循泵房配电系统三极双电源切换装置应用分析

丁帅永

摘要：某核电厂循泵房配电系统为保障循泵辅助负荷电源可靠性，采用三级双电源切换装置提供冗余电源。三极双电源切换装置应用使系统内产生非预期的电流路径，影响保护整定计算和配合，降低电源可靠性。本文分析三极双电源切换装置对电流路径变化、保护整定计算、保护配合的影响，提出合理的保护整定原则和保护配合修改建议，对类似问题整改及后续项目设计具有借鉴意义。

关键词：三极双电源切换装置  电流路径  接地保护  保护配合

长期以来，低压配电系统设计未得到足够重视，在系统设计、设备选型等方面还存在诸多问题，威胁配电系统的可靠运行，其中，双电源切换开关的选型不当甚至会影响人身安全[1-2]。某核电厂循泵房低压交流配电系统（以下简称为循泵房配电系统）采用TN-S接地型式，电机控制中心进线采用三极双电源切换装置（以下双电源切换装置简称ATS），循泵房两段电源间N线连通不能被切断，使系统产生非预期电流路径。在电机控制中心馈线发生单相短路（相线N线短路，本文中称此为单相短路）将可能导致电机控制中心母线同时失去两路电源。本文重点分析采用三极ATS后N线连通对电流路径、保护整定计算和保护配合的影响，并提出具有普遍适用性的改进建议。

1 循泵房配电系统配置

1.1循泵房配电系统概况

循泵房配电系统概况如图1所示。干变低压侧配置CT作为SEL-351接地保护输入，用于跳闸负荷中心（以下负荷中心简称LC）进线断路器;LC采用ABB Emax断路器配置PR122电子脱扣器，其中LC进线、母联采用四极开关、LC馈线采用三极开关;电机控制中心（以下电机控制中心简称MCC）进线采用ASCO 7000系列或OTM800 PC级三极ATS，无电流保护功能;MCC馈线分为4种：（1）Tmax塑壳断路器配置PR221电子脱扣器;（2）Tmax塑壳断路器配置TMD或TMA脱扣器;（3）Tmax塑壳断路器配置MF或MA脱扣器附加simocode;（4）Tmax塑壳断路器（配置MA、MF或PR221电子脱扣器）和热继电器，部分MCC馈线配有接地故障继电器。

1.2循泵房配电系统保护配置

循泵房配电系统保护配置类型如图1，其中LC馈线及MCC馈线详细保护配置如表1所示。配电系统采用剩余电流原理的接地保护，判据为   [3]。接地保护配合关系为：干变低压侧SEL装置接地保护采用反时限，LC进线、LC母联、LC馈线接地保护、MCC馈线接地保护（如有）采用定时限，上下游动作曲线互相配合，LC断路器接地保护动作电流取最小可整定值。对于未配置接地保护的MCC馈线回路，采用短路短延时或速断保护兼做单相接地保护，如灵敏系数不满足，则配置单独的接地保护。

2 N线连通对电流路径的影响

MCC进线采用三极ATS使N线连通，以E32为例，采用电流路径分析法，分析系统N线连通对电流路径的影响。如图2所示，LC母线E3、F3分列运行，LC馈线E32（52-1）和E32（52-2）合闸，E32由E3带载。当E32母线存在不平衡电流（极端情况如线路末端单相短路），不平衡电流在连通N线处分流，一部分In1正常流回E3段干变中性点，另一部分In2通过非预期电流路径经F3段N线、F3段接地点、E3段接地点流回E3段变压器中性点。可见，N线连通导致E3段N线电流减小In2，F3段N线流过非预期电流In2。因此LC母线进线断路器E3M（52）/F3M（52）、LC馈线断路器E32（52-1）/E32（52-2）均检测到接地故障电流  ，判断发生接地故障，而实际接地故障并不存在。

3 电流路径变化对保护配合的影响

由章节2的分析可知，N线连通只会影响N线电流路径，不会导致相线电流的变化，LC进线、LC母联、LC电源馈线、MCC馈线L和S（或I）保护均使用相电流作为保护判断的输入，故N线连通不影响L、S或I保护配合关系。

以下首先说明短路电流计算方法，然后分析MCC馈线单相短路，N线连通对LC断路器接地保护正确动作的影响。

3.1短路电流计算方法

计算短路电流时只考虑直接短路，不考虑非金属性短路;保护配合关系分析时，需考虑非直接短路时保护动作曲线的配合。低压系统短路电流使用有名值计算较为方便，低压系统单相接地短路计算引入相保阻抗的概念，计算公式如下：

