某核电厂励磁系统跳闸回路优化

翟常营，顾秋斌，刘延超

（福建福清核电有限公司，福建 福清 350318）

摘要：文章介绍某核电厂励磁系统及其跳闸原理，针对其跳闸电源设计、回路设计、元件选用、逻辑结构可靠性进行了分析与讨论，提出了存在的不足，并给出建议方案。

关键词：励磁；跳闸；优化；

1. 前言

提高和维持同步发电机运行的稳定性，是保证电力系统安全、经济运行的基本条件之一。若发电机励磁调节器不能合理、可靠跳开发电机出口断路器（下文以GCB简称）以及灭磁开关，很可能损坏设备、对电力系统造成严重冲击，甚至威胁到反应堆的安全，因此励磁跳闸回路的可靠性及逻辑的合理性便值得探讨。

2. 励磁系统跳闸原理简述

   1. 励磁系统跳闸原理

励磁调节器配有三个通道，其中通道1、通道2是两个相同的自动通道，通道3为一个独立的手动调节器（MCR），当两个自动通道都发生故障时，系统切换至独立的手动通道。

励磁系统跳闸信号来源可分为两类，其一是励磁系统内部跳闸信号，包括励磁系统限制器跳闸逻辑动作、励磁系统保护继电器二阶跳闸出口动作、二极管断相监测装置跳闸出口动作、轴电流检测装置跳闸出口动作、励磁变压器温度高高跳闸出口动作等；另一类是外部跳闸信号开入，包括发变组保护动作信号unit fault、GSE系统紧急跳闸信号等。

在励磁系统中，当三个通道中任意一通道可用的情况下，所有跳闸信号必须经过励磁调节器控制器处理判断后再出口，且所有出口的跳闸信号必经GCB合位节点信号闭锁，即GCB处于合闸位置时，灭磁开关分闸命令无效。当三个调节器都失电时，仅有外部跳闸信号unit fault可直接跳开灭磁开关。

3. 励磁系统跳闸回路可靠性分析；

   1. 跳闸电源可靠性分析

该励磁系统中，励磁调节器冗余设计是其一大优点，其中也包括了灭磁开关跳闸线圈及其动作电源的冗余设计。

图2 灭磁开关跳闸线圈工作电源及unit fault跳闸开入

跳闸线圈D1、D2是完全相同的，理想状态下两组跳圈同时动作跳开灭磁开关。每个跳圈使用单独的工作电源，保证在一组工作电源失去或一只跳圈故障的情况下，灭磁开关也可靠分断。此外，参与跳闸回路的继电器工作电源也同样设计了备用方案。

图3 继电器工作电源

由图3可知，当209FU供电时，208XW得电，工作电源由209FU供电；当209FU失电时，工作电源由208FU供电，跳闸元件仍正常工作。

图4 自动通道跳闸开入回路工作电源

当任意一通道可用时，所有跳闸信号必须经控制器处理、判断后发出，但两个自动通道的跳闸信号开入回路使用同一工作电源，此处增加了不可靠因素，每个通道都应有各自的独立工作电源。

1. 2. 回路可靠性分析

该励磁系统跳闸回路结构稍显复杂，在任意一个通道可用的情况下，所有跳闸信号必须经控制器出口，再经跳闸继电器动作至跳闸线圈，还需经GCB位置节点闭锁。

1. 1. 1. 励磁系统内部跳闸信号回路

由图5分析可知，当励磁系统三个通道都不可用时，两个自动通道与手动通道的Active信号消失， 234XW继电器得电，经1s延时后动作，此时若GCB处于分位，则202XE得电动作，跳开灭磁开关；234XW动作后同时发出unit fault信号至发变组保护跳闸，经235XW出口跳闸信号至发变组保护装置。

图5 励磁系统跳闸回路

当励磁系统发生二阶故障时，260XE、261XE、262XE分别对应三个通道发出的二阶故障信号， 235XW得电动作，出口至发变组保护装置跳闸。

由以上分析有两个薄弱点。其一为202XE继电器，两个灭磁开关跳圈动作回路都由202XE来导通。一旦202XE拒动、损坏或电源接触不良，将导致紧急情况下无法跳开灭磁开关。

此外，202XE动作回路中串有GCB合位反馈节点，仅当GCB处于分闸位置时，202XE才可能动作跳开灭磁开关，目的是避免GCB合位时误分灭磁开关，造成发电机失磁。GCB合位位置节点通过209XE单一元件重动至202XE动作回路，这同样暴露出了冗余性不足的问题。

对于励磁系统开出至发变组保护跳闸回路来说，三个通道都不可用时，经1s延时后出口至发变组保护装置，在1s内任意一个通道恢复可用状态，励磁调节器可继续工作，不会发跳闸信号至外部；或3个通道任意一个通道发出励磁系统二阶故障信号时，无延时出口至发变组保护装置，保证了励磁系统发生二阶故障时能可靠出口动作。

