核电厂辅助变压器进线回路断相监测方案研究

魏　巍，陈海龙

核电厂辅助变压器进线回路断相监测方案研究

魏巍1，陈海龙2

（1. 华龙国际核电技术有限公司，北京 100037；2. 许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000）

辅助变压器回路的断相故障监测是核电厂中最为关心的问题之一。断相故障可能会引起核电厂厂用电系统出现异常工况，例如母线电压不平衡、运行的设备跳闸、备用设备无法启动等。若核电厂在正常运行方式下，辅助变压器回路高压侧未能及时检测到断相故障，一旦发电机母线失去电压需切换至厂外辅助电源供电，可能会导致关键的电动机跳闸，甚至是系统安全功能丧失，以致核电厂不能安全停堆。本文针对国内常用的辅助变压器方案提出了两种监测断相故障的方案，通过对断相监测方案的分析，并运用PSCAD/EMTDC软件建模仿真，分析出两种方案的特点，得出在针对核电厂不同的辅助变压器方案时，如何选择断相监测方案才能更准确、更有效的识别出断相故障。

核电厂；辅助变压器；断相故障；监测方法

国外核电厂发生过多起核电断相故障，国际原子能机构（IAEA）和美国核管会（NRC）对核电厂的断相故障极为重视，要求各国主要核安全监管局对核电厂的断相故障开展研究，并给出核电厂应对断相故障的措施。断相发生的位置和原因有很多，天气变化、外力机械损伤、设备老化、电蚀等多种原因都会导致架空输电线路、隔离开关、断路器、电缆、变压器等电气设备发生断相。

辅助变压器长期处于热备用状态，变压器高压侧为空载电流，常规的电流互感器无法检测到高压侧的空载小电流，现有的监测方案无法实现断相监测[1]。本文重点研究辅助变压器高压侧空载电流的监测方案。

经过调研，国内有两种能够检测这种小电流的监测方法，注入式变压器线路断相监测系统和光学电流互感器断相监测系统。我国核电厂常用的辅助变压器方案为2台双卷变和1台三卷变。本文基于这两种设备提出了能够解决辅助变压器回路断相故障的监测方案，通过仿真建模，分析了不同监测方案的特点，对于不同接线的核电厂如何选择辅助变压器进线回路断相监测方案具有指导意义。

1　注入式变压器线路断相监测方案

注入式变压器线路断相监测系统能够在辅助变压器高压侧发生断相故障时进行监测和保护，通过辅助变压器接地中性点向系统注入非工频电流信号，来构成独立的零序回路，通过测量该零序回路电流的大小，来判别断相故障的发生。

1.1　2台双卷变配置1套断相监测装置的断相监测方案

当辅助变压器方案为2台双卷变时，在#1变压器上配置1套断相监测装置进行研究，配置方案如图1所示。

图1　2台双卷变配置1套断相监测装置的断相监测方案

依据上述断相监测方案，分析非工频注入电流的流向：注入电流由1#变压器中性点向系统流入，经由1#变压器区域流向220 kV母线，在220 kV母线处进行分流，一回经由2#变压器区域通过2#变压器中性点返回到1#变压器中性点形成环路，另外一回经由线路和外部区域通过电网等效系统的中性点返回到1#变压器中性点形成环路。由此分析可得注入电流信号的零序等效电路，如图2所示。

图2　2台双卷变配置1套断相监测装置的零序等效电路

图2中：t1为1#变区域的阻抗，即1#变压器阻抗；t2为2#变区域的阻抗，即2#变压器阻抗；s为线路和外部区域的阻抗，即架空线路阻抗和电网等效阻抗之和；CT01测量的零序电流为n1；CT02测量的零序电流为n2。

对图2的零序等值电路图分析可知，s与t2是并联关系。当系统正常运行时，由注入电源n通过#1变压器中性点向系统注入非工频零序电流n1，经过t1后分流成零序电流n2和ns。因此，该零序等效电路的零序电流关系为n1=n2+ns。当1#变区域发生断相故障时，t1回路由于断相无法构成通路，因此零序电流也无法流向t2和s回路。此时，整个零序电路都没有零序电流。当2#变区域发生断相故障时，t2回路由于断相无法构成通路，此时t1和s是串联关系，零序电流关系为n1=ns。当线路和外部区域发生断相故障时，s回路由于断相无法构成通路，此时t1和t2是串联关系，零序电流关系为n1=n2。

