机故障引起的剩余电流互感器饱和问题，原因就在于其剩余电流互感器额定工作电流250 A小于回路工作电流383.4 A，导致负荷发生接地故障时，剩余电流互感器严重饱和，漏电保护拒动。

（2）漏电继电器的工作环境和特点，决定需要选用的剩余电流互感器具有较大的变比、较大的饱和电流倍数、较大的容量。剩余电流互感器不仅需要检测出正常运行期间的负荷不平衡电流或绝缘劣化的漏电流，还要正确反映下游各种接地故障短路电流，尤其是馈线出口或负荷侧入口的短路电流特别大，可能超过额定电流几十倍。这种大跨度的电流传变对剩余电流互感器性能提出了更高的要求，因此剩余电流互感器的铁芯材料建议选用具有高起始磁导率、高磁导率和低矫顽力的铁镍软磁合金材料。

（3）根据剩余电流互感器的工作原理，为了让剩余电流互感器工作在最佳性能点，需要注意现场安装时穿过其导体的捆绑固定方式以及导体截面积与选用的剩余电流互感器内径的比例关系。剩余电流互感器安装规范示意图如图4所示。

4 结语

通过扩大接地保护配置比例、规范开展接地保护定值复核、提升剩余电流互感器性能等各项措施，不断总结经验，优化核电厂低压配电系统接地保护配置，能够有效解决接地保护拒动、越级跳闸等问题，提高核电厂低压配电系统供电可靠性。

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收稿日期：2020-07-06

作者简介：许勇斌（1979—），男，安徽泾县人，工程师，从事电气设备运维工作。