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(dòng)機(jī)供電回路正常接通/開斷的操作電器,應(yīng)用較為廣泛。當(dāng)發(fā)生廠用電源切換、大功率電動(dòng)機(jī)成組啟動(dòng)、短路故障時(shí),配電系統(tǒng)均有可能出現(xiàn)瞬間斷電或電壓波動(dòng)。此時(shí),交流接觸器作為電壓暫降敏感設(shè)備,極易失壓脫扣,導(dǎo)致汽輪發(fā)電機(jī)組輔機(jī)系統(tǒng)低壓電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生異常或停運(yùn),影響核電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行,甚至造成非計(jì)劃停機(jī)。

低壓電動(dòng)機(jī)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(lì)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(shè)置直流電源,出于經(jīng)濟(jì)性考慮,有核電建設(shè)單位提出低壓電動(dòng)機(jī)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(jìn)行了分析,提出了交流控制電源存在的問題和改進(jìn)建議,可為后續(xù)工程設(shè)計(jì)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(shè)置2個(gè)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(tái)機(jī)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(yùn)行時(shí),每段母線分別帶負(fù)荷運(yùn)行,當(dāng)其中一段母線電源故障時(shí),由另外一段母線提供電源,低壓電動(dòng)機(jī)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(fù)荷如發(fā)電機(jī)密封油泵、汽輪機(jī)交流潤滑油泵、頂軸油泵等低壓電動(dòng)機(jī)由柴油發(fā)電機(jī)作為備用供電電源。由于柴油機(jī)容量限制,這些負(fù)荷需參與柴油發(fā)電機(jī)加卸載邏輯,為保證機(jī)組安全停運(yùn),電動(dòng)機(jī)交流接觸器線圈采用直流控制電源,在本文中不再進(jìn)行分析。

2低壓電動(dòng)機(jī)控制原理

低壓電動(dòng)機(jī)回路采用交流控制電源,即接觸器勵(lì)磁線圈電源由電動(dòng)機(jī)主動(dòng)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(dòng)力回路正常且保護(hù)未動(dòng)作的條件下,操作人員控制就地按鈕-s11或遠(yuǎn)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(dòng)機(jī)動(dòng)力回路,電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。操作人員控制就地按鈕_s12或遠(yuǎn)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(dòng)機(jī)動(dòng)力回路失電,電動(dòng)機(jī)停運(yùn)。

(2)當(dāng)保護(hù)動(dòng)作時(shí),繼電器_K11失電,輔助觸點(diǎn)斷開_K01控制回路,接觸器失壓脫扣,電動(dòng)機(jī)停運(yùn)。

(3)當(dāng)控制電源發(fā)生波動(dòng),電源電壓低于接觸器線圈工作電壓時(shí),接觸器失壓脫扣,斷開動(dòng)力回路,電動(dòng)機(jī)停運(yùn)。在設(shè)定時(shí)間內(nèi),延時(shí)斷開繼電器_K31保持_K01控制回路仍導(dǎo)通,若電源恢復(fù),_K01自動(dòng)得電,電動(dòng)機(jī)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(guān)設(shè)備和控制設(shè)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(yīng)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(yīng)不低于20%,或?qū)χ绷鲬?yīng)不低于10%。當(dāng)接觸器交流電源下降到額定電壓的58%時(shí),接觸器最容易脫扣,接觸器脫扣前持續(xù)時(shí)間約20ms。在核電機(jī)組運(yùn)行過程中,引起廠用電系統(tǒng)電壓短時(shí)斷電或波動(dòng)等晃電的原因一般有廠用電源切換、高壓電動(dòng)機(jī)成組啟動(dòng)、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(jī)和主變連接,當(dāng)高壓廠用母線進(jìn)線斷路器上游故障或母線電壓低時(shí),保護(hù)動(dòng)作跳開進(jìn)線斷路器,啟動(dòng)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(dāng)快速切換不成功時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)為慢速切換方式。當(dāng)采用快速切換時(shí),電源中斷0.1s左右,由于高壓母線電動(dòng)機(jī)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(dāng)采用慢速切換時(shí),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(dòng)機(jī)成組啟動(dòng)

最大容量的高壓電動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)時(shí),高壓廠用母線不應(yīng)低于額定電壓的80%,高壓電動(dòng)機(jī)成組自啟動(dòng)時(shí),高壓廠用母線不應(yīng)低于額定電壓的70%,啟動(dòng)時(shí)間為5~10s。當(dāng)電動(dòng)機(jī)成組啟動(dòng)母線電壓低于額定電壓的75%時(shí),低壓電動(dòng)機(jī)接觸器可能會(huì)發(fā)生低壓脫扣跳閘,因此廠用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),一般通過調(diào)整負(fù)荷分配、變壓器阻抗或容量使電動(dòng)機(jī)成組啟動(dòng)母線電壓大于額定電壓的75%。

