某核電廠1LHB 母線失電事件原因分析及解決措施

魏 巍,劉愛芬,紀秀艷,孟 佳

(華龍國際核電技術(shù)有限公司,北京 100037)

1 事件概述

某核電廠某日發(fā)生了1LHB 母線失電事件。事后,通過故障時序記錄和故障錄波圖得知:1 號機組重要廠用水系統(tǒng)4 號泵電機(1SEC004MO)的接線盒W 相出現(xiàn)接地故障,導致三相電壓不平衡;5 秒后,接線盒U/W、V/W 相間出現(xiàn)短路。14 毫秒后,1SEC004MO 泵電機進線開關(guān)熔斷器U 相和V 相相繼熔斷,但熔斷器W 相未能正常熔斷,隨后在熔斷器靠母線端發(fā)生三相短路,短路電流峰值為46 kA。269 毫秒后,正常進線開關(guān)1LHB001JA 因進線過流保護動作跳閘,1LHB 母線失電。同時1LHQ 柴油機起動,但因1LHB 母線故障,柴油發(fā)電機無法接入,1號機組按照SOP 規(guī)程響應(yīng)后撤。次日清晨,完成手動停堆。

在機組進入事故規(guī)程、手動停堆后,執(zhí)行降溫降壓操作向NS/RRA 模式(RRA 冷卻正常停堆模式)后撤。機組完成對電源的檢查維護后,1LHB 母線恢復(fù)送電。

2 原因分析

(1)根本原因

本事件中SEC 泵(重要廠用水系統(tǒng)泵)的配套電機所使用的老款絕緣子材料為“不飽和聚酯纖維增強模塑料4332(DMC)”,在SEC 泵房易潮濕的環(huán)境下,SEC 泵電機絕緣子易于出現(xiàn)絕緣降級。該核電站在此前SEC 泵電機預(yù)防性維修工作中,維修人員確實發(fā)現(xiàn)該電機的絕緣、吸收比、極化指數(shù)出現(xiàn)不滿足驗收標準要求的情況。出現(xiàn)此情況時,維修人員一般會使用壓縮空氣吹掃電機定子膛,并再次測量電機絕緣、吸收比和極化指數(shù)直至確定滿足要求。經(jīng)核實,該電機生產(chǎn)企業(yè)于2009 年頒布了新版驗收標準《絕緣子技術(shù)條件(OEE.058.001—2009)》,但此前本文所談核電站已完成設(shè)備采購并進入施工階段,故其使用的是老款絕緣子材料,只滿足舊版驗收標準的要求,未能滿足新版驗收標準中“4.4 絕緣子材料性能吸水性(23 ±1 ℃)≤20 mg,浸水24 h 后絕緣電阻≥1.0 ×107 MΩ”的規(guī)定。

由此得知,絕緣降級的隱患是存在的,本次4 號泵電機(1SEC004MO)在絕緣套管處出現(xiàn)W 相接地短路故障分析認為是由潮濕環(huán)境下絕緣子的絕緣降級導致爬電事故引起的,見圖2、圖3 和圖4。

該核電廠1 號機組的中壓應(yīng)急配電系統(tǒng)為中性點不接地系統(tǒng)[1-3],在電機發(fā)生單相接地故障時,系統(tǒng)絕緣性能的設(shè)計應(yīng)能允許SEC 泵在一定時間內(nèi)帶故障運行,以保證系統(tǒng)的整體功能,操作人員應(yīng)在該時間內(nèi)盡可能的排查出故障。但由于4 號泵電機(1SEC004MO)絕緣性能不良導致絕緣在短時間內(nèi)被擊穿。

(2)直接原因

該核電廠廠用電系統(tǒng)的設(shè)計中考慮了4 號泵電機(1SEC004MO)發(fā)生相間短路故障時可通過該電機的供電開關(guān)熔斷器來隔離短路故障,防止故障蔓延。

圖1 某核電廠6.6 kV 一次系統(tǒng)圖

圖2 電機V 相和U 相絕緣子

經(jīng)研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)(見圖5),在本次事件中,4 號泵電機(1SEC004MO)的供電開關(guān)熔斷器U 相和V相正常熔斷,但熔斷器W 相未能正常熔斷,發(fā)生了電弧放電事件,電弧放電產(chǎn)生的帶電粉塵導致SEC泵配電柜開關(guān)小室內(nèi)空氣絕緣下降,最終引發(fā)應(yīng)急母線1LHB 三相短路,由此分析判斷這應(yīng)是故障向應(yīng)急母線擴展的直接原因。

圖3 電機W 相絕緣子

圖4 電機三相引線

圖5 事件發(fā)生后三相熔斷器外觀形貌

3 W 相熔斷器故障機理分析

由于發(fā)生了W 相熔斷器未能熔斷的現(xiàn)象,故進一步對熔斷器本體進行研究,對其是否可能存在的質(zhì)量問題進行排查,可以從以下幾個方面進行排查[4-5]:

