引言

交流接觸器在核電常規(guī)島低壓配電系統(tǒng)中主要作為電動機供電回路正常接通/開斷的操作電器,應用較為廣泛。當發(fā)生廠用電源切換、大功率電動機成組啟動、短路故障時,配電系統(tǒng)均有可能出現(xiàn)瞬間斷電或電壓波動。此時,交流接觸器作為電壓暫降敏感設備,極易失壓脫扣,導致汽輪發(fā)電機組輔機系統(tǒng)低壓電動機運行狀態(tài)發(fā)生異常或停運,影響核電機組安全穩(wěn)定運行,甚至造成非計劃停機。

低壓電動機交流接觸器一般采用電磁式接觸器,由電磁產(chǎn)生的力接通或斷開主觸頭。電磁系統(tǒng)按勵磁電流種類分為交流磁系統(tǒng)和直流磁系統(tǒng),因前者取電方便,無須設置直流電源,出于經(jīng)濟性考慮,有核電建設單位提出低壓電動機回路采用交流控制電源的要求。本文針對交流接觸器的控制原理進行了分析,提出了交流控制電源存在的問題和改進建議,可為后續(xù)工程設計提供借鑒。

1廠用電系統(tǒng)接線

核電常規(guī)島廠用電系統(tǒng)設置2個電壓等級,高壓廠用電系統(tǒng)采用6kV或10kV,低壓廠用電系統(tǒng)采用380/220V,每臺機組的低壓廠用母線通過低壓廠用變壓器與高壓廠用母線連接。正常運行時,每段母線分別帶負荷運行,當其中一段母線電源故障時,由另外一段母線提供電源,低壓電動機由低壓廠用母線直接供電。核電常規(guī)島廠用電系統(tǒng)接線如圖1所示。

核電常規(guī)島保安負荷如發(fā)電機密封油泵、汽輪機交流潤滑油泵、頂軸油泵等低壓電動機由柴油發(fā)電機作為備用供電電源。由于柴油機容量限制,這些負荷需參與柴油發(fā)電機加卸載邏輯,為保證機組安全停運,電動機交流接觸器線圈采用直流控制電源,在本文中不再進行分析。

2低壓電動機控制原理

低壓電動機回路采用交流控制電源,即接觸器勵磁線圈電源由電動機主動力電源供電,電壓采用單相220V或兩相380V,主要控制原理如下:

(1)在主動力回路正常且保護未動作的條件下,操作人員控制就地按鈕-s11或遠方控制系統(tǒng)DCs觸發(fā)合閘指令,接觸器線圈_K01得電,主觸頭閉合接通電動機動力回路,電動機運行。操作人員控制就地按鈕_s12或遠方控制系統(tǒng)DCs觸發(fā)分閘指令,繼電器_K21得電,輔助觸頭斷開_K01控制回路,電動機動力回路失電,電動機停運。

(2)當保護動作時,繼電器_K11失電,輔助觸點斷開_K01控制回路,接觸器失壓脫扣,電動機停運。

(3)當控制電源發(fā)生波動,電源電壓低于接觸器線圈工作電壓時,接觸器失壓脫扣,斷開動力回路,電動機停運。在設定時間內,延時斷開繼電器_K31保持_K01控制回路仍導通,若電源恢復,_K01自動得電,電動機自啟。

典型控制接線如圖2所示。

3接觸器脫扣原因分析

根據(jù)《低壓開關設備和控制設備第1部分:總則》(GB14048.1一2012)要求,電磁操作電器的釋放電壓應不高于75%額定控制電源電壓,對交流在額定頻率下其釋放電壓應不低于20%,或對直流應不低于10%。當接觸器交流電源下降到額定電壓的58%時,接觸器最容易脫扣,接觸器脫扣前持續(xù)時間約20ms。在核電機組運行過程中,引起廠用電系統(tǒng)電壓短時斷電或波動等晃電的原因一般有廠用電源切換、高壓電動機成組啟動、短路故障等。

3.1廠用電源切換

高壓廠用母線通過高壓廠用變壓器與發(fā)電機和主變連接,當高壓廠用母線進線斷路器上游故障或母線電壓低時,保護動作跳開進線斷路器,啟動廠用電源切換。核電常規(guī)島廠用電源切換根據(jù)各堆型電源需求和策略不同,采用快速切換或慢速切換的方式,當快速切換不成功時會轉為慢速切換方式。當采用快速切換時,電源中斷0.1s左右,由于高壓母線電動機提供殘壓,若快切成功電壓降低幅度不大,低壓接觸器保持吸合:當采用慢速切換時,電源中斷約1.5s及以上,高壓母線電壓降為30%以下,在此過程中,低壓接觸器失電脫扣跳閘。

3.2高壓電動機成組啟動

最大容量的高壓電動機正常啟動時,高壓廠用母線不應低于額定電壓的80%,高壓電動機成組自啟動時,高壓廠用母線不應低于額定電壓的70%,啟動時間為5~10s。當電動機成組啟動母線電壓低于額定電壓的75%時,低壓電動機接觸器可能會發(fā)生低壓脫扣跳閘,因此廠用電系統(tǒng)設計時,一般通過調整負荷分配、變壓器阻抗或容量使電動機成組啟動母線電壓大于額定電壓的75%。