3.3短路故障

核電機(jī)組電氣設(shè)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(cè)在故障情況下,低壓母線電壓理論計(jì)算值與額定電壓的比值。

由表1可以看出,當(dāng)?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(shí),總有至少某一相電壓為0或某兩個(gè)線電壓降為額定電壓的50%及以下,若保護(hù)動(dòng)作時(shí)間和斷路器跳閘時(shí)間大于低壓交流接觸器低壓耐受時(shí)間,電動(dòng)機(jī)低壓母線電壓降低將導(dǎo)致接觸器脫扣跳閘。

當(dāng)?shù)蛪弘妱?dòng)機(jī)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(hù)配合,保護(hù)動(dòng)作時(shí)間在0.2s及以上,不能瞬時(shí)動(dòng)作切斷故障,電動(dòng)機(jī)低壓母線電壓降低將導(dǎo)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(jī)組常規(guī)島主輔機(jī)系統(tǒng)低壓電動(dòng)機(jī)供電回路交流接觸器電源若引自電動(dòng)機(jī)主交流動(dòng)力回路,將存在以下問題:

(1)電動(dòng)機(jī)主交流動(dòng)力回路電壓在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)存在不穩(wěn)定性,其波動(dòng)易造成接觸器觸頭彈跳、抖動(dòng),易損壞電動(dòng)機(jī),且電動(dòng)機(jī)在冷態(tài)下僅允許連續(xù)啟動(dòng)兩次,在熱態(tài)下允許啟動(dòng)一次。

(2)電動(dòng)機(jī)頻繁啟停易造成主輔機(jī)工藝系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定,并將觸發(fā)相關(guān)邏輯動(dòng)作,進(jìn)而導(dǎo)致出力降低或非計(jì)劃停機(jī)。

(3)控制回路中用于實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)在電壓短時(shí)波動(dòng)時(shí)能夠自啟的時(shí)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(dòng)機(jī)主交流回路塑殼斷路器和接觸器之間,對于單獨(dú)配置接地保護(hù)的回路,如圖2所示,當(dāng)發(fā)生單相接地時(shí),接地保護(hù)跳閘回路因失壓而無法動(dòng)作,有可能導(dǎo)致越級跳閘,引起故障電動(dòng)機(jī)所在母線全部電動(dòng)機(jī)失電跳閘。另外,當(dāng)控制回路發(fā)生短路故障時(shí),故障電流為20~30kA,控制回路保護(hù)電器和主動(dòng)力回路塑殼斷路器保護(hù)無選擇性,將導(dǎo)致兩者同時(shí)跳閘,電動(dòng)機(jī)停運(yùn)。

(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?jǐn)嗄芰Φ奈⑿蛿嗦菲?由于短路點(diǎn)靠近母線,短路電流若超過微型斷路器短路分?jǐn)嗄芰?將導(dǎo)致微斷觸頭燒毀。而高分?jǐn)嗄芰Φ奈⑿蛿嗦菲鬟x型受限,一般選用熔斷器,但熔斷器保護(hù)動(dòng)作后需更換熔體,為運(yùn)行維護(hù)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(jìn)建議

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

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

(2)對于不重要的低壓電動(dòng)機(jī),其保護(hù)功能建議由供電回路塑殼斷路器配套的電子脫扣器來實(shí)現(xiàn),其保護(hù)功能不依賴于主動(dòng)力回路電源,可以避免晃電導(dǎo)致保護(hù)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(dú)立性和安全性,建議采用控制變壓器進(jìn)行隔離。

(4)由于核電常規(guī)島需為機(jī)組保護(hù)、控制等負(fù)荷設(shè)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(dú)設(shè)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(dú)立于交流系統(tǒng),不受交流電源故障切換、大容量電機(jī)成組啟動(dòng)、變壓器勵(lì)磁涌流、短路故障等產(chǎn)生的晃電影響,當(dāng)系統(tǒng)晃電時(shí),接觸器主觸頭不會(huì)斷開,可避免重要電動(dòng)機(jī)跳閘;由于電動(dòng)機(jī)殘壓的存在,電動(dòng)機(jī)電壓降低較慢,不會(huì)產(chǎn)生大的沖擊電流。需注意設(shè)置電動(dòng)機(jī)低電壓保護(hù),在電源電壓長時(shí)間消失后自動(dòng)斷開交流接觸器線圈電源,電動(dòng)機(jī)跳閘,以確保人身和設(shè)備安全。

6結(jié)語

核電常規(guī)島為了保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行,機(jī)組保護(hù)、控制等負(fù)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(shè)備因系統(tǒng)短時(shí)斷電或電壓波動(dòng)導(dǎo)致的不良影響。對于不重要的負(fù)荷或輔助設(shè)施,經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較無須設(shè)置直流電源時(shí),低壓交流接觸器可采用交流電源。