(1)熔斷器骨架開裂;

(2)內(nèi)部石英砂填充不足;

(3)熔斷器熔絲端部脫焊或熔絲斷裂;

(4)熔絲排列變形(包絡(luò)線)或錯位,主要為熔絲貼近熔殼管壁或兩個和多個熔絲變形貼近。

由圖6 可以看出,由于W 相熔斷器一根熔絲端部脫焊,從而引起熔斷器W 相未能正常熔斷。導致W 相熔斷器一根熔絲脫焊的原因有以下兩種可能:

圖6 事件發(fā)生后W 相熔斷器

(1)W 相熔斷器一根熔絲未焊接牢固;

(2)W 相熔斷器裝填滅弧砂時導致熔絲脫焊;

現(xiàn)對事件發(fā)生時熔斷器W 相出現(xiàn)異常未能正常熔斷的故障機理進行分析,如圖7 所示:

4 解決措施

4.1 立即執(zhí)行的整改措施

該核電廠在發(fā)生1LHB 母線失電事件后,為了避免類似事件在短時間內(nèi)再次發(fā)生,采取了一系列立即整改措施。具體措施如下:

(1) 對1SEC004MO 電機進行了更換,確保1SEC004MO 電機在后續(xù)發(fā)電過程中能夠繼續(xù)安全運行;

(2)對該核電廠SEC 泵電機的絕緣材料開展普查,篩選出采用老款材料的全部SEC 泵電機絕緣子,并進行實施更換;

(3)對1LHB0802 配電柜里面的開關(guān)進行整體更換;

(4)將全廠SEC 泵電機的零序保護由投報警改為投跳閘,避免報警時SEC 泵短時間帶故障運行導致如果絕緣不滿足要求被擊穿類似的事件再次發(fā)生;

(5)采用廠家熔斷器專用檢測工具排查并確認熔斷器的狀況。

4.2 建議后續(xù)繼續(xù)完善的措施

此次事件暴露了一些問題,為設(shè)計和運行維護敲醒了警鐘。為了避免后續(xù)發(fā)生類似事件,建議考慮如下解決措施:

(1)應(yīng)對核電廠在運中壓系統(tǒng)熔斷器開展全面專項檢查,避免熔斷器在應(yīng)該動作時發(fā)生一相或兩相未熔斷等類似事件的發(fā)生;

圖7 W 相熔斷器故障機理

(2)對核電廠其他設(shè)備的電機絕緣子進行排查,若有與某公司生產(chǎn)的SEC 泵電機同類型的絕緣子,則全部進行更換或絕緣子改造換型;

(3)對換型的絕緣子要求按照國家標準提供型式試驗報告,并建議開展相關(guān)的設(shè)備老化壽命試驗和評估;

(4)對核電廠6.6 kV 中壓系統(tǒng)的系統(tǒng)電容電流進行重新校核和評估,對可能存在的弧光接地過電壓水平和弧光接地電流的危害性做出評價,提出限制措施;

(5)對中壓系統(tǒng)電動機負荷保護熔斷器的選型開展核算和評估,進一步確保其適宜性,并研究采用真空斷路器開合電動機的可行性。

5 總結(jié)

本次事件發(fā)生后,電廠操縱員按照SOP 規(guī)程(狀態(tài)導向事故規(guī)程)使1 號機組及時響應(yīng)后撤,完成機組的手動停堆,確保了核電安全。但電廠一次停堆會帶來一定的經(jīng)濟損失,為確保電力可靠供應(yīng),不再發(fā)生類似事件,建議如下:

(1)應(yīng)對潮濕環(huán)境下的所有電機所用的絕緣子在質(zhì)量和驗收上進行更加嚴格的把控,加強絕緣子性能驗收的環(huán)節(jié)把控。絕緣子材料在潮濕環(huán)境下,不應(yīng)出現(xiàn)絕緣降級現(xiàn)象。

(2)目前,業(yè)內(nèi)通常做法是在熔斷器出廠檢驗中對熔斷器僅有系統(tǒng)的常規(guī)質(zhì)量檢控。熔斷器日后運維過程中,也不會有更加深入的檢查。為了避免類似事件的發(fā)生,建議對核電廠在運中壓系統(tǒng)熔斷器開展全面專項檢查,并優(yōu)化現(xiàn)有的維修大綱,增加對熔斷器檢查項目,主要包括:熔斷器外觀目視檢查和熔斷器稱重、熔斷器X 光射線掃描檢查、熔斷器冷態(tài)電阻測試和評價、熔斷器撞針機構(gòu)檢查、配電盤活門機構(gòu)至熔斷器的距離測量等方面。

在后續(xù)設(shè)計、驗收和維護過程中,對以上兩個問題進行改進,可以減少此類事件發(fā)生的概率,提高核電廠的供電可靠性,進一步保證核電廠能夠安全可靠運行。