核電機組注入式定子接地保護若干問題探討

陳佳勝，張琦雪，郭自剛，王 光，陳 俊

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

根據中電聯(lián)發(fā)布的《2014年上半年全國電力供需形勢分析預測報告》，截至2014年6月底，我國核電機組裝機容量1.778×104MW、裝機容量不超過全國總裝機容量的2%，與世界上核電發(fā)達國家的裝機容量平均水平17%相差甚遠；近年來隨著環(huán)境惡化，霧霾頻發(fā)，核能發(fā)電作為一種成熟可靠的清潔能源，也迎來了加速發(fā)展的契機。

當前1000 MW級特大型機組已成為核電站的主流機型，其具有單機容量大、造價昂貴、定轉子額定電壓高、軸向長度與直徑之比增大、電機設計參數(shù)裕度小等特點，要求繼電保護更靈敏快速地切除故障，以保障核電機組的安全穩(wěn)定運行。

注入式定子接地保護可在未加勵磁或靜止狀態(tài)下提供對發(fā)電機定子繞組的絕緣監(jiān)測；定子繞組任意位置接地時具有一致的高靈敏度，保護范圍為100%定子繞組；注入信號頻率為低頻，與工頻及3次諧波頻率有明顯差異，不受發(fā)電機本體電氣頻率的影響［1-3］；因此，注入式原理的定子接地保護在大型核電機組上得到了廣泛應用。

近年來在特大型核電機組上也出現(xiàn)了一些特殊情況，需要對注入式定子接地保護進行適應性研究。如核電機組主變低壓側一般經過接地變接地，在發(fā)電機并網前后，系統(tǒng)分別具備單個和2個接地點，導致常規(guī)注入式定子接地保護測量電阻值發(fā)生變化；核電機組并網前后，如果發(fā)電機一次系統(tǒng)3次諧波零序電壓變化較大，會導致注入式定子接地保護電阻測量出現(xiàn)較大偏差，嚴重時甚至會接近報警值。

為此，本文對核電機組應用注入式定子接地保護的若干問題進行探討。

1 單雙接地點切換的計算模型

對于1000 MW核電機組，如浙江方家山、福建福清核電站，其一次系統(tǒng)具有2個接地點：發(fā)電機中性點經接地變接地；考慮到核電站存在長期倒送電運行工況，為限制此運行方式下接地重燃弧過電壓，主變低壓側多經配電變接地，副邊并聯(lián)有電阻。在發(fā)電機并網運行時，有2個接地點；當發(fā)電機機端斷路器（GCB）斷開，發(fā)電機獨立運行時，只有1個接地點，具體如圖1所示。

圖1 核電機組發(fā)變組單元主接線圖Fig.1 Main wiring diagram of generator-transformer unit for nuclear power generator

常規(guī)注入式定子接地保護按照機組只有1個接地點的情況進行補償和計算，在單、雙接地點切換過程中，計算的接地電阻差異很大，可能導致保護誤報警。為此，本文提出建立新的注入式定子接地保護等效計算模型，該模型能夠適應工況變化，進行多參數(shù)補償，自動切換其電阻計算模型，確保各種工況下均獲得較高的計算精度。

注入式定子接地保護等效電路圖如圖2所示。圖中，Rn1為發(fā)電機中性點接地變副邊并聯(lián)電阻，Rn2為主變低壓側接地電阻；RE為定子繞組對地電阻值；UG0為注入的20 Hz低頻電壓信號；IG0為注入的低頻電流信號；N為發(fā)電機中性點接地變的變比。在GCB斷開的情況下，注入式定子接地保護計算出的電阻只包含RE；在GCB閉合的情況下，計算出的電阻包含RE和Rn22個部分。因此注入式定子接地保護計算模型在單、雙接地點切換前后是不同的，需要根據不同工況下不同的零序回路進行切換。

圖2 單雙接地系統(tǒng)注入式定子接地保護等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit of injection-type stator grounding protection for system with single-dual point grounding

當GCB斷開時，電阻計算公式如式（1）所示。

當GCB閉合時，電阻計算公式如式（2）所示。

其中，R′E為根據GCB閉合時測量得到的20 Hz電壓、電流計算出的電阻測量值。

新計算模型根據GCB的通斷狀態(tài)，結合電流判據，可自動適應大型核電機組單、雙接地系統(tǒng)的切換。

某1000 MW級核電機組，主變低壓側接地位置在廠變高壓側（單相配電變接地），并聯(lián)電阻為1.44 Ω，折算到原邊，則有：

根據上式分析不進行單、雙接地點切換時接地電阻測量值的差異，結果如表1所示。

表1 接地電阻測量值Table 1 Measured grounding resistances kΩ

由表1可見，Rn2的存在導致并網運行狀態(tài)下，接地電阻測量值出現(xiàn)明顯偏差；在RE=1 kΩ時負偏差為-0.566 kΩ，且偏差程度隨著RE的增大逐漸增大，RE=20 kΩ時負偏差達到-19.26 kΩ，嚴重影響了注入式定子接地保護的正常運行。