在上述分析中，s回路的零序电流ns只作为理论分析用，在实际保护方案配置时并不测量，该保护方案是利用电流互感器CT01和CT02测量厂区内部1#变压器和2#变压器区域的零序电流n1和n2作为判断是否发生断相的依据。

经过上述分析，可得出以下结论：

（1）当系统正常运行时，n1＞n2≠0；

（2）当1#变区域发生断相故障时，n1=n2=0；

（3）当2#变区域发生断相故障时，n2=0，n1≠0；

（4）当线路和外部区域发生断相故障时，n1=n2≠0。

由以上分析可知，在不同区域发生断相故障时，n1、n2电流特征有明显差别，这样就可由不同的电流特征判断出断相故障所发生的故障区域，在故障区域内排查断相故障发生的原因，从而缩短故障排查时间。

1.2　2台双卷变配置2套断相监测装置的断相监测方案

当辅助变压器为2台双卷变时，在#1变压器和#2变压器上各配置1套断相监测装置进行研究，配置方案如图3所示。

依据上述断相监测方案，分析非工频注入电流的流向：配置在1#变压器上的断相监测装置，其注入电流由1#变压器中性点向系统流入，经由1#变压器区域流向220 kV母线与线路和外部区域，通过电网等效系统的中性点返回到1#变压器中性点形成环路。配置在2#变压器上的断相监测装置，其注入电流由2#变压器中性点向系统流入，经由2#变压器区域流向220 kV母线与线路和外部区域，通过电网等效系统的中性点返回到2#变压器中性点形成环路。由此分析可得注入电流信号的零序等效电路，如图4所示。

图4中：t1为1#变区域的阻抗，即1#变压器阻抗；t2为2#变区域的阻抗，即2#变压器阻抗；s为线路和外部区域的阻抗，即架空线路阻抗和电网等效阻抗之和；CT01测量的零序电流为n1；CT02测量的零序电流为n2。

图3　2台双卷变配置2套断相监测装置的断相监测方案

图4　2台双卷变配置2套断相监测装置的零序等效电路

对图4的零序等值电路图（a）和（b）进行分析可知，s与t1是串联关系，s与t2也是串联关系。当系统正常运行时，由注入电源n1和n2分别通过#1变压器中性点和#2变压器中性点向系统注入非工频零序电流n1和n2。两台辅助变压器选型一致，220 V开关站至两台辅助变压器的线路长度也基本相同，因此两套保护装置的选型也相同。由此可知，在系统正常运行时t1=t2，n1=n2。当1#变区域发生断相时，t1回路由于断相无法构成通路，因此1#断相监测装置的零序等值电路中没有零序电流流过，此时2#断相监测装置不受影响，其零序等值电路是有零序电流n2流过的。当2#变区域发生断相时，t2回路由于断相无法构成通路，因此2#断相监测装置的零序等值电路中没有零序电流流过，此时1#断相监测装置不受影响，其零序等值电路是有零序电流n1流过的。当线路和外部区域发生断相故障时，s回路由于断相均无法构成通路，此时1#、2#断相监测装置的零序等值电路中均没有零序电流流过。

经过上述分析，可得出以下结论：

（1）当系统正常运行时，n1=n2≠0；

（2）当1#变区域发生断相时，n1=0，n2≠0；

（3）当2#变区域发生断相时，n2=0，n1≠0；

（4）当线路和外部区域发生断相时，n1=n2=0。

由以上分析可知，在不同区域发生断相故障时，n1、n2电流特征有明显差别，同样可由不同的电流特征判断出断相故障所发生的故障区域，在故障区域内排查断相故障发生的原因，从而缩短故障排查时间。

通过上述对辅助变压器为2台双卷变的方案配置1套和2套断相监测装置，可知两种方案都可由不同的电流特征判断出断相故障所发生的故障区域，如表1所示。

表1　2台双卷变配置1套和2套断相监测装置可检测故障区域的特征分析

1.3　1台三卷变配置1套断相监测装置的断相监测方案

当辅助变压器为1台三卷变时，在1#变压器上配置1套断相监测装置进行研究，配置方案如图5所示。

图5　1台三卷变配置1套断相监测装置的断相监测方案

依据上述断相监测方案，分析非工频注入电流的流向：配置在1#变压器上的断相监测装置，其注入电流由1#变压器中性点向系统流入，经由1#变压器区域流向220 kV母线与线路和外部区域，通过电网等效系统的中性点返回到1#变压器中性点形成环路。由此分析可得注入电流信号的零序等效电路，如图 6所示。

