核电厂中压厂用电常见电气事故及应对处理

查东健，陈本林

（1.中国核电工程有限公司，北京 100840；2. 海南核电有限公司，海南 海口 570125）

核电厂中压厂用电常见电气事故及应对处理

查东健1，陈本林2

（1.中国核电工程有限公司，北京 100840；2. 海南核电有限公司，海南 海口 570125）

根据国内核电工程建设现场的调试实践和运行经验，集中分析了中压厂用电系统发生的典型事故案例，主要包括设备本体事故、开关意外合分闸、母线PT铁磁谐振、单相接地事故、三相短路事故等，并且总结了事故特点、造成事故的常见原因，提出了相应的预防措施和事后处理措施。为其他核电工程或电力建设项目提供了良好的经验反馈和借鉴。

厂用电系统；不接地系统；三相短路事故；铁磁谐振

核电厂厂用电系统为厂内附属设备提供电源，发电机、封闭母线、出口断路器、主变、高厂变以及中压配电装置，完成电能在厂内部分的传输。核电厂在生产电力过程中，有大量的以电动机拖动的机械被用以保证反应堆、汽轮机、发电机等主设备和辅助设备的正常运行。同时，还具有为核安全相关的设备提供可靠电源，以实现在核事故工况下的反应堆安全。厂用电系统一般采用6 kV电压等级［1］，且系统中性点不接地。核电厂厂用电系统从建安阶段的首次上电到发电机带厂用电并网运行这段时间较长，期间易发生各种电气事故。

1　中压厂用电系统

中性点不接地系统不需要在中性点接任何设备，故实现起来较为简单，且具有单相接地时允许带故障运行，接地电流仅为线路及设备的电容电流、供电的连续性好等优点。当电力系统正常运行时，平衡三相系统的中性点电位等于地的电位，三相导线对地电压是相等的，均等于相电压。当一相导线接地故障时，该相的电位即变为地的电位，中性点的电位升至相电压，而另外两非故障相导线对地电位升至系统线电压，也即非故障相的绝缘将受到比正常电压大3倍的电压。在实际运行中，输电线路和电机电容的导电部分，对地都存在分布电容。

核电厂中压厂用电系统典型接线图如图1所示。

2　中压配电装置

6 kV中压开关柜采用铠装型交流金属封闭式。柜内设备选用真空断路器和FC（熔断器和接触器）混装方案。根据馈线回路干式变和电动机容量的大小，选用真空断路器或者FC回路。

FC回路具有的保护功能分为电动机保护和变压器保护，设置有过流保护、过负荷保护和单相接地保护。

图1　核电厂中压厂用电系统典型接线图Fig.1　Typical wiring of medium voltage service power system in nuclear power plant

真空断路器回路分为进线回路和大型电动机回路，进线回路设置过流保护，大型电动机回路设置有过流保护、过负荷保护或单相接地保护、差动保护。

配电盘上下游进出线断路器根据过流保护整定值设定来实现短路保护的选择性。

3　厂用电事故分析

3.1设备本体事故

电气设备本体由于制造质量不过关、运输安装中受损等，使用试验手段无法发现存在的缺陷，但运行一段时间后暴露隐患，造成设备事故。

事例1：某核电机组处于调试启动过程中的反应堆功率运行模式，主变C相运行中突发主变重瓦斯保护、差动保护、速断保护同时动作跳闸高压开关，机组失去主厂外电源，反应堆自动停堆。经现场查看发现主变C相本体已开裂。事故前在绝缘油色谱分析中已经检测到乙炔含量异常增高，并且轻瓦斯有动作记录。经分析，事故原因是主变绝缘纸板受潮导致内部X柱高压绕组（上分支）发生贯穿性短路所致。

事例2：某核电工程2号机组中压配电盘停电检修，在进行主母线交流耐压试验时发现电压升高至14 kV即跳闸，经配电盘拆解检查，发现树脂绝缘模块开裂，对全厂配电盘停电检查均发现相同问题。而该设备制造厂供货的相同类型配电盘应用于全国在建的众多核电工程，该型绝缘模块发生的质量共性问题影响极大。