3.3短路故障

核電機組電氣設備最常見的故障是單相接地故障,約占全部短路的75%以上,兩相短路接地故障一般不超過全部短路的10%,兩相及三相短路不超過全部短路的10%。

表1、表2為低壓廠用變壓器高、低壓側在故障情況下,低壓母線電壓理論計算值與額定電壓的比值。

由表1可以看出,當?shù)蛪簭S用變壓器相鄰饋線發(fā)生三相短路、兩相短路或兩相短路接地故障時,總有至少某一相電壓為0或某兩個線電壓降為額定電壓的50%及以下,若保護動作時間和斷路器跳閘時間大于低壓交流接觸器低壓耐受時間,電動機低壓母線電壓降低將導致接觸器脫扣跳閘。

當?shù)蛪弘妱訖C相鄰電源饋線發(fā)生短路故障,若電源饋線考慮上下級保護配合,保護動作時間在0.2s及以上,不能瞬時動作切斷故障,電動機低壓母線電壓降低將導致接觸器脫扣跳閘。綜合表2,若交流接觸器線圈電源取相電壓220V,在兩相短路和兩相短路接地故障情況下,接觸器脫扣概率為66.7%,在單相接地故障情況下,接觸器脫扣概率為33.3%:若交流接觸器線圈電源取線電壓380V,在兩相短路和兩相短路接地故障情況下,接觸器脫扣概率為66.7%,在單相接地故障情況下,接觸器脫扣概率同樣為66.7%。

4問題分析

核電機組常規(guī)島主輔機系統(tǒng)低壓電動機供電回路交流接觸器電源若引自電動機主交流動力回路,將存在以下問題:

(1)電動機主交流動力回路電壓在機組正常運行時存在不穩(wěn)定性,其波動易造成接觸器觸頭彈跳、抖動,易損壞電動機,且電動機在冷態(tài)下僅允許連續(xù)啟動兩次,在熱態(tài)下允許啟動一次。

(2)電動機頻繁啟停易造成主輔機工藝系統(tǒng)運行不穩(wěn)定,并將觸發(fā)相關邏輯動作,進而導致出力降低或非計劃停機。

(3)控制回路中用于實現(xiàn)電動機在電壓短時波動時能夠自啟的時間繼電器可靠性差,一旦繼電器故障,此功能將失效。

(4)若接觸器控制電源引自電動機主交流回路塑殼斷路器和接觸器之間,對于單獨配置接地保護的回路,如圖2所示,當發(fā)生單相接地時,接地保護跳閘回路因失壓而無法動作,有可能導致越級跳閘,引起故障電動機所在母線全部電動機失電跳閘。另外,當控制回路發(fā)生短路故障時,故障電流為20~30kA,控制回路保護電器和主動力回路塑殼斷路器保護無選擇性,將導致兩者同時跳閘,電動機停運。

(5)若接觸器控制電源引自塑殼斷路器上游低壓廠用母線,控制回路需選用高分斷能力的微型斷路器,由于短路點靠近母線,短路電流若超過微型斷路器短路分斷能力,將導致微斷觸頭燒毀。而高分斷能力的微型斷路器選型受限,一般選用熔斷器,但熔斷器保護動作后需更換熔體,為運行維護帶來不便。此方案因直接從低壓母線取電,提高了母線的故障率。

5改進建議

為了避免出現(xiàn)上述問題,針對低壓電動機采用交流控制電源提出如下改進建議:

(1)對于影響機組穩(wěn)定運行的低壓電動機,若其交流接觸器線圈采用主回路動力電源供電,建議采用具有防晃電模塊的電動機保護裝置[4]或者防晃電裝置,控制和保護回路由防晃電模塊供電,在系統(tǒng)晃電時,確保接觸器不釋放及電動機保護功能不失效。

(2)對于不重要的低壓電動機,其保護功能建議由供電回路塑殼斷路器配套的電子脫扣器來實現(xiàn),其保護功能不依賴于主動力回路電源,可以避免晃電導致保護功能失效。

(3)為了避免主回路與控制回路的相互影響,包括短路故障、電壓暫降等,提高控制回路的獨立性和安全性,建議采用控制變壓器進行隔離。

(4)由于核電常規(guī)島需為機組保護、控制等負荷設置直流電源,交流接觸器線圈建議由直流系統(tǒng)供電,取電方便,無須單獨設置直流電源。直流線圈保持功率一般不超過3w,功耗低。直流系統(tǒng)獨立于交流系統(tǒng),不受交流電源故障切換、大容量電機成組啟動、變壓器勵磁涌流、短路故障等產(chǎn)生的晃電影響,當系統(tǒng)晃電時,接觸器主觸頭不會斷開,可避免重要電動機跳閘;由于電動機殘壓的存在,電動機電壓降低較慢,不會產(chǎn)生大的沖擊電流。需注意設置電動機低電壓保護,在電源電壓長時間消失后自動斷開交流接觸器線圈電源,電動機跳閘,以確保人身和設備安全。

6結語

核電常規(guī)島為了保證機組穩(wěn)定運行,機組保護、控制等負荷均采用直流電源,低壓交流接觸器線圈保持功率很小,建議采用直流電源,以減少設備因系統(tǒng)短時斷電或電壓波動導致的不良影響。對于不重要的負荷或輔助設施,經(jīng)技術經(jīng)濟比較無須設置直流電源時,低壓交流接觸器可采用交流電源。