李 燁

(1. 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院, 上海 200030; 2. 國(guó)核工程有限公司， 上海 200233)

隨著低壓電器產(chǎn)品制造工藝的不斷進(jìn)步，低壓斷路器的智能化保護(hù)功能應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而智能化保護(hù)功能的可靠性對(duì)低壓配電系統(tǒng)的供電安全至關(guān)重要。作為發(fā)生概率最高及危害相當(dāng)大的接地故障，必須得到有效的預(yù)防及保護(hù)[1]。筆者通過(guò)分析某核電項(xiàng)目非1E級(jí)低壓負(fù)荷中心(Load Center，簡(jiǎn)稱LC，設(shè)備代碼EK21)的Emax斷路器接地保護(hù)誤動(dòng)作現(xiàn)象及可能原因，重新認(rèn)識(shí)該保護(hù)功能的可靠性及應(yīng)用。

1 接地故障保護(hù)功能

接地故障電流是指由于絕緣故障而流入大地的電流[2]。接地故障保護(hù)的設(shè)置應(yīng)能預(yù)防人身間接電擊以及電氣火災(zāi)、線路損害等事故，這就要求該保護(hù)功能不僅能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)切斷接地故障電流，而且同時(shí)也要避免在未發(fā)生接地故障下的誤動(dòng)作。

接地故障保護(hù)主要分為電流平衡和電磁平衡(也稱零序保護(hù))兩大類(見(jiàn)表1)。

表1 電流平衡和電磁平衡接地保護(hù)對(duì)比

2 接地故障保護(hù)誤動(dòng)作原因分析

該核電廠的EK21為下游電動(dòng)機(jī)控制中心(MCC)及電動(dòng)機(jī)類負(fù)載(380 V、50 Hz、90～185 kW)提供電源、控制和保護(hù)。EK21各回路接地故障保護(hù)通過(guò)ABB公司生產(chǎn)的Emax斷路器中的電子脫扣器(PR121/P型號(hào))實(shí)現(xiàn)。Emax斷路器的數(shù)字式保護(hù)單元通過(guò)羅格斯基線圈測(cè)量相電流，并計(jì)算其矢量和得出接地故障電流。在下游負(fù)載(泵、充電器等設(shè)備)無(wú)接地故障的情況下，當(dāng)EK21為其供電啟動(dòng)瞬間，Emax斷路器接地故障保護(hù)發(fā)生多次誤動(dòng)作跳閘，導(dǎo)致該段電源供電中斷，影響核電廠安全運(yùn)行。

筆者結(jié)合EK21斷路器接地故障保護(hù)誤動(dòng)作實(shí)例，分析其產(chǎn)生的原因。

案例一：在該核電廠調(diào)試階段，通過(guò)EK21正常啟動(dòng)余熱排出泵時(shí)，EK21相對(duì)應(yīng)回路的接地故障保護(hù)發(fā)生跳閘。經(jīng)排查，該跳閘現(xiàn)象屬于誤動(dòng)作。

經(jīng)查閱相關(guān)技術(shù)文件，該余熱排出泵功率為201 kW，額定電流為378 A，帶有接地故障保護(hù)(也稱G保護(hù))功能的Emax斷路器額定電流In=630 A，接地故障保護(hù)設(shè)計(jì)整定值為I=0.2In=126 A，t=0.1 s；上游斷路器保護(hù)單元額定電流In=3 200 A，整定值為I=0.2In=640 A，t=0.4 s。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，同時(shí)采用接地故障保護(hù)單元(PR121)的數(shù)據(jù)記錄功能記錄在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間的電流波形與萬(wàn)用表采集到啟動(dòng)至跳閘期間完整電流波形，對(duì)比發(fā)現(xiàn)：10 Hz以下諧波的分量超過(guò)了50 Hz基波的20%，且接地故障保護(hù)單元記錄數(shù)值偏大，比萬(wàn)用表測(cè)量最大電流有效值偏大。

案例二：當(dāng)正常啟動(dòng)水冷泵時(shí)，額定功率為155 kW，額定電流為264 A，帶有G保護(hù)功能的Emax斷路器額定電流In=630 A，設(shè)計(jì)整定值為I=0.2In=126 A，t=0.2 s，接地故障電流(Ig)短時(shí)間超過(guò)了G保護(hù)的閾值(126 A)，且由于超過(guò)保護(hù)閾值的時(shí)間到達(dá)跳閘延時(shí)設(shè)定值(200 ms)，因此G保護(hù)跳閘。經(jīng)排查，該跳閘現(xiàn)象屬于誤動(dòng)作。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，采用前述同樣方法記錄完整電流波形，對(duì)比發(fā)現(xiàn)：萬(wàn)用表通過(guò)穿心傳感器采集到的三相電流和Ig小于G保護(hù)的整定閾值，但斷路器的接地故障保護(hù)單元記錄數(shù)值偏大(約幾倍)。通過(guò)電流、頻率分析(見(jiàn)圖1和圖2)可以注意到10 Hz以下諧波的分量超過(guò)了50 Hz基波的20%，且此啟動(dòng)過(guò)程存在明顯的直流暫態(tài)分量。

