核电厂应急柴油发电机继电保护分析

蒋晓鹏，石 岩，李 聪

（江苏核电有限公司，江苏 连云港 222042）

核电厂应急柴油发电机继电保护分析

蒋晓鹏，石 岩，李 聪

（江苏核电有限公司，江苏 连云港 222042）

文章主要介绍了核电厂应急柴油发电机功能与特点，在核事故情况下起到的重要性。详细介绍了继电保护的特点及保护配置，论述保护方案的合理性，能够完全满足应急柴油发电机的各种运行状态。对继电保护装置的原理、特性进行详细的论证分析，在应急柴油机出现不正常运行状态和严重故障情况下的保护动作，快速切除柴油机，防止柴油机的进一步损害；分析了应急柴油发电机在外部电源扰动情况下，继电保护装置如何快速响应，闭锁保护动作，避免应急柴油发电机不必要的情况下切除，造成应急电源失去，影响核电厂安全。同时，分析了继电保护装置保护定值的灵活应用，满足各种运行状况。阐述了核电厂由于其核安全的特殊性，导致继电保护配置的特殊性，分析了此种保护在其他设备上应用的可能性，并对设计提供的保护定值进行分析，提出自己的观点。

应急柴油发电机；保护配置；定值

应急柴油发电机是核电厂内独立的能够自动快速启动按程序带载的应急交流电源，田湾核电站一期工程每个机组配备4台相互独立的应急柴油发电机，使用的是德国MTU公司生产的MTU20V956TB33型柴油机与SIEMENS公司生产的1DK39414BE02Z发电机配成7 500 kVA机组。在厂内外电源失效时，可自动对相应的6 kV专设安全设备供电，对由母线BEA、BEB、BEC、BED供电设备提供可靠的足够电源，以确保反应堆安全关闭，保证一回路压力边界的完整性，确保放射性物质不向大气泄漏。

1 应急柴油发电机保护的特点

应急柴油发电机作为事故发电机，具有特殊的运行方式，因此，发电机的继电保护，应与其运行方式相适应。应急柴油发电机有两种运行方式：应急方式和试验方式。

1.1 应急方式

产生应急柴油发电机组的应急启动命令（Emergency SCTrt）有两个始发信号：1）应急6 kV母线（BEA、BEB、BEC、BED）电压低于额定电压的40%，即2.52 kV，时间超过2 s；2）应急6 kV母线（BEA、BEB、BEC、BED）的频率低于47.4 Hz，时间超过2 s。在这种情况下，保证反应堆的冷却最为重要，所以应急柴油发电机的保护应强调动作的可靠性，防止保护误动，只有应急柴油发电机出现严重故障无法提供应急电源情况下，才能跳闸。采用两套7UT512型微机差动保护，作为发电机的主保护，只有在两套差动保护同时动作的情况下，才出口跳闸，其余保护动作只发信号，不出口跳闸。

1.2 试验方式

就地控制柜或主控制室启动，试验目的是为了检验应急柴油发电机处于正常状态，能在事故情况下启动，在试验情况下需要并网带负荷，为了正确反映发电机的各种故障和不正常运行状态，保护发电机的运行，要强调发电机保护动作的灵敏性。在试验方式下，除了两套7UT512型差动保护并联外，还设置了一套7UM511型微机综合保护，该装置包括两段过流保护、过负荷保护、定子接地保护、逆功率保护，保护动作跳闸，灭磁，停柴油机，另外还有低频保护、过电压、低电压保护，保护动作发信号。

所以针对发电机的两种运行方式，有不同的保护出口与其相对应，应急方式和试验方式保护的不同出口靠切换开关实现。

2 保护配置及定值分析

田湾核电站一期工程应急柴油发电机继电保护装置包括两套7UT512型差动保护和一套7UM511型综合保护，保护装置反应比较灵敏，动作可靠性高，保护功能比较完善，能够满足中、小型发电机继电保护的要求，现将保护的配置、功能和保护定值进行分析，以便更好了解柴油发电机的继电保护。

我国相关规程规定，发电机功率超过1 MW应装设差动保护，作为发电机的主保护。7UT512型差动保护能够反映各种相间和接地故障，在发电机内部故障时保护可靠动作，差动特性包括两段制动曲线以适应不同的运行工况，动作特性如图1所示。

