中压母线SEL保护装置快切原理及问题分析

中压母线SEL保护装置快切原理及问题分析

张云鹤

山东核电有限公司，烟台，265116

摘  要：中压母线能够在电气故障下实现可靠快切，对厂用电安全运行至关重要。本文重点对某核电一期工程中核岛中压母线快切原理及逻辑进行分析，并结合实际事件解析事件序列及存在的问题。

关键词：中压、快切、SEL351

一.简述

某电厂厂内交流电源系统（ECS系统）是非 1E 级系统，为全厂负荷提供电源。ECS 包括 6 段额定电压等级为10.5 kV 的中压系统和额定电压为 400/230V 的低压系统。ECS 接受下列电源供电：正常电源（发电机、厂变）、优先电源（主变、厂变）、备用电源（辅助变）；其中，具有非安全相关纵深防御功能的负荷配电的 ES1 和 ES2 这两段中压母线还可由备用柴油发电机提供电源。

当正常电源及优先电源不能为中压母线供电时，需要将其切换至备用电源。切换的形式有三种：手动切换，快速切换，残压切换。本文以核岛中压段为例，重点对母线快切的切换原理及逻辑构成进行分析。

二.快切介绍

2.1快切原理介绍

当厂用母线的工作电源由于某种故障而被切除，即母线的工作电源进线断路器跳闸后，由于连接在母线上运行的电动机转子电流不会立即变为零，在电动机惰转的驱动下，定子绕组将产生变频反馈电压，即母线存在残压。残压的大小和频率都随时间而降低，衰减的速度与母线上所接电动机台数、负荷大小等因素有关。同时，电动机的转速下降，下降的快慢主要取决于负荷本身，一般经过0.5秒后转速降至额定转速的0.9倍左右。如果在此时间内投入备用电源，厂用母线能迅速地恢复到正常稳定运行状态，各厂用负荷正常运行，机组不会停运。该电厂中压母线快切是通过SEL351继电保护装置实现，且切换前后母线电压和频率保持稳定，快切功能能否可靠实现直接关系到电厂的安全运行。一次系统示意图如下。

一次系统示意图

2.2快切逻辑分析

母线快切将在跳掉工作电源进线的同时合上备用进线断路器。切换之前SEL保护装置会持续检查两个电源之间的同期满足要求：电压为70%-110%的额定电压，频率差为正负1Hz，角差为正负30°，在其他条件不变的情况下，若上游保护动作的瞬间，同期条件满足则备用进线断路器将同时合闸。

一、快切逻辑中同期检查元件的作用。

25元件同时检查母线侧（VA）和线路侧（VS）电压，如果任何一侧电压低于70%Un(25VLO)或高于110%Un (25VHI)，或者相角差30度以上，则25元件闭锁。当上游发生故障时，根据故障的位置和严重程度，母线电压有不同程度的下降。有可能M2断路器在收到快切信号时，25元件已经由于电压低于70%Un(25VLO)设定值而闭锁了M2合闸，导致快切失败。如果电压低于70%强行切换，并且参与快切的电动机数量多、容量大时，自启动电流过大，会危及电动机的安全以及厂用电网络的稳定运行。所以快切失效的根本原因在于保护装置接收到快切命令时，中压母线与备用电源进线之间的同期检测失败，即母线电压已经低于7.35kV（二次电压低于40.4V），闭锁了快切出口。

二、快切时断路器的动作顺序。

如果母线满足快切条件，则工作电源进线开关断开的指令与备用电源进线开关合闸的指令同时发出。由于断路器分闸时间和合闸时间不同，该厂10.5kV中压断路器为ABB生产的VD4型真空断路器，分闸时间约为40ms，合闸时间约为60ms，在切换期间会有约1个周波的失电时间，失电时间短有利于保证厂用电连续供给，且避免了并联运行，降低了因备用电源投入故障导致系统短路容量增大的风险。

在调试试验过程中，负荷为两台中压电动机，一次侧电流约为70A，T0时刻，上游保护86闭锁继电器动作，大约36ms后M1断路器跳开，58.8ms后，M2断路器合闸。母线失电大约一个周波，由于母线残压的存在，电压波动较小，对下游负荷无影响，无负荷断路器跳闸，快切逻辑得到了实际验证。