图中：t1为1#变区域的阻抗，即1#变压器阻抗；s为线路和外部区域的阻抗，即架空线路阻抗和电网等效阻抗之和；CT01的测量电流为n。

对图6的零序等值电路图进行分析可知，s与t1是串联关系。当系统正常运行时，由注入电源n通过 1#变压器中性点向系统注入非工频零序电流n。当1#变区域发生断相时，t1回路由于断相无法构成通路，零序等效电路没有电流流过。当线路和外部区域发生断相故障时，s回路由于断相无法构成通路，零序等效电路没有电流流过。

图6　1台三卷变配置1套断相监测装置的零序等效电路

经过上述分析，可得出以下结论：

（1）当系统正常运行时，n≠0；

（2）当1#变区域发生断相故障时，n=0；

（3）当线路和外部区域发生断相故障时，n=0。

由以上分析可知，无论哪个区域发生断相故障，系统的电流特征都是n=0。对于辅助变压器方案为1台三卷变时，配置注入式变压器线路断相监测装置作为断相监测方案，可以及时检测出断相故障，但无法判断故障发生区域，即需要从1#变区域与线路和外部区域同时进行排查。

2　辅助变压器回路断相仿真建模与分析

运用PSCAD/EMTDC软件对辅助变压器为2台双卷变和1台三卷变的厂用电系统方案配置注入式变压器线路断相监测方案，并进行仿真建模分析。

2.1　仿真建模

该断相监测方案采用在辅助变压器高压侧中性点外加注入电源的方式进行断相检测，注入电源及其配套设备的参数如表2所示。

表2　注入电源及其配套设备的参数

续表

注入电源及其配套设备参数 注入频率75 Hz 注入电流互感器600/10 测量电流互感器2/1 辅变高压侧电流互感器300/1

2.1.12台双卷变配置1套断相监测装置的断相监测方案

针对辅助变压器为2台双卷变的方案，在1#变压器上配置1套注入式变压器线路断相监测装置，建立了某核电厂厂用电系统仿真模型，仿真模型的参数如表3～表5所示。

表3　2台双卷变仿真模型参数

表4　线路仿真模型参数

表5　220 kV电网系统仿真模型参数

建立的仿真模型如图7所示。

2.1.22台双卷变配置2套断相监测装置的断相监测方案

针对辅助变压器为2台双卷变的方案，在1#变压器和2#变压器上分别配置1套注入式变压器线路断相监测装置，建立了辅助变压器方案为2台双卷变的某核电厂厂用电系统仿真模型，仿真模型的参数同表3～表5，建立的仿真模型如图8所示。

图7　2台双卷变配置1套断相监测装置的仿真模型

2.1.31台三卷变配置1套断相监测装置的断相监测方案

针对辅助变压器为1台三卷变的方案，在1#变压器上配置1套注入式变压器线路断相监测装置，建立了辅助变压器方案为1台三卷变的某核电厂厂用电系统仿真模型，仿真模型的参数如表6～表8所示。

表6　1台三卷变仿真模型参数

续表

名称参数 接线形式YN，d11-d11 中性点接线方式高压侧中性点直接接地

表7　线路仿真模型参数

表8　220 kV电网系统仿真模型参数

建立的仿真模型见图9所示：

图9　1台三卷变配置1套断相监测装置的仿真模型

2.2　仿真分析

2.2.12台双卷变配置1套断相监测装置的断相监测方案

在辅助变压器高压侧的不同位置发生断相故障时进行仿真，运行参数如表9所示。

表9　2台双卷变配置1套断相监测装置的断相运行参数

2.2.22台双卷变配置2套断相监测装置的断相监测方案

在辅助变压器高压侧的不同位置发生断相故障时进行仿真，运行参数如表10所示。

表10　2台双卷变配置2套断相监测装置的断相运行参数

2.2.31台三卷变配置1套断相监测装置的断相监测方案

在辅助变压器高压侧的不同位置发生断相故障时进行仿真，运行参数如表11所示。

表11　1台三卷变配置1套断相监测装置的断相运行参数

从以上仿真结果来看，与上述理论分析结果一致。由此可以进一步说明，当辅助变压器方案为2台双卷变时配置1套和2套注入式变压器线路断相监测装置，在发生断相故障时，都可以缩小故障排查范围；当辅助变压器方案为1台三卷变时，只能及时检测出断相故障的发生。

