核电厂低压配电系统接地故障保护的设计与研究

核电厂低压配电系统接地故障保护的设计与研究

吉文虎

中国核工业二三建设有限公司

摘要：核电厂低压配电系统主要为380V/220V厂用电设备提供交流电源。低压厂用电系统在运行中可能会因为内部绝缘损坏或老化而发生接地故障。接地故障可能使人身间接遭受电击，也可能因为接地点所形成的电弧、电火花造成火灾，甚至在特殊情况引发爆炸等事故。本文主要分析核电厂低压配电系统接地故障保护的设计与研究。

关键词：核电；低压；接地故障；保护配合；零序电流

引言

大量的现场统计数据表明，电网运行过程中，接地故障短路次数占所有故障短路次数的85%以上。另外，根据近几年核电厂的运行经验反馈，也曾发生多起低压馈线回路接地故障。因此，在工程设计过程中，对于低压配电系统中的接地故障应予以重点分析。通过设置有效的保护措施，保障人身安全、设备安全和供电可靠性。

1、低压配电系统接地故障保护设计

核电厂低压配电系统一般采用TN制接地型式，中/低压变压器选用Dyn11干式配电变压器，中性点直接接地。TN系统接地故障保护可以通过以下方式实现。在变压器低压侧中性点上装设零序电流互感器，利用零序过电流保护实现接地故障保护，基于上述保护配置要求，形成典型保护配置图如图1所示。其中中压系统采用中性点不接地形式，线路设有相间短路保护及单相接地保护，变压器馈线设置有过电流保护及过负荷保护。低压系统具体接地故障保护典型配置方案如下。1）在低压厂用变压器中性点与接地系统的连接线上设置零序电流互感器，并配置接地故障继电器，通过零序电流保护实现对变压器出线及整组低压配电装置接地故障的保护。2）对额定功率为55kW及以上的电动机回路、负荷为配电箱的馈线回路、移动或手持式电气设备和普通插座设置专用的接地故障保护。3）其他未配置专用接地故障保护的低压负荷，由低压配电盘抽屉内的熔断器或断路器的过电流保护兼做接地故障保护。

2、低压配电系统接地故障的防范措施

2.1安装断零缺相保护器

线路发生接地故障时，三相之间的平衡被打破，既可能存在过压现象，也有可能存在欠压的现象。因此在进行保护的过程中，也需要根据不同的断零缺相故障进行对应的有效控制。首先，在断零缺相保护器的安装过程中，需要保证对三相线路的电压、电流等数值进行准确地识别，从而快速判断故障源，然后对后备电源配置进行有效的调整。确保系统在发生接地故障后，及时切断电源并发出报警信号，然后切换备用电源，以保障低压配电系统良好的供电效果。其次，在检测和安装的过程中，断零缺相保护装置的运行主要由空气开关、接地故障检测电路以及控制执行机构组成。在实际安装的过程中，必须保证检测数据的准确性与精准性，确定低压配电系统是否发生接地故障，并对该线路的接地故障情况进行判断，然后做出准确的处理，避免接地故障对设备所带来的不良影响。因此在安装的过程中需要将断零缺相保护器安装在线路的首端。若需要将断零缺相保护器安装在线路末端的情况下，该保护器不会对首端检测的数据做出较快的反应，因此很难覆盖低压配电系统的线路全长。而在设计的过程中，还需要根据低压配电系统线路的长短来进行优化，从而根据合理的间距来配置故障检测点，然后安装断零缺相保护器，使其能够发挥良好的保护作用。

