现场︱核电厂核级配电盘越级跳闸问题分析与解决
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中广核工程有限公司设计院的研究人员宋鹏飞、蔡三艳，在2015年第10期《电气技术》杂志上撰文，某核电厂核岛低压电加热器故障引起的中压馈线回路的越级跳闸，结合故障回路配置和保护数据记录，分析设备故障类型和越级跳闸根本原因，给出配电盘级差配合的解决方案，从而避免后续项目类似问题的发生，提高核电厂核级电气系统安全性。
2014年2月，某核电厂低压电加热器发生烧熔故障（图1），其电源回路保护开关未及时动作，低压核级配电盘的零序电流超过整定值，触发中压配电盘开关回路跳闸，造成核岛核级配电盘整列盘断电，由此核级低压配电盘供电的用电负荷全部失电。
图1 烧熔故障电加热器
该事件属于典型的核级配电盘越级跳闸问题，故障影响范围扩大，导致核级电气系统失电，影响到核电厂其它安全设备的运行。
1 跳闸事故过程
1.1 回路配置
发生越级跳闸故障回路的用电设备为低压电加热器（9DVN017RS），其额定功率40kW，额定电流60.8 A。图2为故障回路上下级保护配置。
图2 故障回路上下级保护配置
电加热器由380V核级配电盘（1LLC001TB）低压馈线（1LLC02P1）配电，配置有熔断器（NH00-100A,aM），热继电器（TA75DU80,TC20）和接触器（AE75-30-11），低压核级配电盘接自630 kVA低压厂用变压器（1LLC001TR），上游电源接至6.6 kV核级配电盘（1LHA001TB）中压馈线（1LHA116）。
1.2 定值设定
电加热器（9DVN017RS）电源回路设置有过载保护和短路保护。过载保护由热继电器实现，过载保护设置为1.05倍额定电流，过载电流整定值63.84A。短路保护由熔断器实现，熔断器过流保护呈反时限特性，当故障电流达到840 A时动作时间1 s。
低压核级配电盘（1LLC001TB）设置有短路保护和零序保护，由电压监测单元的保护继电器实现，并配置有变比为250/1 A的零序电流互感器。短路保护设定值为7500 A，延时0.1 s动作，零序保护设定值为440A，延时1 s动作。
1.3 动作记录
电加热器（9DVN017RS）在发生故障后，现场检查加热器发现A相严重烧熔，B相、C相存在过热现象。对加热器本体直流电阻测量，A相18.6 Ω，B相3.8 Ω，C相3.8 Ω。加热器A相实测电阻值与理论计算值3.63Ω存在严重偏差。
表1 核级配电盘故障记录数据表
根据核级配电盘（1LLC001TB）电压检测回路继电器（001XI）数据记录（表1），变压器A相低压侧电流值达到900A，B相、C相分别为135 A、195 A。变压器低压侧零序电流值3IN0达到825 A。
电加热器出现烧熔故障，电源回路的热继电器过载保护未动作，熔断器未能在1 s内及时动作，核级配电盘零序保护在延时1 s跳闸中压开关。单个加热器回路故障导致了整列配电盘失电，事故影响范围扩大。
2 故障分析
2.1 保护曲线配合
低压核级配电盘的加热器回路采用“熔断器-接触器-热继电器”配置。从故障回路元器件配合曲线（图3）中看出，当故障电流值达到600 A前，热继电器触发接触器动作断开故障，当电流值超过600 A时，熔断器在曲线对应的时限内熔断。
图3 故障回路元器件配合曲线
低压配电盘的零序保护触发值440 A，延时1s动作。从图3看出熔断器在故障电流达到840 A时，熔断时间1 s。当加热器回路发生单相故障且故障电流值在440 A~840 A之间，熔断器熔断时间超过1s，导致380 V配电盘零序保护越级动作，触发6.6kV配电盘接触器跳闸。
2.2 动作电流说明
电加热器（9DVN017RS）电源电缆为3×70mm2铜芯电缆，电缆长度100.69m，低压厂用变压器（1LLC001TR）容量为630 kVA，阻抗电压为4.5%。计算出电加热器的馈线电缆末端发生单相接地短路电流值[1]约为1.85 kA。
