核电厂断路器失灵保护研究

核电厂断路器失灵保护研究

刘世杰,张衡,刘承,刘照辉,孙旭威,何鹏,刘新宇,周运来,相亮

辽宁红沿河核电有限公司  辽宁省大连市  116300

摘要：核电厂发电机机端与升压变压器之间都装设发电机出口断路器，而且装设了发电机出口断路器失灵保护。文中分析核电厂发电机所配置的保护及其定值发现发电机出口断路器失灵保护设计存在问题：某些启动跳发电机出口断路器、灭磁、关闭主汽门的电气保护,因电流判据不满足而不能直接有效地启动发电机出口断路器失灵保护。对上述问题所造成的危害,文中提出核电厂发电机出口断路器失灵保护设计的改进措施,完善了核电厂发电机出口断路器失灵保护设计。

关键词:核电厂;断路器失灵保护

1 断路器失灵保护存在的问题

在《继电保护和安全自动装置技术规程》中,断路器失灵保护主要针对220-500kV电力网断路器,以及110kV电力网中个别重要断路器,没有涉及GCB,但断路器失灵保护启动条件仍然适应于GCB失灵保护。断路器失灵保护启动条件之一:能瞬时复归的出口继电器动作后不返回(故障切除后,启动失灵的保护出口返回时间应不大于30ms)。

发电机的差动保护、复合电压启动过电流保护、转子表层负序反时限过负荷保护、突加电保护都能够直接有效地启动GCB失灵保护。如果断路器启动失灵逻辑具有基波零序电压判据,那么90%定子接地保护也能够直接有效地启动GCB失灵保护。这里需要说明的是发电机突加电保护,该保护在发电机并网后自动退出,解列后(包括盘车过程)自动投入运行。

如果发电机的励磁系统采用自并励无刷旋转励磁装置,励磁变压器容量约为3×35kVA,短路阻抗约6%,高压侧电压为24kV,低压侧电压约为0.22kV。高压侧没有可选的电流互感器,励磁变压器高压侧不可能装电流速断和过电流保护,电流互感器只能装在低压侧,但已经不是励磁变压器的电流速断和过电流保护了,而是励磁变低压侧或励磁绕组的电流速断和过电流保护。当励磁变压器低压侧引出线发生短路故障时,穿越GCB失灵保护的机端电流互感器的故障电流:正序电流约22A,负序电流约11A,可见故障电流小于GCB失灵保护的电流判据,励磁变低压侧或励磁绕组的过电流保护不能直接有效地启动GCB失灵保护。1000MW核电机组的发电机中性点接地方式通常采用配电变压器高阻接地,发电机定子接地保护采用20Hz电压注入式的100%定子接地保护,能实时监测发电机定子绕组及其机端对地的绝缘情况。当发电机定子绕组及其机端发生单相接地故障时,单相接地故障电流:零序电流约为8A,负序电流约为2A,100%定子接地保护能可靠动作,但穿越GCB失灵保护的机端电流互感器的故障电流小于GCB失灵保护的电流判据,保护不能直接有效地启动GCB失灵保护。发电机正向低功率、逆功率保护通常作为程序跳闸逻辑的功率判据,两者分别整定为0.5%和0.7%的发电机额定功率。可见在GCB故障时穿越机端电流互感器的电流不超过断路器失灵启动的电流判据,正向低功率和逆功率保护不能直接有效地启动GCB失灵保护。

定子绕组反时限过负荷保护整定根据发电机制造厂提供的曲线:(I2-1)t=18.75,持续运行时间t为10~60s。通过计算和曲线拟合,选择IEC反时限曲线C能满足发电机的特性,启动电流为1.106倍发电机额定电流。当反时限过负荷保护动作发生在电流高值,且超过GCB失灵启动的电流判据时,反时限过负荷保护能直接有效地启动GCB失灵保护。当反时限过负荷保护动作发生在电流低值,且不超过GCB失灵启动的电流判据时,反时限过负荷保护不能直接有效地启动GCB失灵保护。