3.2开关意外分合闸

在核电厂调试阶段和运行初期，易发生开关意外合分闸事故，特别是6 kV开关工作位带电情况下的意外分合闸，对设备和人身安全存在极大的安全隐患。开关的远方控制电缆的虚接、错接、端接时意外触碰短接，将造成开关意外分合闸。人为误操作也是造成开关意外分合闸事故的主要因素。

某工人在进行中压开关控制电缆端接时，由于不清楚作业风险，剪断时意外形成电缆金属截面短接，造成控制回路导通触发中压母线进线开关跳闸而引发大面积停电。

3.3单相接地事故

核电工程建安阶段是厂用电系统单相接地事故［2］的高发期，发生的单相接地事故原因主要有人体误触碰带电体、电力电缆绝缘破损、电缆屏蔽层处理不当等。发生单相接地事故可通过该回路保护装置报警信息和故障录波电压波形图分析定位对应的故障回路。

单相接地事故分为金属性接地和非金属性接地，发生金属性接地时该相相电压为零，其他两相相电压为线电压，录波电压波形图容易判断出。实际工程中常发生非金属性接地，尤其是电缆绝缘缺陷情况下的弧光接地。发生弧光接地时，相电压不为零，由于零序电压保护一般设定为15 V，弧光接地初期一般探测不到，只有当事故扩大后，才触发报警，而此时不断交替振荡的弧光和过电压将会引发电缆烧毁，导致两相短路或三相短路跳闸；如果弧光电压与电缆托盘、金属框架、大地形成电流回路，将会干扰控制电缆、测量电缆信号。人体误触碰带电体也会引起非金属性接地，由于接地保护只报警，这种情况下对人身安全极其危险，此类事故已发生过多起，造成了重大人身伤亡。

事例1：某核电工程备用电源试验期间，通过中压断路器给下游电功率为28 MVA的电锅炉送电，在电锅炉启动和稳步加载至额定功率时一直运行平稳，在电锅炉减载阶段，发生单相接地故障报警，操作人员紧急分闸断路器。经检查发现电缆C相某处已烧毁，紧挨的正常电缆已被弧光灼烧鼓包。经调查，该事故为电缆外层绝缘（护套）被外力破坏所致。

事例2：某核电机组主变和高厂变由电网送电期间，由于高厂变至中压配电盘的电力电缆屏蔽层直接悬空而未进行绝缘处理，在送电瞬间触发单相接地故障报警。检查发现，电力电缆屏蔽层感应电压对金属托架弧光放电触发回路过电压。通过该次事故的经验反馈，检查全厂电缆屏蔽层处理情况，发现多处存在相同的问题。

此外，电缆头的金属屏蔽层接地线与零序电流互感器安装穿线方式错误，易引起零序电流保护误动，触发虚假的单相接地。工程中常犯的错误有金属屏蔽层接地线穿过零序电流互感器直接接地；金属屏蔽层接地线未在零序电流互感器内正确回穿，正确的做法应该是先将接地线做绝缘再进行回穿接地。

3.4三相短路事故

中压厂用电系统发生三相短路事故对短路回路的电气设备影响最严重，特别是对大型油浸变压器和应急柴油发电机的损害。大型油浸变压器的三相短路事故，实质可以看成变压器近区短路［3］，在大短路电流冲击下，将导致变压器绕组变形，引起局部放电，匝间、股间短路，严重时造成主绝缘放电或完全击穿。事故后，短路回路需要通过全面的检查、验算和试验，综合评估对电气设备的影响，严重情况下设备需返厂检修甚至直接报废。此外，一旦事故断电，将引发低压电源和工艺负荷失电，造成重大运行风险。而且事故后评估和处理需很长一段时间，这将直接影响到机组的安全稳定运行。