3　光学电流互感器断相监测方案

光学电流互感器是基于法拉第（Faraday）磁光效应原理进行电流采集的互感器，具有绝缘结构简单、无二次开路危险、无爆炸、暂态性能好、无磁饱和、抗干扰能力强等优点[2,3]。辅助变压器由于平时处于空载状态，高压侧的空载电流极小，一般为毫安级，普通的电流互感器无法检测到，而光学电流互感器具有测量范围广、精度高等优点，因此本文采用光学电流互感器监测方法作为辅助变压器进线回路断相的监测方案。光学电流互感器将一次传感部分使用光缆制作成光纤传感环，直接缠绕在辅助变压器的高压套管上[4]，用于测量辅助变压器空载时的电流，进而实现辅助变压器空载状态下的断相监测。

图10为辅助变压器方案为2台双卷变的光学电流互感器断相监测配置方案，该方案在辅助变压器的进线线路A、B、C三相上分别配置一台光学电流互感器，共需6台光学电流互感器。每台辅助变压器配置的3台光学电流互感器检测到的参数传输到1套继电保护装置进行处理与逻辑判断，2台辅助变压器共需2套继电保护装置。现对该断相监测方案进行分析：

图10　2台双卷变配置光学电流互感器断相监测方案

（1）当系统正常运行时，通过光学电流互感器CT1、CT2、CT3、CT4、CT5、CT6测量2台辅助变压器A、B、C三相的空载电流，分别传输到2套继电保护装置中显示。

（2）若继电保护装置1中显示有一相或两相电流为0，其余相仍为空载电流，而继电保护装置2中三相均为空载电流，由此可以分析出断相发生区域为1#变区域，而且可以识别出电流为0的相为故障相，只需从1#变区域排查断相发生的具体位置即可。

（3）若继电保护装置2中显示有一相或两相电流为0，其余相仍为空载电流，而继电保护装置1中三相均为空载电流，由此可以分析出断相发生区域为2#变区域，而且可以识别出电流为0的相为故障相，只需从2#变区域排查断相发生的具体位置即可。

（4）若2套继电保护装置中，不同相的电流为0，其余相仍为空载电流，由此可以分析出1#变区域和2#变区域都发生了断相，而且可以识别出电流为0的相为故障相，需从这两个区域分别排查断相发生的具体位置。

（5）若2套继电保护装置中，相同相的电流为0，其余相仍为空载电流，可以识别出电流为0的相为故障相，由此可以分析出断相发生的区域可能在线路和外部区域，也可能是1#变区域和2#变区域都发生了断相，需要从线路和外部区域、1#变区域和2#变区域同时排查。

图11为辅助变压器方案为1台三卷变的光学电流互感器断相监测配置方案，该方案在辅助变压器的进线线路A、B、C三相上分别配置一台光学电流互感器，共需3台光学电流互感器。3台光学电流互感器检测到的参数传输到1个继电保护装置进行处理与逻辑判断。现对该保护配置方案进行分析：

图11　1台三卷变配置光学电流互感器断相监测方案

（1）当系统正常运行时，通过光学电流互感器CT1、CT2、CT3测量辅助变压器A、B、C三相的空载电流，传输到继电保护装置中显示。

（2）当辅助变压器回路中任意一相或两相发生断相时，发生断相相的电流为0，其余非断相相的电流仍为空载电流，由此可以判断出系统有断相发生，而且可以识别出故障相。但是，无法判断出故障发生区域，需要从1#变区域与线路和外部区域同时进行排查。