式中，R（1）、R（2）、R（0）、X（1）、X（2）、X（0）、Z（1）、Z（2）、Z（0）分别表示短路电路正序、负序、零序电阻，正序、负序、零序电抗，正序、负序、零序阻抗;Rphp、Xphp、Zphp分别表示短路电路相线-保护线回路（简称相保）电阻、相保电抗、相保阻抗;R（0）.ph、X（0）.ph、Z（0）.ph分别表示电缆相线的零序电阻、电抗、阻抗。R（0）.p、X（0）.p、Z（0）.p分別表示电缆N线或PE线的零序电阻、电抗、阻抗; 表示电压系数，计算单相接地、三相短路电流时分别取1、1.05;Un表示标称线电压;RS、RT、Rm、RL（XS、XT、Xm、XL）分别表示系统、干变、母线、电缆电阻（电抗）;Rphp.s、Rphp.T、Rphp.m、Rphp.L（Xphp.s、Xphp.T、Xphp.m、Xphp.L）分别表示系统、干变、母线、电缆相保电阻（电抗）。

3.2 MCC馈线单相短路导致LC断路器越级跳闸

以MCC馈线2与LC电源馈线E32为例说明N线连通对保护配合关系的影响。MCC馈线2短路电流计算各元件参数如表2。

使用表2参数和3.1短路计算方法得出MCC馈线2末端单相短路电流Ik1=289.5A。如图3所示，LC E32电源馈线G保护设定值126A，延时0.2s（定时限），MCC馈线2在线路末端单相短路时动作时间为2.5s，此时In1=In2=289.5/2=144.75A（MCC两路进线N线长度截面相同），对于上游两路LC E32电源馈线断路器IG=In2=144.75A>126A ，在MCC馈线断路器动作前，上游两路LC电源馈线断路器接地保护动作越级跳闸，即使馈线2按如上原则配置接地保护，在此情况下也不能避免LC电压馈线断路器越级跳闸。

4 合理化建议

4.1 更改整个配电系统接地保护判据

LC断路器越级跳闸根本原因是N线连通时的分流作用，现LC接地保护判据采用剩余电流原则  时，N线电流的变化对接地保护的正确动作影响较大，建议将其更改为零序电流原则  ，使N线电流的变化不会影响接地保护的正确动作。

将接地保护改为零序电流原则 的具体方案：干变低壓侧零序CT位置调整至N线和干变中性点之间[4];LC断路器采用PR122电子脱扣器，通过菜单设置关闭中性线保护即可 ，对于LC馈线，还可通过取消外部N线传感器实现[5];配置接地保护的MCC馈线回路只将A、B、C相穿过穿心CT即可，同时适当调整各接地保护定值。

4.2 重新调整保护配合关系

为实现保护的选择性，可采取MCC馈线与其上级断路器接地保护的配合[6]，即对原先未配置接地保护的MCC馈线回路，要求过流保护（包括反时限过流、速断过流或定时限过流）与上级LC馈线的零序电流原则接地保护作配合，通常当MCC馈线回路采用PR221时，其S/I定值调整范围大可满足要求，如不满足要求，则对其增加零序原则接地保护。对本例中的馈线2（负载电流14A）可增加零序电流原则的接地保护，定值按躲过不平衡电流设定，其动作值远小于上级接地保护动作值126A，保证上下级全选择性配合。

5 结语

本文通过分析三极双电源切换装置对循泵房配电系统电流路径、保护整定计算和保护配合的影响，结合实例计算表明，MCC馈线发生单相短路（相线N线短路）时，存在MCC两路LC电源馈线断路器同时越级跳闸的情况。提出将整个配电系统接地保护由剩余电流判据改为零序电流判据，对未配置接地保护的MCC馈线，重新校核其过流保护与上级LC馈线接地保护的配合关系，如配合困难则对其增加零序电流判据的接地保护，通过这些措施，可有效避免MCC馈线故障导致越级跳闸故障。后续机组在设计阶段，多电源配电系统承担电源转换功能的装置，如ATS、LC母联断路器、就地控制箱中的接触器切换电源装置，应避免出现两路电源N线连通的情况，防止对保护的正确动作产生影响，也便于全厂配电系统保护整定原则统一。

参考文献

[1]姜思滢，尹禹鉴.低压配电系统中存在的问题与应对措施[J].黑龙江科学，2018，9（24）：132-133.

[2]盖家鹏，赵明星.探讨配电系统双电源自动投切装置的选型[J].电子世界，2020（22）：196-197.

[3]陈航宇.不同接地型式的低压配网剩余电流保护适应性研究[D].厦门：厦门理工学院，2021.

[4]沈金锁.城市轨道交通配电变低压侧中性点接地方案探讨[J].都市快轨交通，2019（3）：96-97

[5]李烨.AP1000主交流系统电气设备特点及问题分析[D].上海：上海交通大学，2019.

[6]王海峰，李浩，国旭.发电厂低压厂用电越级跳闸——零序保护整定值应用分析[J].电力设备管理，2021（1）：96-97.