某核电厂变压器有载调压开关保护继电器误动的分析与提升

李 乾，高 超，宋 兵，冯玉辉，高二亚

(中广核核电运营有限公司，深圳 518000)

0 引言

核电厂的厂用变压器、辅助变压器及联络变压器一般都装有有载调压开关，在负载发生变化或电网发生电压波动时，变压器能实现不停电调节变比，以维持负荷或电网电压稳定。保护继电器是变压器非电量保护装置之一，用以保护有载调压开关在操作过程中内部发生故障时，进行准确判断和动作，达到保护有载调压开关和变压器本体的目的。保护继电器由于厂家制造质量、运输、校验或安装不当等因素，实际运行中极易发生故障，导致误动作出口跳闸，给核电厂安全稳定运行带来极大影响。某核电厂就曾发生因厂用变压器有载调压开关保护继电器误动作造成停机停堆的重大事故。

本文通过某核电厂厂用变压器有载分接开关保护继电器误动作导致停机停堆的事故反馈，对保护继电器工作原理和结构进行了分析研究，并结合本公司实际提出改进提升措施。

1 故障简介

某核电厂#3机组厂用变压器A的C相有载调压开关保护继电器故障，触发重瓦斯信号，使得发变组非电量保护装置直接出口跳闸厂用变压器A，造成核电厂停机停堆事故。

停机后检查变压器A有载调压开关压力释放阀等附件未见异常；后分别对变压器本体及有载调压开关油取样分析，数据均合格；变压器绕组绝缘、直阻和变比等均正常，检查结果确认变压器及有载调压开关无异常。

目视检查变压器A，发现C相保护继电器内干簧管进油，且有气泡产生，其它两相正常。测量C相保护继电器干簧管接点处于导通状态(正常应为断开)，拆开保护继电器内部，发现干簧管尾部断裂，见图1。故确认本次停机原因为保护继电器误动作造成出口跳闸。

图1 干簧管尾部断裂示意图

通过整体更换保护继电器并确认功能正常后，变压器A送电成功，故障消除。

2 保护继电器介绍

2．1 功能及结构介绍

有载调压开关在变压器中都有独立油室，并安装独立的呼吸器、油枕及保护继电器等，用于保护有载分接开关安全操作。保护继电器安装于分接开关本体与油枕之间，通过油联管相连接，见图2。

图2 保护继电器位置示意图

该核电厂使用的保护继电器为德国MR公司生产的RS-2001系列，额定油流速度为3 m/s，与本公司所有核电厂使用的厂家型号均相同。该型保护继电器外壳由铝合金制成，具有良好的防腐蚀能力，继电器两端有法兰盘，分别与有载调压开关侧和油枕侧的联管相连。继电器侧面有玻璃视窗，用于查看挡板位置及干簧管状态。干簧管尾部引线为焊接连接，引出线均已固定，且干簧管玻璃管中部设计了固定支撑，并加装有缓冲套，干簧管的接线端子位于端子盒内。端子盒和继电器油室由不透明密封隔离，端子盒设有通气的遮蔽孔。端子盒中的两个试验按钮用于检查继电器的跳闸功能和挡板复位，局部结构见图3。

图3 结构图

2．2 动作原理介绍

保护继电器内动作元件由带永久磁铁的挡板组成，该磁铁用于驱动干簧管内的两个簧片动作，并将挡板吸牢在“IN SERVICE”(运行)位置上。挡板不能停留在中间位置上，保护继电器只有在开关头到油枕发生油流动时才动作。流动的油驱动挡板翻转到”OFF”(断开)位置，由此驱动干簧片常开触点闭合，见图4。

图4 动作原理示意图

当有载调压开关在调压操作过程中发生故障时，会产生大量气体积聚，并形成高速油流通过联管，经保护继电器冲向油枕。当油流速度超过定值时，推动保护继电器内部挡板发生翻转，使得干簧管中的常开触点闭合，回路导通，重瓦斯信号送入非电量保护装置后出口跳闸，切除变压器。