事例1：在某次对中压安全盘母线送电时，操作人员在未检查地刀状态及测量母线绝缘电阻下，对中压安全盘上游断路器直接合闸，造成以母线地刀闭合接地为短路点的三相短路事故，由于断路器过流保护选择性设置不当触发越级跳闸，造成停电范围扩大。经分析，本次三相短路峰值电流50.8 kA，稳态短路电流21.3 kA，短路电流持续时间0.35 s。事故后，对短路回路电气设备重新进行检查。通过短路参数对安全盘母线动稳定、电缆热稳定、断路器和隔离手车进行验算。重新对断路器、隔离手车和高压厂用变压器进行预防性试验，综合评估设备的可用性和可靠性。

事例2：在启动应急柴油发电机组空载运行进行厂用电源切换试验中，意外发生应急柴油发电机组的出线断路器与电网不同期合闸，造成以发电机的星型不接地定子绕组为短路点的三相短路事故。事故造成发电机阻尼绕组断裂、旋转整流二极管烧毁，发电机整体返厂检修。返回现场安装后，重新进行一系列试验，并对发电机进行评估。

3.5中压母线铁磁谐振事故

在中性点不接地电力系统中，由于电磁式电压互感器激磁特性的非线性，易发生母线铁磁谐振事故［4］。铁磁谐振是系统回路发生扰动，导致电压互感器铁芯饱和而引起的一种跃变，这一跃变使得系统回路由原来的电感性工作状态转变为电容性工作状态，在跃变过程中电流激增，电压也随着增加，从而产生了过电压。在建核电机组多次发生中压母线铁磁谐振事故，而事故一般发生在通过变压器降压空充母线段。

某核电工程由220 kV电网通过辅助变降压空充6 kV中压母线，发生强烈的谐振过电压。谐振过电压数值达到了2倍多的相电压，零序电压超过100 V，触发接地报警。重新检查后多次空充均发生铁磁谐振事故。而特殊之处在于微机二次消谐装置多次动作后仍自激起振。采用增加电容和阻尼消谐后谐振得到了有效抑制，但退出后又自激起振。而在其他核电工程中，也发生类似的自激起振事故。

铁磁谐振现象为一相电压降低、其他两相电压升高，出现零序电压高触发接地故障报警，这种接地常称为虚幻接地。与真实的接地故障相比，两者都会触发接地故障报警，区别在于铁磁谐振引发的虚幻接地一般发生在空充母线段，下游馈线负荷送电时不发生。发生铁磁谐振时，母线段配置的微机消谐装置会动作消谐并报警。根据工程建设实践统计，真实的接地故障通常发生在下游馈线负荷送电时，且回路接地保护装置将动作报警。核电厂运行和维护人员应综合以上情况判断发生何种事故，便于使用相应的处理措施。

4　事故预防措施和处理措施

电气设备由于本身质量问题导致的事故，较难事前判断和预防。在设备选型和采购中，选用成熟可靠、经验证的设备，提高制造质量、加强设备监造，可有效减少设备质量问题。另外，对电气主设备采用绝缘在线监测方法，如变压器绝缘油色谱分析在线监测装置，可实时在线监测绝缘油中溶解气体含量。

为有效预防单相接地事故，建议送电前检查电力电缆绝缘情况，特别是中间接头、终端接头和弯曲处，屏蔽层的处理应按照设计要求进行绝缘或接地，严禁屏蔽层悬空，同时应检查接地线与零序电流互感器的回穿情况。对绝缘状况有怀疑时，可进行5 kV的绝缘电阻测试或交流耐压试验。单相接地事故发生在电缆较长难以定位故障点时，一般采用单臂电桥法或使用智能定位仪查找故障点。中压系统上下级零序保护应具备选择性，特别是通过厂用电供电给电厂生活办公区时，级数比较多，应进行校核和试验，避免发生越级跳闸。

自激发的铁磁谐振，是以系统电源电势为谐振源，工频为谐振频率的系统固有谐振，二次微机消谐装置无法消谐，只能破坏谐振参数，通过采用增加系统电容值（投入电容器或电缆）的临时措施。在设计、设备选型以及首次送电前，应验算谐振参数，实地测试的方法可以获得较正确的单相电容值。如果出现自激发铁磁谐振风险较高时，可通过改变参数，增加阻尼消谐。