图1 差动保护特性曲线Fig.1 Characteristic curve of diff-protection

设计提供的差动启动电流Id为0.15IN动作时间0.1 s，启动电流相对较低，启动电流Id＞应能躲过正常运行的最大不平衡电流，其中包括CT比值误差、外部短路暂态非周期分量对CT饱和的影响等。在额定负荷下，5P级电流互感器的比误差为±1%，考虑可靠系数为2，Id≥2×2%＝4%，10P级电流互感器的比误差为±3%，Id≥2×6%＝12%，所以选取Id≥（0.1～0.2）IN充分安全的。对于应急柴油发电机，防止在应急情况下保护不误动，另外差动保护的CT取自不同的厂家，误差相对较大，将启动电流适当提高，改为0.2IN较合适。横坐标Irest应小于或等于二次额定值1IN，所以拐点Irest取1IN。

曲线S1主要考虑由主CT及继电器CT的变比误差或由主变分接头位置改变而产生的误差，这种误差在CT饱和前与电流基本成比例增加。曲线S2主要考虑在大电流范围内，由于CT饱和，测量电流误差将会急剧增大，因此其斜率比S1更高。差动保护的斜率S1、S2分别设为0.3、0.5 。

7UT512型差动保护具有一个附加制动区，近距离区外故障所产生的大穿越电流可能导致两侧CT严重饱和，从而产生相当大的差流，在两侧CT饱和程度不同时，此差流更为明显，虽然动作特性曲线的上扬，大多数情况已可以躲过这种情况，但严重区外故障时差动电流Idiff/IN和制动电流Istab/IN构成的坐标点，仍可能位于图1中的动作区，保护仍可能误动。为可靠、正确区分出内部故障与近距区外严重故障，7UT512采取了一个区外故障CT饱和时的附加制动措施。

由图2可知，一次侧短路后，二次侧暂态不平衡电流可能超过稳态不平衡电流好几倍，且波形完全偏向于时间轴的一侧，这也就很有可能引起瞬时动作的差动保护错误动作。另外，由于CT励磁回路具有很大的电感，励磁电流不能立即上升，图2中不平衡电流最大值出现的时间不是在短路开始的瞬时，而是要滞后几个周期，这也是它与内部故障时出现的差动电流的一个重要区别，利用这一点即可构成辨别区外故障的一个重要判据。

图2 外部短路暂态过程中的CT不平衡电流Fig.2 Imbalance CT current of external short transient process

区外故障开始的瞬时，制动电流很大而不平衡电流形成的差流还很小，过了几个周期后，差流达到最大才可能超越动作边界。7UT512型差动保护在短路开始的瞬间，即差流与制动电流组成的坐标点刚进入图1中所示附加制动区内时，可以闭锁保护8个周期时间（50 Hz）即160 ms，在这段时间内，差流虽然达到了最大值，可能越过了动作边界，但装置依然不会动作，待装置再次开放时，不平衡电流已下降到一个较小值，此时已返回到制动区，这样就可以达到抗CT饱和的效果。

制动电流Istab达到一定倍数的额定电流时，根据所使用CT的饱和特性就可以认为CT已饱和，这正是附加制动曲线的起点，该曲线的延长线过原点，其斜率整定为比率制动斜率S1的1/2，即S3＝0.15。

内部故障时，制动电流大于差动电流的可能性极小，（Istab/IN、Idiff/IN）立即沿故障特性曲线F移动，因而不会进入附加制动区。

外部故障时，差动保护在由附加制动闭锁差

动保护的情况下，发电机又发生内部故障，此种原理构成的差动保护仍能可靠动作。只要（Istab/IN、Idiff/IN）点稳定的处于故障特性曲线F上2个周期，附加制动立即被解除。

7UT512差动保护有两种模式：一种是发电机模式（应急柴油机），另一种是变压器模式。变压器模式具有二次谐波交叉制动，这和国产的差动保护有些区别，在变压器空投困难时，通过改变制动时间的设置，具有良好的二次谐波制动效果。

图3为典型的励磁涌流波形，曲线c为对称性涌流，a、b为非对称性涌流。变压器涌流的间断角都大于60°，由于间断角的存在，使得励磁涌流的波形在一个周期内前半周和后半周存在不对称性。变压器内部故障电流一个周期波形的前半周和后半周的对称性与励磁涌流波形的非对称性，可以有效判断是变压器的励磁涌流还是内部短路。而励磁涌流中含有大量的高次谐波分量，并以二次谐波为主。