圖2 基于Matlab軟件中的頻率分析

對(duì)比分析：

(1) Emax斷路器的脫扣單元正常的工作頻率范圍為50(1±0.1)～60(1±0.1) Hz。

(2) 當(dāng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，相應(yīng)的電流諧波分量幅度高于10%(見(jiàn)圖2)。

(3) 電流諧波分量主要出現(xiàn)在低頻，低于脫扣器可正常工作的范圍下限(見(jiàn)圖1)。

(4) 所有G保護(hù)誤動(dòng)作事件均發(fā)生在下游電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間，且此段時(shí)間諧波分量大于10%，甚至20%。

(5) 斷路器脫扣器每次跳閘，都是接地故障電流達(dá)到了設(shè)定值，且持續(xù)時(shí)間超過(guò)了設(shè)定時(shí)間，由此可以認(rèn)為電子脫扣器執(zhí)行G保護(hù)脫扣動(dòng)作是可靠的，每次均成功跳閘，只是三相矢量和電流值偏大，超過(guò)了實(shí)際接地故障電流值。

電流平衡接地故障保護(hù)受電源諧波和下游大負(fù)荷啟動(dòng)瞬間的諧波影響，敏感度高，結(jié)合以上案例和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，接地故障保護(hù)誤動(dòng)作原因可從以下幾個(gè)角度分析：

(1) 啟動(dòng)瞬間電流大。在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間，電動(dòng)機(jī)的相電流可上升至6倍的滿載電流值，并且三相電流之間存在不均勻性，特別對(duì)于大功率的電動(dòng)機(jī)，可能會(huì)導(dǎo)致智能斷路器采集的三相電流值較實(shí)際偏大。

(2) 低頻諧波分量大。暫態(tài)沖擊電流包含的高頻及低頻諧波分量給接地電流的測(cè)量和計(jì)算帶來(lái)了進(jìn)一步的偏差。在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，通過(guò)相電流傳感器測(cè)量相電流求和進(jìn)行接地故障保護(hù)的方法是可靠的，但是在負(fù)載啟動(dòng)的暫態(tài)過(guò)程中，保護(hù)系統(tǒng)可能會(huì)有所反應(yīng)。當(dāng)測(cè)量的電流頻率與保護(hù)單元額定頻率不同時(shí)，采用這一計(jì)算方法獲取相電流和容易放大電流信號(hào)誤差，特別是對(duì)低頻電力以及超高頻率電流。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)存在包含多種頻率的暫態(tài)諧波分量。

(3) 設(shè)備固有誤差。采用三個(gè)獨(dú)立羅格斯基線圈測(cè)量三相電流，再經(jīng)過(guò)算術(shù)求和后的結(jié)果受制于這些獨(dú)立設(shè)備的累積誤差。當(dāng)回路電流為額定電流7倍時(shí)，測(cè)量計(jì)算的絕對(duì)誤差將大于額定電流時(shí)的誤差。

(4) 質(zhì)量和工藝問(wèn)題。產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)工藝、內(nèi)部計(jì)算邏輯存在不足，也可能導(dǎo)致接地故障保護(hù)的可靠性降低。

3 解決方法

G保護(hù)的設(shè)定必須確保在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的暫態(tài)階段絕不發(fā)生誤動(dòng)作，對(duì)于低壓斷路器本身帶接地保護(hù)功能發(fā)生誤動(dòng)作，主要有兩種解決方法：

(1) 提高整定值(包括永久提高整定值和啟動(dòng)階段提高整定值)，同時(shí)考慮增加保護(hù)動(dòng)作的延時(shí)時(shí)長(zhǎng)。

很多情況下永久提高整定值和延時(shí)時(shí)長(zhǎng)將根據(jù)設(shè)備實(shí)際重復(fù)啟動(dòng)后的經(jīng)驗(yàn)反饋進(jìn)行修改。

