核电常规岛低压电动机控制电源探讨

引言

交流接触器在核电常规岛低压配电系统中主要作为电动机供电回路正常接通/开断的操作电器,应用较为广泛。当发生厂用电源切换、大功率电动机成组启动、短路故障时,配电系统均有可能出现瞬间断电或电压波动。此时,交流接触器作为电压暂降敏感设备,极易失压脱扣,导致汽轮发电机组辅机系统低压电动机运行状态发生异常或停运,影响核电机组安全稳定运行,甚至造成非计划停机。

低压电动机交流接触器一般采用电磁式接触器,由电磁产生的力接通或断开主触头。电磁系统按励磁电流种类分为交流磁系统和直流磁系统,因前者取电方便,无须设置直流电源,出于经济性考虑,有核电建设单位提出低压电动机回路采用交流控制电源的要求。本文针对交流接触器的控制原理进行了分析,提出了交流控制电源存在的问题和改进建议,可为后续工程设计提供借鉴。

1厂用电系统接线

核电常规岛厂用电系统设置2个电压等级,高压厂用电系统采用6kV或10kV,低压厂用电系统采用380/220V,每台机组的低压厂用母线通过低压厂用变压器与高压厂用母线连接。正常运行时,每段母线分别带负荷运行,当其中一段母线电源故障时,由另外一段母线提供电源,低压电动机由低压厂用母线直接供电。核电常规岛厂用电系统接线如图1所示。

核电常规岛保安负荷如发电机密封油泵、汽轮机交流润滑油泵、顶轴油泵等低压电动机由柴油发电机作为备用供电电源。由于柴油机容量限制,这些负荷需参与柴油发电机加卸载逻辑,为保证机组安全停运,电动机交流接触器线圈采用直流控制电源,在本文中不再进行分析。

2低压电动机控制原理

低压电动机回路采用交流控制电源,即接触器励磁线圈电源由电动机主动力电源供电,电压采用单相220V或两相380V,主要控制原理如下:

(1)在主动力回路正常且保护未动作的条件下,操作人员控制就地按钮-s11或远方控制系统DCs触发合闸指令,接触器线圈_K01得电,主触头闭合接通电动机动力回路,电动机运行。操作人员控制就地按钮_s12或远方控制系统DCs触发分闸指令,继电器_K21得电,辅助触头断开_K01控制回路,电动机动力回路失电,电动机停运。

(2)当保护动作时,继电器_K11失电,辅助触点断开_K01控制回路,接触器失压脱扣,电动机停运。

(3)当控制电源发生波动,电源电压低于接触器线圈工作电压时,接触器失压脱扣,断开动力回路,电动机停运。在设定时间内,延时断开继电器_K31保持_K01控制回路仍导通,若电源恢复,_K01自动得电,电动机自启。

典型控制接线如图2所示。

3接触器脱扣原因分析

根据《低压开关设备和控制设备第1部分:总则》(GB14048.1一2012)要求,电磁操作电器的释放电压应不高于75%额定控制电源电压,对交流在额定频率下其释放电压应不低于20%,或对直流应不低于10%。当接触器交流电源下降到额定电压的58%时,接触器最容易脱扣,接触器脱扣前持续时间约20ms。在核电机组运行过程中,引起厂用电系统电压短时断电或波动等晃电的原因一般有厂用电源切换、高压电动机成组启动、短路故障等。

3.1厂用电源切换

高压厂用母线通过高压厂用变压器与发电机和主变连接,当高压厂用母线进线断路器上游故障或母线电压低时,保护动作跳开进线断路器,启动厂用电源切换。核电常规岛厂用电源切换根据各堆型电源需求和策略不同,采用快速切换或慢速切换的方式,当快速切换不成功时会转为慢速切换方式。当采用快速切换时,电源中断0.1s左右,由于高压母线电动机提供残压,若快切成功电压降低幅度不大,低压接触器保持吸合:当采用慢速切换时,电源中断约1.5s及以上,高压母线电压降为30%以下,在此过程中,低压接触器失电脱扣跳闸。

3.2高压电动机成组启动

最大容量的高压电动机正常启动时,高压厂用母线不应低于额定电压的80%,高压电动机成组自启动时,高压厂用母线不应低于额定电压的70%,启动时间为5~10s。当电动机成组启动母线电压低于额定电压的75%时,低压电动机接触器可能会发生低压脱扣跳闸,因此厂用电系统设计时,一般通过调整负荷分配、变压器阻抗或容量使电动机成组启动母线电压大于额定电压的75%。