1. 1. 2. 励磁系统外部故障跳闸开入

当励磁调节器三个通道都未失电时，任意一路unit fault信号开入励磁系统时，将由两个重动继电器分别动作至两个自动通道和一个手动通道，励磁调节器任意一个通道收到unit fault信号后将发出励磁系统跳灭磁开关命令，后续跳闸回路与3.2.1节相同。

当励磁调节器三个通道都失电时，正常跳闸回路无法导通，但外部开入的unit fault信号重动继电器的常开触点与三个通道电源监视继电器235XW1、235XW2、235XW3的常闭触点串联接入灭磁开关跳圈动作回路，能够可靠跳开灭磁开关。

1. 3. 逻辑可靠性分析

该励磁系统中，过励保护一阶跳闸是在励磁电流大于0.69A时，延时6S报警并同时切换至手动通道，再经5s延时后跳闸。当一阶过励持续6s至11s之间时，一阶过励故障复归后调节器无法切回自动通道运行，增加了不可靠因素。

励磁变超温报警、励磁变温度高高跳闸取三相信号进行或运算出口，对于变压器超温保护来说，热量是一个积累的过程，在无延时的情况下某一相超温保护动作后很快复归或误动作情况下，热量并没有积累多少，此时不应发出跳闸信号。对于励磁变温度高报警来说，由于不会作用于跳闸，出现报警也可对运行人员作出提示，以及时确认设备状态。

1. 4. 元件可靠性分析

调试期间发现由于灭磁开关第二组跳圈执行机构卡涩严重，且第二组跳圈电阻无穷大，已无法正常工作。除此以外，对各继电器也进行了检验。按照《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》中的要求：“15.7.8 所有涉及直接跳闸的重要回路应采用动作电压在额定直流电源电压的55%～70%范围以内的中间继电器，并要求其动作功率不低于5W”。部分重要继电器动作电压及动作功率不满足国网十八项反措要求，易受电磁干扰影响，造成出口继电器误动。

表1 部分跳闸回路继电器动作特性

Table 1 Tripping Circuit Relays Action Character

4. 励磁系统跳闸回路优化方案

结合上述分析，提出励磁系统跳闸回路的优化方案，分别对跳闸电源、回路、逻辑、元件四个方面进行了优化

1. 1. 跳闸电源优化建议

该励磁系统中，两个自动通道的跳闸信号开入回路使用了同一工作电源，这增加了不可靠因素，每个通道的跳闸信号开入回路应选用不同的工作电源，提高冗余性，保证丢失某一工作电源情况下不影响其它通道的正常工作。

1. 2. 跳闸回路优化

由于灭磁开关跳闸继电器202XE与GCB合闸位置重动继电器209XE都是单一元件，这种单一元件发生故障情况下无法及时跳开灭磁开关，对于202XE继电器需冗余设置，增加一个相同型号继电器与202XE并联，其节点连接也与202XE相同。对于209XE，需增加两个同型号继电器与209XE并联，各取一付常闭触点做三取二逻辑后输出到202XE动作回路，防止单一元件出现误动、拒动情况下，GCB合闸位置节点反馈错误。

1. 3. 跳闸逻辑优化

过励保护一阶跳闸是在励磁电流大于0.69A时，延时6S报警并同时切换至手动通道，再经5s延时后跳闸。建议缩短切换通道与跳闸之间的延时，切换通道前过励消失，调节器仍可正常运行于自动通道，相比切换通道后运行在手动通道安全很多。

对于励磁变温度高高跳闸逻辑，建议对励磁变三相温度信号进行三取二逻辑运算后再经适当延时出口跳闸，以避免误报跳闸信号。

1. 4. 跳闸元件优化

对于涉及跳闸回路的重要元器件，可从灭磁开关及参与跳闸回路的重要继电器入手。

针对调节过程中发现的灭磁开关一组跳闸线圈执行机构卡涩，导致该跳圈得电时无法跳开灭磁开关，跳圈长时带电最终损坏。在机组正式投运前及后续机组大修过程中，应重点检查灭磁开关跳圈执行机构能否顺畅动作，并选取合适材质的润滑介质对其进行润滑，若发现有动作过程有明显阻力或卡涩，应及时更换，避免运行期间发生紧急情况无法可靠跳开灭磁开关。

对于部分涉及重要跳闸回路的继电器动作电压及功率不满足《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》中的要求，现场已选择符合要求的继电器对原继电器进行替换。

5. 结束语

综合对该励磁系统跳闸电源、回路、元件及逻辑优化，形成了一套更加可靠的励磁系统跳闸方案；由原跳闸回路、原理与优化后的跳闸方案相比较可见，优化后的方案很大程度上提高了励磁系统跳闸回路的可靠性，即对发电机组、反应堆的安全提供了更好的保障。

参考文献

[1]. 国家电网公司. 国家电网公司十八项电网重大反事故措施(2018年修订版)及编制说明[M].北京：中国电力出版社. 2018

作者简介

翟常营（1989—），男，黑龙江宝清人，工程师，从事发电机励磁与继电保护技术工作。