(辽宁红沿河有限公司 辽宁大连 116001)
摘要：2019年11月14日，国内某核电站3号机组处于满功率模式，由于反应堆控制棒驱动机构电源（RAM）系统故障，两列电源先后跳闸，控制棒驱动机构电源全部失去，控制棒失电落棒，导致3号机组反应堆自动停堆，机组停运。经过分析、排查、验证故障直接原因为3RAM002AP励磁调节器板卡故障；根本原因为3RAM系统两列发电机保护配置不合理，过流保护与失磁保护配合不当导致RAM系统两列电源冗余设计失效。本文详细阐释了故障现象、分析过程、解决方案以及借鉴意义。
关键词：控制棒 电源 保护 配合 停堆 分析
Abstract：On November 14,2019，Unit3 of a nuclear power plant in China was in full power mode， due to the power failure of the control rod drive mechanism of the RAM system ，two rows of power supply tripped successively ，all the power supply of the control rod drive mechanism was lost，and the control rod dropped，which led to the automatic shutdown of the No.3 reactor and the shutdown of the unit。 After analysis ，investigation and verification，the director cause of the fault is the board fault of the 3RAM002AP excitation regulator；The fundamental reason is that the protection configuration of two-row generator in 3RAM system is unreasonable ,and the improper coordination of over-current protection and Loss-of-excitation protection leads to the failure of redundant design of two-row power supply in RAM system. In this paper, the fault phenomenon, analysis process, solution and reference significance are described detailedly.
Key words：control rod、power、protection、coordination、shutdown、analysis。
1引言
反应堆控制棒驱动机构电源（RAM）系统专门为核电站反应堆控制棒驱动机构（CRDM）供电，也是CRDM的唯一电源。RAM系统故障停运时，控制棒驱动机构动力线圈失电，控制棒在重力作用下快速下落使反应堆停堆。
国内某核电站3号机组由于RAM系统2号电动发电机励磁调节机柜板件短路烧毁，引起RAM系统两台电动发电机先后跳闸，控制棒驱动机构电源全部失去，导致3号机组反应堆自动停堆，机组停运。故障直接原因为3RAM002AP励磁调节器板卡故障；根本原因为3RAM系统两列发电机保护配置不合理，过流保护与失磁保护配合不当导致RAM系统两列电源冗余设计失效。
在设计上本应发挥作用的冗余设备未起到相应的作用，相关的保护未发挥选择性的特点，导致了事件后果的扩大化。
故障反映出RAM系统继电保护定值配合不合理问题。与单机对大电网不同，RAM系统为两台相同参数发电机并列运行的小系统，当一台发电机励磁输出异常后，另一台机组立即出现较大的响应，并有必要对一台发电机励磁系统故障时，另一台机组励磁、机端电压、机端电流响应情况进行进一步研究，对RAM系统保护定值进行重新核算。
2专业知识介绍
2.1名词及缩略语
RAM:Rotating Asynchronous Machine反应堆控制棒驱动机构电源系统
CRDM:Control Rod Drive Mechanism控制棒驱动机构
RGL:Reactor Control System (Régulation Grappes Longues)反应堆控制系统
TB:Table Board配电盘
RPA:Reactor Protection Train A反应堆保护A列
RPB:Reactor Protection Train B 反应堆保护B列
3RAM001AP:3号机组控制棒驱动机构电源1号发电机
3RAM002AP:3号机组控制棒驱动机构电源2号发电机
3RAM001MO:3号机组控制棒驱动机构电源1号电动机
3RAM002MO:3号机组控制棒驱动机构电源2号电动机