3 保护继电器故障原因

干簧管是保护继电器的核心元件，也是相对脆弱的元件，干簧管的好坏直接影响到保护继电器功能是否正常。

3．1 运输、校验或安装过程中的外力冲击

保护继电器在运输、校验或安装过程中，可能会受外力冲击，干簧管局部受力过大，会导致玻璃管产生裂纹，尤其是玻璃管根部薄弱位置。本公司某核电厂曾发生外送校验9个气体继电器，返回后有6个发生干簧管断裂。分析原因为运输不当或校验过程中受油流冲击力过大造成。

3．2 制造缺陷

干簧管玻璃主体管壁较薄，尾部引线管壁较厚。经与厂家沟通了解，干簧管与尾部密封在制造工艺上存在差别。如果温度与时间控制出现偏差会使干簧管尾部局部过热，导致尾部较厚的实心部位与本体接合处产生应力集中。随着运行时间的增长，玻璃管内外压差导致该处产生裂纹并逐步扩大，最终形成贯穿尾部与本体接合处的环形裂纹，见图5。

图5 制造缺陷示意图

4 改进提升

保护继电器因运输、校验或安装过程中的外力冲击及生产制造工艺控制不当，存在可靠性下降，运行中维修不可达的问题。在机组功率运行过程中，为避免保护继电器误动作直接出口跳闸引起停机停堆事故，需提高维修手段和改进提升保护继电器跳闸逻辑。

4．1 维修手段提升

公司之前对保护继电器及气体继电器的维修主要进行二次回路校验、接线盒密封情况检查等。通过吸收某核电厂的事故反馈，公司已升版维修程序，要求每次停机检修都要执行对保护继电器及气体继电器玻璃视窗内的可视部分进行外观检查，确保无异常，测量干簧管断口绝缘，满足标准要求(1 000 VDC测量，绝缘电阻≥10 MΩ)。

4．2 保护继电器跳闸逻辑改进提升

4．2．1 干簧管内部“2取2”串联出口跳闸方案(见图6)

图6 改进提升方案1

保护继电器改为双干簧管配置。继电器内部两个干簧管触点串接后，送至非电量保护装置出口跳闸，外部跳闸信号线不变，实现2取2逻辑。

该方案可消除单一故障误动风险，改造成本低、工作量小、实现简单、短时间内可完成，并且有厂家成熟产品及较多应用案例和运行业绩。

但该方案也存在理论上增加拒动风险，且无法及时识别单一干簧管故障的风险。

4．2．2 干簧管外部“2取2”串联出口跳闸方案(见图7)

图7 改进提升方案2

保护继电器改为双干簧管配置。两个干簧管触点分别送至新增的两个中间继电器，两中间继电器常开触点串联后，送至非电量保护装置出口跳闸，跳闸信号线需转接，实现2取2逻辑。单个干簧管动作启动报警。

该方案可消除单一故障误动风险，实现单一干簧管动作监视，改造成本较低，工作量较小。但该方案跳闸信号线需转接，理论上增加新增继电器拒动和失效风险，并且行业内也无此设计优化先例。

4．2．3 干簧管外部“3取2”串联出口跳闸方案(见图8)

图8 改进提升方案3

保护继电器改为三个干簧管配置。三个干簧管触点分别送至新增的三个中间继电器，然后三个中间继电器辅助触点两两串联后三组并接，送至非电量保护装置出口跳闸，跳闸信号线需中转，实现3取2逻辑。单个干簧管动作启动报警。

该方案实现逻辑清晰，信号扩展方便，可消除单一故障误动和拒动风险，实现单一干簧管动作监视。但该方案跳闸信号线需转接，改造成本及工作量相对较大，理论上增加了新增设备失效风险。

4．2．4 外部双重“3取2”装置出口跳闸方案(见图9)