2 完善GCB失灵保护设计的必要性

电压24kV、功率1000MW的核电机组,发电机接地故障电流允许值没有明确规定,设计仍然参考电压18~20kV、功率大于300MW的发电机接地故障电流允许值,即1A。对于发电机中性点经配电变压器高阻接地方式,当定子绕组发生单相接地故障时,要求瞬时切机。20Hz电压注入式的100%定子接地保护有两项跳闸值,一是接地电阻值约为2~3kΩ,一是后备接地电流值约为0.4~0.8A,也就是接地故障发生在距发电机中性点10%~20%之间。当发电机定子绕组及其机端发生单相接地故障时,单相接地故障电流为8A,瞬时切机。如果GCB故障且失灵保护失效,则发电机仍然处于并网状态,故障点无法被隔离,系统和发电机将继续向故障点供故障电流,导致发电机损坏。如果定子绕组反时限过负荷保护动作值低于GCB失灵保护的电流判据,那么GCB故障且失灵保护失效,发电机仍然处于并网状态。根据发电机厂提供的曲线可知:反时限过负荷保护在最小的电流下最多只允许持续运行60s,因此发电机在60s内一定要从电网中解列,否则会受损。如果发电机励磁系统采用自并励无刷旋转励磁系统,当励磁变低压侧或励磁绕组过电流保护动作启动全停Ⅱ时,GCB失灵保护失效,那么将引起下面两方面的问题:一方面,发电机不能与电网解列,系统、发电机继续为故障点提供故障电流,导致励磁变压器或励磁装置等设备损坏;另一方面,发电机将处于失磁运行状态,即使失磁保护动作,也是启动程序跳闸而不启动GCB失灵保护。国家标准规定:300MW及以下的发电机,总的失磁运行时间不超过15min。1000MW及以上的发电机,总的失磁运行时间就远低于15min。发电机长时间处于失磁运行状态,定子端部将过热而受损。发电机过激磁或过电压保护动作于全停Ⅱ,如果GCB故障且失灵保护失效,那么定子绕组将长时间承受过激磁或过电压。国家标准规定:发电机短时升高电压试验是在空载条件下,在额定磁场、电流时产生的定子电压(不超过130%额定电压)下进行,试验时间对多匝线圈为1min,单匝式线棒不做短时升高电压试验。发电机主绝缘的工频耐压水平一般为1.3倍额定电压持续60s。根据发电机制造厂提供的数据可知:在最小的过激磁倍数下最多只允许持续运行100s,因此,发电机过激磁时一定要在100s内使发电机从电网中解列,否则发电机受损。而实际上过电压倍数和持续时间可能超过试验电压和允许时间,给发电机主绝缘构成了直接威胁。如果不及时切除故障,那么发电机继续遭受过激磁或过电压的威胁,直到发生短路故障才切除,发电机已经严重受损。

3 GCB失灵保护的改进及应用

核电厂的主接线一般为:发电机出口具有断路器,经升压变压器接入500kV系统,500kV系统通常采用3/2接线或者双母线接线方式。GCB失灵启动时跳开的仅仅是故障GCB的发电机变压器组单元,即跳开发电机变压器组HCB,跳开该机组的厂用变低压侧断路器。这对其他机组或系统不造成影响,对厂用电也没有影响,符合规程规范以及反事故措施要求。对启动全停Ⅱ但不能直接有效启动GCB失灵保护的某些电气保护,以及程序跳闸过程中GCB故障时,只要检测到逻辑条件满足,则经短延时就启动GCB失灵保护,避免了故障点长时间通过故障电流,或者避免了发电机长时间处于低励磁或无励磁的调相运行状态。从调试、试运行、商业运行到停机换料等过程中,改进后的GCB失灵保护未发生过异常情况。

参考文献

[1]GB/T 14285—2006 继电保护和安全自动装置技术规程[S].北京:中国标准出版社,2006.

[2]DL/T 684—2012 大型发电机变压器继电保护整定计算导则[S].北京:中国电力出版社,2012.