針對(duì)電動(dòng)機(jī)類、變壓器及充電器類負(fù)荷啟動(dòng)瞬間的諧波電流，Emax斷路器的脫扣單元PR122/P有一個(gè)啟動(dòng)保護(hù)功能。在啟動(dòng)階段，啟動(dòng)功能允許S、I和G功能在更高的脫扣門限下運(yùn)行，這將避免由某種負(fù)載(電動(dòng)機(jī)、變壓器、充電器)的高沖擊電流導(dǎo)致的脫扣。啟動(dòng)階段以0.05 s的間隔從100 ms持續(xù)到1.5 s。PR122/P脫扣器自動(dòng)識(shí)別如下?tīng)顟B(tài)：自供電脫扣器的斷路器合閘；如果脫扣器由外部電流供電，最大峰值電流超過(guò)0.1In。電流降到門限值的0.1In以下后，將可能產(chǎn)生一個(gè)新的啟動(dòng)階段。在啟動(dòng)前的1 s，接地故障整定值設(shè)置到0.6In或者0.8In，當(dāng)啟動(dòng)時(shí)間超過(guò)1 s后，自動(dòng)降為0.2In(見(jiàn)圖3)，這些設(shè)定值可根據(jù)實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行設(shè)置。

圖3 接地故障整定限值調(diào)整

假設(shè)提高整定值為I=0.8In，t=0.1 s，即t′>1 s時(shí)，I=0.2In=126 A，t=0.1 s；t′≤1 s時(shí)，I≥0.8In=504 A，t=0.1 s。

結(jié)合第2節(jié)的實(shí)際數(shù)據(jù)，計(jì)算此方案能夠滿足上下游開(kāi)關(guān)的保護(hù)配合裕度為：t′>1 s時(shí)，I=514 A，t=0.24 s；t′≤1 s時(shí)，I≥136 A，t=0.24 s。

這種整定方法也能夠確保與上級(jí)斷路器之間在過(guò)電流和延時(shí)方面的選擇性配合。

(2) 采用零序CT和繼電器的方式，實(shí)現(xiàn)接地保護(hù)故障保護(hù)功能。讓三相導(dǎo)線一起穿過(guò)一個(gè)外置零序CT，利用這些CT檢測(cè)三相電流的矢量和，即IO=IA+IB+IC。當(dāng)線路上所接的三相負(fù)載完全平衡時(shí)(沒(méi)有接地故障，也不考慮線路、電器設(shè)備等的泄漏電流)，根據(jù)三相電流矢量相加IO=0，即沒(méi)有零序電流產(chǎn)生。當(dāng)線路上所接的三相負(fù)載不平衡時(shí)，在N線上就會(huì)有零序電流流過(guò)，即IO=IN，此時(shí)的零序電流就是三相不平衡電流。

此種方法需要考慮到實(shí)際低壓柜的內(nèi)部空間、CT的合理安裝以及電纜排布和電纜彎曲半徑等問(wèn)題，這些都會(huì)影響零序保護(hù)的正確動(dòng)作，甚至?xí)斐闪阈虮Ｗo(hù)裝置在接地故障時(shí)拒動(dòng)。

該核電堆型的兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)相繼發(fā)生多次EK21接地保護(hù)功能誤跳閘事故，涉及到大功率泵、充電器等幾種類型下游設(shè)備。為了解決此問(wèn)題，將類似負(fù)荷設(shè)備進(jìn)行整改。常規(guī)島低壓動(dòng)力中心開(kāi)關(guān)柜的接地保護(hù)整改方案主要采用第一種方法的提高啟動(dòng)階段的整定值，安裝脫扣單元PR122/P，提高整定閾值和延時(shí)時(shí)間。對(duì)于核島低壓動(dòng)力中心開(kāi)關(guān)柜的接地保護(hù)整改方案主要采用第二種方法的零序CT和外置繼電器的方式，其整定值等于或低于原設(shè)計(jì)整定值，更為可靠。但因該核電機(jī)型盤柜內(nèi)部空間緊湊，導(dǎo)致安裝零序CT和繼電器較為困難，且需要停電窗口，此項(xiàng)整改大約進(jìn)行了一年。

4 結(jié)語(yǔ)

筆者結(jié)合核電廠的實(shí)際案例，對(duì)非1E級(jí)低壓負(fù)荷中心接地故障保護(hù)誤動(dòng)作進(jìn)行了原因分析，并對(duì)具體問(wèn)題分別進(jìn)行整改，效果良好，對(duì)該核電堆型的后續(xù)項(xiàng)目具有參考意義。

同時(shí)，筆者通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和波形也驗(yàn)證了諧波影響矢量和型接地故障保護(hù)的可靠性，而現(xiàn)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 14048.2—2008 《低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第2部分 斷路器》中沒(méi)有明確的接地故障保護(hù)驗(yàn)證方法；GB14048.2—2008的附錄B(具有剩余電流保護(hù)的斷路器)也很難適用于接地故障保護(hù)的驗(yàn)證。目前，智能化低壓斷路器的接地故障保護(hù)期待一種權(quán)威的驗(yàn)證方法[2]，在設(shè)計(jì)、采購(gòu)前期能夠指導(dǎo)驗(yàn)證其可靠性，確保設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。