2.2 RAM系统功能
RAM系统即反应堆控制棒驱动机构（CRDM）电源系统，它经过反应堆保护系统应急停堆断路器，通过反应堆棒控系统整流和调节后向反应堆控制棒驱动机构提供电源。
RAM系统专门为反应堆控制棒驱动机构供电，也是CRDM的唯一电源。RAM系统不受电厂电源扰动的影响，确保向控制棒驱动机构提供260V/50Hz的电源，从而保证RGL系统对反应堆提供快速反应性控制。RAM系统故障停运时，控制棒驱动机构动力线圈失电，控制棒在重力作用下快速下落使反应堆停堆。
2.3 RAM系统构成
控制棒驱动机构电源系统(RAM)由两台带惯性飞轮的电动发电机组、励磁调节机构、电动机供电线路、发电机输出线路以及相关的电气保护线路等组成(图1所示)。驱动发电机的两台异步电动机由不同系统的380V母线供电；发电机输出母线电压为260V（50Hz），通过停堆断路器向控制棒驱动机构供电。
RAM系统由两套电源装置组成，控制设备分别装在三个机柜内。RAM001TB内为第一套电源装置控制设备，RAM003TB内为第二套电源装置控制设备，RAM002TB为两套电源的公用控制设备。正常运行时，两套装置并列运行，各承担50%负荷，经整流后，向反应堆控制棒提供驱动电源。当一套装置发生故障或因需要维修而停运时，另一套电源装置能够承担全部负荷。RAM发电机额定参数如表1所示。
.png)
图1 RAM系统图
表1 RAM发电机额定参数
本次3RAM系统故障涉及保护（图2所示）
失磁保护（401XI/601XI）
失磁保护反映励磁回路的完整性，以励磁机励磁电流为判据。RAM机组正常运行期间，当励磁回路故障或电压调节器故障，励磁机励磁电流小于0.5A时，失磁保护装置动作，延时5S后，跳开故障机组的发电机出线开关（RAM401/601JA）和电动机进线开关（RAM 404/604JA），在发电机出线开关跳闸后，立即进行灭磁。
过流保护（403XI/603XI）
过流保护作为发电机出线至出口断路器之间母线的过电流主保护，同时作为发电机和下游设备短路故障的后备保护。过流保护采用定时限，当电流达到888A，延时0.4s跳开故障机组的发电机出线开关和电机进线开关，并在发电机出线开关跳闸后，立即进行灭磁。
.png)
图2 RAM保护配置图
2.4 RAM系统发电机励磁系统简介
RAM系统发电机励磁采用自并励无刷励磁（两机一变）。采用ABB公司UNITROL 1000-7型自动励磁调节器。装置采用微处理器技术与IGBT 半导体技术，实现机端电压的自动调节。
.png)
图3 励磁系统简图
3事件描述
2019年11月14日，某核电厂3号机组满功率运行。3RAM001/002AP控制棒驱动机构电源电动发电机组正常并列运行，为控制棒驱动机构供电。
10:55:26之前，3RAM002AP发电机励磁调节器发生故障。
10:55:26，3RAM001AP过流保护触发，主控触发3RAM101KA（3RAM001AP故障报警）；
10:55:26，3RAM001AP过流保护动作出口3RAM401JA(Set1发电机出口断路器)跳闸；
10:55:31，3RAM002AP失磁保护触发，主控触发3RAM201KA（3RAM002AP故障报警）；
10:55:35，3RAM002AP失磁保护触发延时5S后失磁保护动作， 3RAM601JA (Set2发电机出口断路器)跳闸。
两列电源先后跳闸，控制棒驱动机构电源全部失去，控制棒失电落棒，导致3号机组反应堆自动停堆。
4故障分析
4.1现场故障检查
事件发生后，专业人员对现场设备进行检查，情况如下：
1）3RAM002AP励磁调节器（601RC）板件熔毁，如图4所示：
.png)
图4 励磁调节器板卡熔毁
2）3RAM001AP过流保护动作；
3）3RAM002AP失磁保护动作及低电压报警；
4）测量发电机定子、转子绝缘及直阻正常，测量配电盘绝缘无异常，保护校验正常。
3.2励磁调节器故障分析
检查3RAM002AP励磁调节器板卡板件上电容及功率单元已熔毁，该电容采用瑞典RIFA公司的PEH536YBF 3150M2 型铝电解电容，故障板件上的功率单元采用英飞凌公司生产的21N50C3型MOS管，当电容击穿后电解液流至MOS管本体或引脚处导致功率单元发生故障，影响到励磁电流的正常输出。
已将故障板件送外部单位进行故障机理分析，对电容进行拆解实验分析，结论为失效板件输入端的电解电容存在缺陷或退化，电压击穿，引起其他元器件及板卡烧毁。板件上另外三个电容没有明显老化特征。
3RAM002AP励磁调节器故障原因为电容C3故障，属产品质量问题。
3.3保护动作分析
3RAM002AP发电机正常运行时， 3RAM002MO电动机输入的驱动转矩与电磁转矩相平衡，发电机同步稳定运行，当3RAM002AP励磁调节器板卡故障后，发电机励磁磁场开始减弱，3RAM002AP从3RAM001AP吸收大量无功功率，3RAM001AP机端电流迅速增大，达到3RAM001AP过流保护动作启动值(定时限，888A,0.4s)，导致3RAM001AP跳闸。