高厂变、主变发生三相短路事故（近区短路），应进行绝缘电阻测量、各分接位的绕组直流电阻测量、绕组连同套管的电容量测试、低电压短路阻抗测试、频响法绕组变形试验，24h内应采样进行绝缘油色谱分析，与事故前色谱分析综合对比，特别注意乙炔含量的变化，此外还可以进行油中微量元素铜、铁等的检测，并做好历史记录。应急柴油发电机组发生三相短路事故，建议回厂处理，返回后还应进行相关预防性试验、短路试验、空载试验、并网满载和过载运行试验等，从而综合考量应急柴油发电机组的带载能力及运行可靠性。采用分裂绕组的高压变，可增强变压器的抗短路能力；提高厂用电过流保护的速动性和选择性，压缩保护动作时间，可缓减事故后果。针对事故回路的电气设备，应单独建立设备状态档案，运行中加强关注和巡检，缩短检修和维护周期，根据设备状态调整预防性试验项目和周期，同时做好历史数据记录以作综合评价。

5　结论

在核电工程建设和运行初期，熟悉各种电气事故的类型、原因、特点和处理措施，不仅可以展开针对性的预防工作、监控措施和人因管理，避免人因失误导致的事故发生［5］，也有利于做好应急组织管理工作，积极有效、快速响应事故处理，保证厂用电系统安全稳定、可靠的运行。

［1］ 王宁. 核电机组电气设计分析［J］. 中国核电，2012，5（4）.（WANG Ning. Electric Design and Analysis for Nuclear Power Plant［J］. China Nuclear Power， 2012， 5（4）. ）

［2］ 申婷婷.发电厂6kV母线常见故障及处理［J］. 中国科技信息，2013（23）.（SHEN Ting-ting. Common Failure and Treatment for 6 kV Busbar in Nuclear Power Plant［J］. China Science and Technology Information， 2013（23）. ）

［3］ 李伟，王刘芳，余国钢. 变压器遭受出口和近区短路冲击的统计分析及对策［J］. 华东电力，2005（5）.（LI Wei， WANG Liu-fang， YU Guo-gang. Statistics， Analysis and Countermeasures for Short Circuit Shock at the Outlet and its Near Districts of Transformer，2005（5）. ）

［4］ 李书硕，马成久.6kV系统电磁式电压互感器引起的谐振过电压及其防范措施［J］. 东北电力技术，2011（4）.（LI Shu-shuo， MA Cheng-jiu. Resonance Overvoltage Caused by the 6 kV Electromagnetic Voltage Transformer and Prevention Measures ［J］. Northeast Electric Power Technology， 2011（4）. ）

［5］ 张迅，顾颖宾. 田湾核电站失去厂外电源事故处理［J］. 中国核电，2009，2（4）.（ZHANG Xun， GU Ying-bin. Treatment of Loss of Off-site Power Accident in Tianwan NPP［J］. China Nuclear Power， 2009， 2（4）. ）

Electrical Accidents and Corresponding Treatment of Medium Voltage Service Power System in Nuclear Power Plant

ZHA Dong-jian1， CHEN Ben-lin2
（1. China Nuclear Power Engineering Co.， Ltd.， Beijing 100840，China； 2.Hainan Nuclear Power Co.， Ltd.， Haikou， Hainan Prov. 570125， China）

According to the commissioning practice and operating experience in nuclear power plant construction phase， the paper focused on the analysis of typical accidents in medium voltage service power system， mainly including electrical switch gear accidents， breakers unexpecteds witching， ferromagnetic resonance in the power system， single-phase grounding accidents， three-phase short-circuit accidents，and summarized the common cause and the characteristics of these accidents. Therefore， the paper puts forward some corresponding preventive measures and handling measures. In conclusion， these accidents and treatment measures mentioned in the paper can be good experience feedback and reference for other nuclear power plant construction.

service power system； ungrounded system； three-phase short-circuit accident；ferromagnetic resonance

TM623 Article character：A Article ID：1674-1617（2016）03-0274-05

TM623

A

1674-1617（2016）03-0274-05

2016-04-19

查东健（1981—），男，江苏人，工程师，硕士，从事核电厂调试与管理方面的工作。