2.2其他防范措施

由于线路中的接地故障很容易造成严重的事故危害，因此在实际的低压配电系统运行过程中，首先应当保持三相平衡负载的供应，在配电系统的设计过程中需要将系统中的单相设备分布进行平均处理，避免某一相的负载过高现象；其次，在出现接地故障的情况下，三相负载并不均匀，有相存在过压、有相存在欠压情况，且功率越小的情况下，三相线路的承受电压越大。在进行预防的过程中，需要做好源头上的预防。特别是中性线的选择过程中，需要对导体的截面进行合理的控制，根据相关的技术标准以及实际的线路配电需求来选择线路的截面积以及类型。且在中性线的使用过程中，必须减少接头的数量，在使用接头的情况下，需要确保接头的质量符合相关的技术标准。且在使用的过程中需要加强对中性线接头质量的检查。并采用良好的机械性、导电性设计，并使用过滤线夹的方式来避免在接头处出现的电腐蚀和接触不良现象。此外，在三相接线的过程中需要减少4级开关的使用次数，严禁接入PEN线路的接入开关，并对配电设备的接入情况和触点情况进行全面的检查，提升对线路检查的效果，以避免相关故障的发生；最后，在农村区域的低压配电系统设计过程中，由于存在大量的架空线路，在设计的过程中还需要在每个负载端设置过、欠压保护器。

2.3信息安全防护技术

随着物联与通信技术在新型低压配电系统中应用的不断深入，相比于传统低压配电网，新型低压配电系统面对破坏多源协同调度和用户隐私信息窃取等网络攻击具有更低的耐受能力与更高的不确定性。随着新型低压配电系统云边协同计算单元的增多，外部攻击、虚假数据篡改、数据泄露等信息安全风险也将愈发严重，且新型低压配电系统的信息安全将影响低压系统业务应用的方方面面。边缘物联代理安全防护技术，形成了系统可信启动、基于数字证书的身份认证技术、基于国产商用密码算法的数据保护技术等。由于目前研究大多基于物联网的信息安全防护体系开展，随着低压系统中新元素逐渐增多，源网荷储协同控制、源荷互动等具备应用条件，基于新元素信息安全防护特点制定新型低压配电系统的信息安全防护体系将至关重要。

3、设计改进

当核电厂低压厂用电系统馈线回路末端发生接地故障时，为了与相应回路过电流保护相配合,在典型保护配置方案的基础上，提出以下设计改进措施。1）在定时限零序过电流保护的基础上增设反时限零序过电流保护。当馈线回路发生接地故障时，以过电流保护作为主保护，快速切断故障回路电源；以变压器中性点反时限零序过电流保护作为后备保护，切断变压器进线电源。通过低压保护继电器的反时限加定时限的两段式零序电流保护与馈线开关的合理配合，可有效防止未设置专用接地故障保护的低压负荷回路发生接地故障时开关越级跳闸，避免事故影响范围的扩大。2）合理选配馈线回路开关器件的规格型号。馈线回路应根据负荷特性（如躲过电动机的起电流），尽量选择规格型号合适的开关，使得在较大的接地故障电流时，馈线回路的过电流保护能够及时动作。避免因开关容量设计裕度过大，造成其动作电流无法满足兼做接地故障保护的灵敏度要求。3）提高馈线回路末端的接地故障电流值。对于距离变压器较远，末端接地故障电流偏小的用电设备，此时按相间短路配置的过电流保护可能已不满足接地故障时快速切断电源的要求。可以考虑增大馈线回路电缆芯线截面积，增加保护接地导体截面积，合理规划电缆敷设路径以控制电缆长度在有效范围内等措施提高接地故障电流，同时提高保护配合灵敏度。

结束语

本文根据规范要求及经验反馈，提出通过合理配置开关容量及保护定值、合理选择电缆规格及敷设路径，并采用变压器低压侧中性点反时限加定时限零序过电流保护的设计方案，实现对核电站低压配电系统全供电范围内的接地故障保护。同时避免了低压厂用变压器零序过电流保护越级动作导致的低压配电盘全盘失电的风险，有效地缩小了事故的影响范围，提高了核电厂电气系统稳定性及可靠性，对后续工程的设计有一定的参考作用。

参考文献：

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