4　辅助变压器回路断相监测方案分析

上文基于两种断相监测设备对国内常用辅助变压器方案的断相监测方案进行了配置研究，经过上述理论分析和仿真验证，得出两种断相监测方案有以下特点：

由表12可以看出，注入式变压器线路断相监测方案在发生断相故障时不能够识别故障相，但当辅助变压器方案为2台双卷变时可以缩小故障排查的范围，从而缩短故障排查时间，保证辅助变压器回路的可用性；光学电流互感器断相监测方案对于任何辅助变压器方案都可以识别故障相，但当辅助变压器方案为2台双卷变时，对于部分断相故障可以缩小故障排查的范围，保证辅助变压器的供电可靠性。

表12　不间断相监测方案特点的对比分析

5　结论

本文针对我国核电厂常用的辅助变压器方案（2台双卷变和1台三卷变）进行了断相监测方案的研究，通过对不同断相监测方案进行理论分析，并运用PSCAD/EMTDC软件仿真建模验证，分析出不同断相监测方案的特点，并得出以下结论：

（1）当辅助变压器方案为2台双卷变时，选用1套或2套注入式变压器线路断相监测方案都能够解决断相问题，且都能缩小故障排查范围，但相对于2套来说，选用1套注入式变压器线路断相监测方案经济性更好。

选用6台光学电流互感器断相监测方案亦能够解决断相问题，与选用1套注入式变压器线路断相监测方案相比各有优缺点：从故障排查区域来看，1套注入式变压器线路断相监测方案能够缩小故障排查范围，6台光学电流互感器断相监测方案只有在部分断相情况下能够缩小故障排查范围；从识别故障相来看，6套光学电流互感器断相监测方案较为合适。这两种断相监测方案都可以缩短故障排查时间。在实际工程中选择断相监测方案时，可以基于以上技术方面的分析，再结合经济性综合考虑作出决策。

（2）当辅助变压器方案为1台三卷变时，优先选用光学电流互感器断相监测方案，该方案可以识别出故障相，从而缩短故障排查时间。

（3）本文提出的2种断相监测方案适用性较广，无论是目前常用的辅变方案还是新的优化辅变方案都适用。由于安装时无需拆卸原有一次连接，安装维护简便，对于新建核电厂适用，对于在运和在建的核电厂也都可以改造使用。

［1］ 李阳. 核电厂主辅变单相断线故障处理预案探讨［J］. 电工技术，2019（7）：80-81+85.

［2］ 时谊，陈海龙，丘慧龙，等. 核电站辅助变压器缺相保护研究［J］. 电测与仪表，2018，55（11）：132-136.

［3］ 刘青，王增平，等. 光学电流互感器对继电保护系统的影响研究［J］. 电网技术，2005，29（1）：11-14.

［4］ 滕林，刘万顺，李贵存. 光学电流传感器及其在继电保护中的应用［J］. 电网技术，2002，26（1）：31-34.

Study on the Open Phase Monitoring Scheme of the Incoming Circuit of the Auxiliary Transformer in Nuclear Power Plant

WEI Wei1，CHEN Hailong2

（1. Hualong Nuclear Power Technology Co.，Ltd. Beijing 100037，China；2. XJ Electric Co.，Ltd.，Xuchang of Henan Prov. 461000，China）

Open phase failure monitoring in auxiliary transformer circuits is one of the most concerned issues in nuclear power plant. Open phase failure may cause abnormal conditions of the power system in a nuclear power plant, such as unbalanced bus voltage, tripping of operating equipment, failure of standby equipment to start, etc. If the high-voltage side of the auxiliary transformer circuit fails to detect the open phase failure in time under the normal operation mode of the nuclear power plant, once the generator bus loses voltage, it is necessary to switch to the auxiliary power supply outside the plant, which may lead to the tripping of key motors and even the loss of system safety function, so that the nuclear power plant cannot be shut down safely. Aiming at the commonly used auxiliary transformer schemes in China, this paper puts forward two schemes of monitoring open phase failure. Through the analysis of the open phase monitoring scheme, and using PSCAD/EMTDC software modeling and simulation, this paper analyzes the characteristics of two schemes, and obtains how to select the open phase monitoring method for different auxiliary transformer schemes of nuclear power plant in order to identify the open phase failure more accurately and effectively.

Nuclear power plant; Auxiliary transformer; Open phase failure; Monitoring method

TL48

A

0258-0918（2023）03-0601-12

2022-03-21

魏 巍（1987—），女，吉林辽源人，高级工程师，硕士研究生，主要从事核电厂核岛电气设计相关研究