因此，采用單、雙接地點切換的計算模型，提高了注入式定子接地保護電阻測量的精度。

2 分段相角補償方法

2.1 注入低頻信號相角變化機理

如圖2所示，保護裝置檢測的UG0和IG0含有多種頻率分量，靜止時刻只含有20 Hz信號；發(fā)電機正常運行時，除了注入20 Hz信號外，還有發(fā)電機本體產生的50 Hz及150 Hz信號。某1000 MW級核電機組在并網前后，注入低頻信號相角發(fā)生明顯的偏移，并網前相角為270°，并網后相角突變到280°，導致正常情況下的電阻值大幅下降，縮小了接地電阻的測量范圍，影響保護正常運行。

根據注入式定子接地電阻計算公式，假定20 Hz電壓、電流信號的幅值不變，僅相角發(fā)生變化，電阻折算系數(shù)為5，則接地電阻測量值的變化情況見表2。

表2 不同相角下的接地電阻測量值Table 2 Measured grounding resistances for different phase angles

由表2可見，當相角在270°附近變化時，較小的角度偏移也會導致接地電阻測量值的大幅度變化，如從269°變化到260°時，接地電阻測量值相差接近10倍，可能接近電阻報警定值，導致不正確報警。

發(fā)電機機端發(fā)生金屬性單相接地故障時，流過接地變副邊電阻上的工頻電流有幾百安培，因此其中間電流互感器的變比一般選得較大；而注入20 Hz電源功率有限，一般不超過100 V·A，短路時輸出的20Hz電流在3A左右。對于中間電流互感器而言，20Hz信號太小，僅相當于其額定值的0.5%，落在其傳變特性的起始段，傳變誤差呈現(xiàn)出非線性的特點。中間電流互感器工作點的位置不同，20Hz信號相角誤差也不同。

前文所述的1000 MW核電機組在GCB斷開和閉合時，發(fā)電機機端電容參數(shù)發(fā)生明顯變化（由0.44 μF變化到0.70 μF），導致機端和中性點3次諧波電壓的分配發(fā)生變化，進而引起接地變副邊3次諧波電流的變化，中間電流互感器的工作點發(fā)生變動，其20Hz電壓、電流間的相角偏移了10°。

為驗證3次諧波電流對中間電流互感器傳變特性的影響，筆者采用若干只中間電流互感器進行試驗得出如下結論：①中間電流互感器傳變20 Hz小信號時處于其非線性區(qū)，當流過3次諧波電流，導致其工作點變動后，相角和幅值誤差均發(fā)生變化，其中相角誤差明顯；②中間電流互感器的小信號傳變特性和物理安裝位置關系不大。

因此，發(fā)電機在不同工況下，因為流過不同的3次諧波電流，使得20Hz信號相角誤差不再是一個固定值。傳統(tǒng)計算模型中默認其相角誤差固定，通過唯一的相角補償定值進行修正，在上述情況下其對地絕緣電阻計算誤差大，影響保護的正確運行。

2.2 分段相角補償方法

根據前文分析和中間電流互感器特性試驗的結果，可知中間電流互感器在不同工作點，對于固定幅值和相角的低頻信號的傳變誤差為非線性，為提高精度，可采用數(shù)學方法進行擬合［4］。

在發(fā)電機啟動前，通過靜態(tài)試驗的方法獲取中間電流互感器的相角傳變誤差值，該數(shù)據在坐標軸上為一系列的離散點，如圖3中*點所示。

圖3 中間電流互感器相角傳變誤差及線性插值Fig.3 Phase deviation of intermediate CT and linear interpolation

常規(guī)處理方法：用一系列直線將離散的*點連接起來，如圖3中的實線所示。當離散數(shù)據點足夠密集時，該方法得到的結果會逼近真實結果。但是工程上無法提供足夠數(shù)據，保護實現(xiàn)上也較困難。

在原始數(shù)據有限的情況下，為提高精度，可以考慮采用拉格朗日插值法。

分段拉格朗日插值的結果如圖3中的虛線所示，分成2段進行擬合。擬合曲線在全局范圍內與離散數(shù)據點較吻合，且運算量小，便于程序實現(xiàn)。分的段數(shù)越多，則擬合結果越接近真實值，相應的計算量也會增大。

3 其他問題及工程應用

3.1 注入電源回路異常監(jiān)視

工程實際中，注入電源回路可能發(fā)生異常，如電流回路斷線、電壓回路短路等，根據式（1）和式（2）可知，如果程序不進行特別處理，則計算出的對地絕緣電阻可能錯誤，從而導致保護不正確動作。