3.3短路故障

核电机组电气设备最常见的故障是单相接地故障,约占全部短路的75%以上,两相短路接地故障一般不超过全部短路的10%,两相及三相短路不超过全部短路的10%。

表1、表2为低压厂用变压器高、低压侧在故障情况下,低压母线电压理论计算值与额定电压的比值。

由表1可以看出,当低压厂用变压器相邻馈线发生三相短路、两相短路或两相短路接地故障时,总有至少某一相电压为0或某两个线电压降为额定电压的50%及以下,若保护动作时间和断路器跳闸时间大于低压交流接触器低压耐受时间,电动机低压母线电压降低将导致接触器脱扣跳闸。

当低压电动机相邻电源馈线发生短路故障,若电源馈线考虑上下级保护配合,保护动作时间在0.2s及以上,不能瞬时动作切断故障,电动机低压母线电压降低将导致接触器脱扣跳闸。综合表2,若交流接触器线圈电源取相电压220V,在两相短路和两相短路接地故障情况下,接触器脱扣概率为66.7%,在单相接地故障情况下,接触器脱扣概率为33.3%:若交流接触器线圈电源取线电压380V,在两相短路和两相短路接地故障情况下,接触器脱扣概率为66.7%,在单相接地故障情况下,接触器脱扣概率同样为66.7%。

4问题分析

核电机组常规岛主辅机系统低压电动机供电回路交流接触器电源若引自电动机主交流动力回路,将存在以下问题:

(1)电动机主交流动力回路电压在机组正常运行时存在不稳定性,其波动易造成接触器触头弹跳、抖动,易损坏电动机,且电动机在冷态下仅允许连续启动两次,在热态下允许启动一次。

(2)电动机频繁启停易造成主辅机工艺系统运行不稳定,并将触发相关逻辑动作,进而导致出力降低或非计划停机。

(3)控制回路中用于实现电动机在电压短时波动时能够自启的时间继电器可靠性差,一旦继电器故障,此功能将失效。

(4)若接触器控制电源引自电动机主交流回路塑壳断路器和接触器之间,对于单独配置接地保护的回路,如图2所示,当发生单相接地时,接地保护跳闸回路因失压而无法动作,有可能导致越级跳闸,引起故障电动机所在母线全部电动机失电跳闸。另外,当控制回路发生短路故障时,故障电流为20~30kA,控制回路保护电器和主动力回路塑壳断路器保护无选择性,将导致两者同时跳闸,电动机停运。

(5)若接触器控制电源引自塑壳断路器上游低压厂用母线,控制回路需选用高分断能力的微型断路器,由于短路点靠近母线,短路电流若超过微型断路器短路分断能力,将导致微断触头烧毁。而高分断能力的微型断路器选型受限,一般选用熔断器,但熔断器保护动作后需更换熔体,为运行维护带来不便。此方案因直接从低压母线取电,提高了母线的故障率。

5改进建议

为了避免出现上述问题,针对低压电动机采用交流控制电源提出如下改进建议:

(1)对于影响机组稳定运行的低压电动机,若其交流接触器线圈采用主回路动力电源供电,建议采用具有防晃电模块的电动机保护装置[4]或者防晃电装置,控制和保护回路由防晃电模块供电,在系统晃电时,确保接触器不释放及电动机保护功能不失效。

(2)对于不重要的低压电动机,其保护功能建议由供电回路塑壳断路器配套的电子脱扣器来实现,其保护功能不依赖于主动力回路电源,可以避免晃电导致保护功能失效。

(3)为了避免主回路与控制回路的相互影响,包括短路故障、电压暂降等,提高控制回路的独立性和安全性,建议采用控制变压器进行隔离。

(4)由于核电常规岛需为机组保护、控制等负荷设置直流电源,交流接触器线圈建议由直流系统供电,取电方便,无须单独设置直流电源。直流线圈保持功率一般不超过3w,功耗低。直流系统独立于交流系统,不受交流电源故障切换、大容量电机成组启动、变压器励磁涌流、短路故障等产生的晃电影响,当系统晃电时,接触器主触头不会断开,可避免重要电动机跳闸;由于电动机残压的存在,电动机电压降低较慢,不会产生大的冲击电流。需注意设置电动机低电压保护,在电源电压长时间消失后自动断开交流接触器线圈电源,电动机跳闸,以确保人身和设备安全。

6结语

核电常规岛为了保证机组稳定运行,机组保护、控制等负荷均采用直流电源,低压交流接触器线圈保持功率很小,建议采用直流电源,以减少设备因系统短时断电或电压波动导致的不良影响。对于不重要的负荷或辅助设施,经技术经济比较无须设置直流电源时,低压交流接触器可采用交流电源。