三.事件分析

    某日该厂1号机组ES-2工作电源进线发生接地故障。故障导致主变/高厂变切除，中压母线ES-1/2/3/4/5/6发生切换。其中ES-1/3/4/5快切成功；ES-2在故障范围扩大后，母线差动保护动作，没有切换成功；ES-6快切失败，残压切换成功，导致主泵变频器切除，最终联跳其他三台主泵。

核岛中压ES-2段的故障分为两个阶段：

1. 高厂变2B X分支零序差动保护动作

2. ES-2母线差动保护动作

故障点如下图所示。

故障点示意图

第一阶段：

    故障初始发生于ES-2工作电源进线PT上口A相分支母排，故障发生后，高厂变2B X分支A相接地，高厂变2B X分支零序差动保护动作，启动6段母线快切。由于ES-2/6均处于高厂变2B X分支，在A相发生接地故障后，ES-2/6段A相母线电压变为0，B/C相电压变为线电压。在ES-2接收到快切启动信号后的35ms，2M1断路器分闸，中压母线已与故障切除，母线电压在此之后由于电动机负荷惰转，母线残压开始恢复。此时系统状态为，2M1断路器已分闸，主变高压侧断路器仍未分断，A相接地故障仍未消失, 在保护出口47ms后，A相接地故障消失。但由于A相接地故障致ES-2/6母线A相进线电压降至0，导致25同期元件失效， M2断路器未能正常合闸完成快切。

第二阶段：

    在A相故障消失后，发现A/B/C三相电流采样值发生突变，其中A/B相电流较大。现场检查发现2M1进线断路器下口分支母排3相出现不同程度的放电现象，此区域正处于母差保护的保护范围内。在高厂变86保护继电器出口53.4ms后，达到峰值，ES-2母差保护动作，此时主变高压侧断路器仍未断开。在高厂变86保护继电器出口105ms左右，ES-2段母线电压基本消失。在ES-2母差保护动作3.637s后，残压切换信号开出，此时由于合闸回路被闭锁，2M2断路器合闸失败。ES-6则在保护动作4.8s后，残压切换成功。

四.快切改进

    目前该厂SEL保护装置的同期电压选择为A相进线电压与A相母线电压进行同期。在发生A相金属性接地故障时，母线A相电压将下降为0，造成同期条件失去。在故障切除后，母线电压由电动机残压维持。而当B相或C相发生金属性接地故障时，由于中压系统为小电阻接地系统，A相电压幅值将变为额定值的倍，角度变为超前/滞后原电压30°。故障切除后，母线电压恢复过程也将不同于单纯的进线断路器断开后的母线残压，故障切除后的头几个周波内波形畸变非常严重，同期环境更加恶劣。

    根据上述分析同时参考行业内经验，此次事件后，中压母线均将25同期元件的幅值、角度及频差适当放宽，以增大切换成功的概率。其中电压幅值范围由52.00-63.50V调整为40.40-63.50V；电压角度范围由10°放宽至30°；频差由0. 50Hz放宽至1.00Hz。

五.总结

相对于国产的快切装置，该电厂的快切为跳工作进线及合备用进线命令同时发出，因此相当于同时切换。如果采用更加先进的闭锁继电器，缩短从发生故障到中压保护装置接收到快切信号的时间，越早发出快切命令，快切成功的可能性越高。

    该电厂使用保护装置通过可编程逻辑实现切换的方式，虽然调试维修相对复杂，但是节省了设备投入，且扩展性强，具有一定的实际使用价值。

参考文献：

[1].CPP-ECS-E7-002 Logic Diagram Switchgear MV Incoming Breaker ECS-ES-1M1 SGAC8 and SGAC3

[2].CPP-ECS-E7-003 Logic Diagram Switchgear MV Incoming Breaker ECS-ES-1M2 SGAC10 and SGAC3

[3].CPP-ECS-E7-010 Logic Diagram Switchgear MV Incoming Breaker ECS-ES-1M1 BUS Undervoltage lop SGAC8 and SGAC3

[4].CPP-ECS-E7-011 Logic Diagram Switchgear MV Incoming Breaker ECS-ES-1M2 BUS Undervoltage lop SGAC10 and SGAC3