現(xiàn)有注入式定子接地保護均具有電源回路異常報警功能，并瞬時閉鎖接地電阻判據，電源回路恢復正常后該報警延時返回并重新開放接地電阻判據。常見注入回路異常判別邏輯有2種①南京南瑞繼保電氣有限公司.RCS-985發(fā)電機注入式定子轉子接地保護技術和使用說明書.2007.，②西門子電氣有限公司.多功能發(fā)電機／電動機／變壓器保護7UM62.2002.。

a.注入低頻電流和注入低頻電壓同時低于門檻，報注入回路異常，如式（3）所示。

其中，UG0和IG0分別為UG0和IG0的幅值；UG0set和IG0set分別為注入低頻電壓、電流門檻值。

b.注入低頻電流或注入低頻電壓低于門檻，報注入回路異常，如式（4）所示。

采用式（3）所示判別邏輯時，因電源回路異常判別過于嚴格，在注入低頻回路電流斷線或電壓短路情況下，容易出現(xiàn)誤動作，近年來的現(xiàn)場動作案例也多次驗證了這一點。

采用式（4）所示判別邏輯時，因為考慮到了注入低頻回路電流斷線或電壓短路等情況，不易因回路的故障誤動；但也存在因注入電源回路故障條件易于滿足而導致拒動風險增大的問題，但是考慮到注入式定子接地保護具備接地電流后備段，即使暫時閉鎖接地電阻段，接地電流段也能正常動作。

綜上所述，注入電源回路異常判據采用式（4）的判別邏輯是合理的。

當發(fā)生嚴重的單相接地短路故障，如機端開口三角零序電壓值大于20 V時，宜自動解除注入電源回路異常閉鎖，以利于保護的快速動作。

3.2 特殊故障類型的動作行為

采用雙重化原則配置的發(fā)電機保護，一般A套配置基波零序電壓+3次諧波零序電壓原理定子接地保護，B套配置注入式定子接地保護。定子接地故障發(fā)生時，2套保護均應動作，并可根據計算出的過渡電阻值結合基波零序電壓大小，計算出故障位置［5］；但在某些特殊故障類型下，雙重化配置的定子接地保護可能出現(xiàn)動作不一致的情況，不能一概而論。

例如某1000 MW級機組，曾經出現(xiàn)過A套基波零序電壓動作而B套注入式定子接地電阻基本不變化的情況［6］。事故停機后對發(fā)電機定子繞組及封閉母線、機端電壓互感器等附屬設備絕緣進行檢查，均未發(fā)現(xiàn)異常。重新開機后，緩慢升壓到30%額定電壓時，發(fā)電機定子接地零序電壓持續(xù)報警，注入式定子接地保護未啟動，接地電阻測量值依然為30 kΩ。經過逐段排查，最終發(fā)現(xiàn)GCB近發(fā)電機側C相電容器電解液泄漏，電容量和A、B相相差5倍，導致定子三相對地等效電容不對稱，中性點零序電壓產生偏移，“誤”發(fā)定子接地信號；注入式定子接地保護測量對象為定子繞組對地絕緣電阻，不受中性點零序電壓偏移影響，對地絕緣電阻沒有下降，因此注入式定子接地保護未啟動。

又如某660 MW機組在停機檢修結束，重新開機運行一段時刻后，注入式定子接地保護動作而基波零序電壓和3次諧波零序電壓無變化。原因是發(fā)電機定子繞組冷卻水臟污或配方有問題，導致對地絕緣降低，更換過定子冷卻水后，注入式定子接地測量對地電阻恢復正常。

因此，當不同原理的定子接地保護出現(xiàn)動作行為不一致時，不應簡單判定為保護誤動或拒動，應具體問題具體分析；同時還可利用兩者動作行為的差異，為故障快速定位提供參考。

4 工程應用情況

綜合應用前述技術的注入式定子接地保護，在某1000 MW級核電機組上的電阻測量數(shù)據如表3所示。由表3可見，測量電阻誤差能控制在±5%以內，保證了注入式定子接地的正?？煽窟\行。

表3 并網前后接地電阻測量數(shù)據Table 3 Measured grounding resistances，before and after grid-connection

5 結論

本文根據特大型核電機組特點，結合注入式定子接地保護的應用，提出了單雙接地點切換的計算模型和分段相角補償?shù)姆椒ǎ岣吡烁鞣N工況下注入式定子接地保護的接地電阻計算精度。應用本文方法的核電機組注入式定子接地保護已在現(xiàn)場應用多年，其可靠性相比常規(guī)注入式定子接地保護有較大提升。本文還簡要分析了注入電源回路異常判別的邏輯，以及特殊故障情況下注入式定子接地保護的動作行為，從完善保護功能和故障分析角度提出建議。

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