从图3配合曲线看出，达到该电流值时，低压熔断器在小于1s时间内熔断可靠动作，此时核级低压配电盘零序保护尚未达到1 s延时要求，不会越级跳闸。
计算结果说明当电加热器馈线回路发生电缆末端短路故障时，熔断器优先于零序保护动作，满足选择性要求。
低压核级配电盘（1LLC001TB）保护装置记录数据显示，故障时核级配电盘A相电流为900 A，B相和C相约为150 A。可以推断，电加热器A相故障电流值约在750 A左右，查询图3配合曲线，该电流值下熔断器熔断时间超过1 s。熔断器不会熔断，而零序保护延时1s后发生越级跳闸。
2.3 级差配合方法
电气保护应当具有选择性，电加热器的低压回路发生故障，低压馈线保护须优先动作，低压配电盘和中压配电盘保护不应越级动作。在电气短路电流计算中，电加热器的低压馈线电缆末端发生单相接地短路故障时低压熔断器应当可靠灵敏动作[2]。
核电厂电气系统的保护级差配合的选择性分析，将故障回路计算出的最大、最小故障电流作为校验基础。一般情况下，设计人员将馈线回路末端发生单相金属性接地故障的短路电流值作为最小故障电流，将馈线回路的首端发生三相短路故障作为最大故障电流。
2.4 原因分析
根据动作电流情况和级差配合原则，电加热器（9DVN017RS）故障烧毁时，加热器的A相故障电流达到约750 A，说明在电加热器的故障点存在接触电阻及加热电阻丝部分电阻，并非典型的金属性单相接地故障，使A相故障电流未能达到熔断器动作电流值。因故障点的接触电阻不可预期，当单相故障电流值在440 A~850 A之间时，电加热器的馈线熔断器不能在1 s内及时熔断，而低压核级配电盘的零序保护延时1 s后动作，发生越级跳闸。
本次核电厂发生的电加热器烧熔事件，属于加热器内部故障，非电缆末端的金属性接地短路故障。设备内部故障点接入的接触电阻值不可预知，故障电流值变动超出了选择性校验的电流范围。此次加热器故障电流值比设计验算最小故障电流值还要低，导致出现低压核级配电盘的越级跳闸。
低压配电盘馈线回路保护与低压配电盘零序保护之间存在小故障电流保护盲区是本次越级跳闸事件的根本原因。电气设计人员开展保护验算时按照通用的短路电流计算方案，考虑的是对馈线电缆末端短路的故障电流值，未考虑用电设备发生内部故障时的电流波动范围，保护级差配合没有做到全故障电流范围分析。
3 解决方案
避免核电厂核级配电盘发生类似的越级跳闸问题，需完善核电厂低压核级配电盘全电流范围内的保护级差配合。根本上解决核级配电盘馈线保护与零序保护之间的选择性，可从上级低压配电盘零序保护或从下级低压馈线回路保护两个方面着手。
（1）低压配电盘零序保护由“定时限”保护特性调整设置为 “定时限+反时限”
低压电动机馈线回路的“熔断器-接触器-热继电器”配置均不做改动，采用将低压配电盘的零序保护调整为“定时限+反时限”两段保护设置。
Ⅰ段定时限作为低厂变和低压母线接地故障保护的主保护，定时限电流整定值躲过配电盘最大熔断器的0.5s熔断电流值，并延时0.5s动作；Ⅱ段反时限作为本低压配电盘馈线中发生母线非金属性接地故障及下级接地故障的后备保护，与下游最大熔断器“时间-电流”曲线配合。
（2）低压馈线回路设置独立的接地故障保护
低压配电盘零序保护维持原有设计，采用定时限特性，零序保护定值为440A，延时1s。当低压馈线回路采用63A的熔断器时，1s内熔断对应的电流值为250A，此时级差保护可以实现配合。
对于熔断器额定电流值大于63 A的馈线回路，级差配合存在小电流故障配合盲区，可将熔断器额定电流值大于63 A的馈线回路增加单独的接地故障保护。在增加单独的接地故障保护后，可实现全故障电流范围的级差配合。
4 结论
核电厂核级配电盘发生因用电设备故障引起的整个配电盘系统不可用的案例，属于典型的越级跳闸问题。结合故障回路配置和保护动作过程，分析出导致核级配电盘越级跳闸的根本原因。为避免类似问题在后续核电项目的发生，提出相应的解决方案，进而提高核电厂核级电气系统的安全性。
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