图9 改进提升方案4

保护继电器改为三个干簧管配置，同时新增两台非电量保护装置、两台3取2装置及保护屏柜等。三个干簧管触点分别送至三台非电量保护装置，每台3取2装置通过光纤接收三台非电量保护装置(PCS-974)的动作信号。在三台PCS-974装置均正常工作的情况下，对非电量动作信号取3取2逻辑，当有两台PCS-974装置在同一位非电量动作信号变为1时，3取2装置动作出口跳闸。具体原理图见图9。

该方案相比2取2串联出口跳闸方案，可有效降低单一故障误动和拒动风险，且有成熟应用经验和运行业绩。

但该方案新增设备较多，改造成本及工作量非常大，完成改造时间较长，且仅可针对南瑞保护装置实现，理论上在极端情况下增加了新增设备出故障的概率。

4．2．5 非电量保护装置逻辑可编程“3取2”判断出口跳闸方案

保护继电器改为三个干簧管配置，同时非电量保护装置新增两个跳闸通道卡件或更换一个有三个跳闸通道的非电量保护装置，三个干簧管接点分别送至对应的三个跳闸通道，通过非电量保护装置逻辑可编程实现3取2判断出口跳闸。

该方案相比2取2串联出口跳闸方案，可有效降低单一故障误动和拒动风险，工作量较小，实现简单，厂家有成熟产品。但该方案改造成本较高及完成改造时间较长，且仅可针对西门子保护装置实现，理论上在极端情况下存在逻辑出错导致误动和拒动的可能。

4．2．6 方案对比列表(见表1)

4．3 方案分析

4．3．1 由于核电厂在功率运行期间，基本不进行有载调压操作，且保护继电器主要用于保护有载调压开关在切换操作过程中出现的故障，所以干簧管破裂后误动的故障后果大于拒动的后果。目前拒动模式没有相关案例反馈，即使发生拒动，变压器电量保护也要先于非电量保护出口动作。据此，对以上5个改进提升方案优缺点综合对比分析，优先选择方案1。

表1 方案对照表

4．3．2 依据《中国南方电网公司继电保护反事故措施汇编》3．3．3要求：气体继电器由中间端子箱引出的电缆应直接接入保护柜。《防止电力生产事故的二十五项重点要求及编制释义》12．3．3要求：变压器本体保护宜采用就地跳闸方式，即将变压器本体保护通过较大启动功率中间继电器的两对触点分别直接接入断路器的两个跳闸回路，减少电缆迂回带来的直流接地、对微机保护引入干扰和二次回路断线等不可靠因素的规定。方案2和方案3都是通过信号线转接实现，都不满足上述规格要求，因此不宜采用。

4．3．3 依据《防止电力生产事故的二十五项重点要求及编制释义》21．2．3要求：换流变压器非电量保护跳闸触点应满足非电量保护3取2配置的要求，按照3取2原则出口。根据以上规定，核电变压器有载调压开关保护继电器采用方案3是属于由中间端子箱引出的信号线直接接入保护装置，不违反相关规定。结合电网公司换流变有载分接开关保护继电器均采用3取2出口跳闸的运行经验及3取2方案的优缺点分析，新建电厂或在运机组结合发变组保护装置换型改造计划，可根据保护装置厂家选型优选方案4或方案5。

5 结论

变压器有载调压开关保护继电器内干簧管是机组关键敏感零部件，其故障引起的误动作将直接导致停机停堆，给电厂经济效益带来巨大损失。而保护继电器个别产品的制造缺陷不可避免，且不易发觉，需通过提高维修手段和改进跳闸逻辑来提高保护继电器可靠性。在实现消除单个干簧管误动风险的基础上，从减少新增设备失效概率、方便现场实施和提升整体可靠性考虑，在运电厂优选保护继电器方案1，同时保护继电器优选三个干簧管配置，后续结合电厂发变组保护装置换型改造计划，进行方案3升级。而新建电厂可以一步到位选择方案3。

上述优选方案同样适用于提升火电厂、矿用单位变压器有载调整开关保护继电器的升级改造。