图3 典型的励磁涌流波形Fig.3 Typical wave shape of magnetizing inrush current

一般二次谐波制动是按相工作的，二次谐波含量高于限值的相被制动，二次谐波含量低于限值的相依然可以动作。因此只要有一相符合动作条件，继电器即发出跳闸命令。可以设想若涌流出现时有两相电流都超过差动启动值，而其中仅有一相二次谐波含量超过限值而制动，则另一个二次谐波含量低于限值的相因无制动作用而可以引发跳闸。为避免此类误动，7UT512差动保护提供了二次谐波交叉制动的功能，即二次谐波不仅对本相起制动作用，对其他相也起制动作用，只要有一相检测出涌流三相都闭锁。制动作用是通过设定出现前述情况后保护闭锁多少个周期来实现的。

但是，交叉制动也有其不利的一面，如变压器空载投入到区内预伏故障上时，无论涌流和故障发生在哪一相，保护动作时间都会延迟前述设定周期数，从保护速动性的角度来讲，这也是难以忍受的。因此，是否投入交叉制动功能以及制动多少个周期，需根据实际工程的情况具体分析而定。7UT512差动保护提供的缺省设定为0周期，即不投入此功能，我们认为根据现场情况可以使用此缺省值。在变压器空投困难时，可以根据装置自身录取的波形确定一个适当的闭锁周期数，但必须保证变压器投运前检查无误。

7UT512差动保护原理较完善，考虑周到，采用两段式比率制动特性；防止变压器空载送电时励磁涌流的影响，采用二次谐波制动；防止变压器过激磁，采用五次谐波制动。谐波制动采用相间交叉闭锁，以保证只要其中一相电流的二次谐波或五次谐波达到整定值，差动保护即被闭锁。不足之处是它未考虑到CT回路断线闭锁差动保护功能。

3 结论

继电保护的目的主要反映主设备发生的各种故障和不正常的运行状态，但对于核电厂，由于其运行的特殊性，对继电保护有了新的要求，保护设备重要，保证核电厂安全更为重要。应急柴油发电机的保护配置应能满足应急和试验方式的要求，保护定值的整定应根据核电厂的实际情况，使继电保护的可靠性、速动性、灵敏性、选择性得到合理的应用。

[1] 王维俭. 发电机变压器继电保护应用[M]. 北京：中国电力出版社，2005.（WANG Wei-jian. Generatortransformer Protective Relaying Applying[M]. Beijing：China Electric Power Press，2005.）

[2] 王维俭. 电气主设备继电保护原理与应用[M]. 北京：中国电力出版社，2004.（WANG Wei-jian. Principle And Applying of Main Electric Equipment Protective Relaying[M]. Beijing：China Electric Power Press，2004.）

[3] SIEMENS AG.7UT51 Numerical Differential Protection RelayInstruction Manual Siemens，1995．

The Feature of Emergency Diesel Generator Relaying Protection in Tianwan Nuclear Power Station

JIANG Xiao-peng，SHI Yan，LI Cong
(Jiangsu Nuclear Power Corporation，Lianyungang of Jiangsu Prov. 222042，China)

This paper mainly introduces the function and feature of emergency diesel generator in nuclear power plant, which plays an important role in nuclear accident. It minutely tells about the feature and configuration of relay protection and discusses the rationality of protection scheme，which shows that it can be completely contented all kinds of operation states. It is an analysis and argument about the principle of relay protection in detail，that would operate correctly when emergency diesel generator be in abnormal operating and serious fault conditions，such as cut off emergency diesel generator in order to avoid more harm to emergency diesel generator. It analyzes how the relay responses quickly and locks up the protection action under perturbations in the external power，so it can avoid unnecessary resection of emergency diesel generator to emergency power supply loss and effect of nuclear

emergency diesel generator；configuration protection；setting

TL36 Article character：A Article ID：1674-1617(2014)01-0014-04

TL36

A

1674-1617(2014)01-0014-04

2013-12-24

蒋晓鹏（1979—），男，江苏常熟人，大学本科，工程师，从事核电厂电力生产。

safety. It also analyzes the flexible use of protection setting of the protective relay to meet various operating status. It elaborates the particularity of relay protection which is due to the particularity of nuclear safety. It analyses the possibility of relay protection which has to be applied to other equipment and the protection setting that was provided by design institute, and puts forward the author’s viewpoints.