3RAM001AP停止运行后，3RAM002AP励磁电流持续减少，励磁回路电流下降到失磁保护启动定值（0.5A，5s），延时5秒后3RAM601JA跳闸。
3RAM系统发电机过流保护定值与失磁保护定值设置不合理。3RAM001AP过流保护先于3RAM002AP失磁保护动作，不满足保护选择性，未能将首先故障的3RAM002AP从系统中断开， 而是3RAM001AP首先跳闸。
3.4真机实验
为了进一步验证故障原因分析和保护定值合理性，联系厂家司搭建真机试验平台，模拟在双机组并联运行状况下，模拟RAM001AP完全失磁，RAM002AP机端电流迅速上升，电流最大达到额定值的1.21 倍，超过了过流保护动作值，波形如图6。
.png)
图6 双机并联带载模拟001AP全部失磁、正常机组002AP真机试验录波图
3.5仿真实验
在双机并列带载运行工况下，模拟RAM001AP完全失磁，RAM002AP机端电流在249ms的时间内从0A迅速上升到890A（过流定值附近），并持续上升，最大升至1211A达到额定值的1.36倍，波形如图7。
.png)
图7 双机并联带载模拟001AP全部失磁、正常机组002AP仿真试验录波图
注：图中从上到下，从左到右分别为：2号机励磁电流Ifd2，机端电压Urms2，机端电流有效值Irms2，机端电流瞬时值I2，有功功率P2，无功功率Q2。
真机实验和仿真实验结果相近。通过真机和仿真实验数据和波形图可以证明，当RAM系统机组正常运行时，一台机组完全失磁，非故障机组机端电流快速上升至过流保护动作值1.0Ie（定时限888A，0.4s），导致非故障机组跳闸。验证了前述故障分析过程正确
3.6故障原因总结
故障直接原因为3RAM002AP励磁调节器板卡故障；根本原因为3RAM系统两列发电机保护配置不合理，过流保护与失磁保护配合不当导致RAM系统两列电源冗余设计失效。
5解决措施
故障发生后，维修人员对RAM系统两列电动机、发电机进行了绝缘、直阻检查。校验了保护装置，更换了故障励磁板卡，进行励磁系统静态和空载实验。恢复了RAM系统正常运行。
本次事件暴露出RAM系统保护配置不合理，过流保护与失磁保护配合不当。需对RAM系统过流保护与失磁保护配置方案进行改进，避免再发生类似问题。
5.1过流保护定值优化
依据保护原理并结合本次事件整定原则为：
1）RAM系统过流保护应躲过正常运行时最大负荷电流；
2）躲过相邻机组失磁进相运行，本机组提供滞相电流时的最大机端电流；
3）过流保护应考虑发电机承受过电流的能力。
综合考虑，将RAM系统过流保护由定时限过流（888A，0.4s）修改为标准反时限（I>取675A，tI>取1.1），对应的反时限公式及曲线如下：
.png)
图5 过流保护反时限曲线
过流临时定值的合理性分析：
1）依据设计文件最大负荷电流为530A。在最大负荷电流时过流保护不会误动作。
2）依据真机和仿真实验结果，将非故障机组机端电流最大电流达到1211A，代入3、4RAM过流保护临时定值（反时限675A,1.1）后，动作时间约为12.9S，大于失磁保护5S延时，也就是说改为反时限后在发生同样故障，非故障机组过流保护不会越级跳闸,并留有足够的裕度。
3）《GB/T 755-2008旋转电机 定额和性能》9.3.2交流发电机“额定输出在1200MVA及以下的交流发电机应能承受1.5倍额定电流，历时不少于30s”计算1.5倍发电机额定电流时动作时间为11.25s，未超过30s的时限要求。
5.2失磁保护延时定值优化
厂家说明书中失磁保护启动值定值整定原则为：按空载额定励磁电流70%设定。发电机空载额定励磁电流为0.7A，因此维持失磁保护启动值0.5A不变。
失磁保护延时定值整定原则为：失磁保护延时应设置为远远高于AVR响应时间，以允许发电机由于励磁调节而发生的瞬态失磁。
结合本次事件和厂家说明书，将RAM系统失磁保护延时定值由5s修改为2.5s。
这样当RAM系统一台发电机发生失磁故障时，可由本机组失磁保护先行切除故障，另一列发电机过流保护不会误动作，可继续向反应堆控制棒驱动机构（CRDM）供电。
6总结和思考
与单机对大电网不同，RAM系统为两台相同参数发电机并列运行的小系统，当一台发电机励磁输出异常后，另一台机组立即出现较大的响应，因此保护配置与常规电力系统发电机不同，需要考虑两台机组的相互影响，整个系统保护定值需要进一步研究和优化。
本次事件后对RAM系统过流保护与失磁保护定值进行了优化，初步解决了RAM系统单台机组故障失磁后，非故障机组越级跳闸的问题，为同类型机组提供借鉴经验和参考。
参考文献
[1]中国国家标准委员会. GB 755-2008旋转电机定额和性能. 2009.
[2]WOODWARD. Manual XE2 – DC current relay for loss of excitation protection.1998.
[3]WOODWARD. Manual XI1-I – Time overcurrent relay.2007.