直流系統接地假象原因分析及處理

魏彥勛，陳景榮，邱立偉，胡釗

（中核核電運行管理有限公司，浙江　嘉興　314300）

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直流系統接地假象原因分析及處理

魏彥勛，陳景榮，邱立偉，胡釗

（中核核電運行管理有限公司，浙江嘉興314300）

〔摘 要〕介紹了某核電廠650MW級機組一起直流系統出現的接地假象，并就此展開詳細分析，從直流系統的工作特點以及工作要求、配電柜信號回路常見設計方案方面分析了導致故障的原因，并提出了解決方案和防范措施。

〔關鍵詞〕核電廠；直流系統；寄生回路；接地假象

0　引言

由于直流系統具有優異的穩定性和抗電磁干擾特性，各發電廠、變電站廣泛采用直流電源作為廠、站的操作電源和信號電源，為安全自動裝置、一次設備控制回路、聲光報警回路、通信裝置等重要負荷提供電源。隨著電力系統的飛速發展，廠、站控制系統和信號系統也日漸復雜，同一設備上可能存在2種或者更多電壓等級的直流系統，有的甚至還有交流電源摻雜其中。在這個復雜的系統中，有些廠、站調試期間遺留的缺陷在滿足故障顯現的特定條件下，便會觸發相應的報警回路，影響系統的正常運行。

1　故障現象

2015-06-10T09：18，操作人員按照主控制室要求，斷開網控樓1號變壓器0.4kV低壓側出線開關0LKR001JA，隨后斷開其高壓側6kV開關1LGA116JA，并將其拉出置于隔離位置（但并未拔下開關的二次插接件）。隨后網控樓110V DC配電盤0LBM001AR內直流系統絕緣監測儀報系統正極接地，正極對地電壓由+55V降為+23V，網控樓XXS-400閃光報警裝置內部直流接地監測裝置報直流24V負極接地。1號變壓器接線如圖1所示。

2　檢查處理

網控樓1號變壓器6kV開關控制電源取自1LBR110VDC直流配電盤；0.4kV側開關控制電源取自0LBM110VDC直流配電盤；閃光報警裝置主電源也取自0LBM110VDC直流配電盤，其內部裝備DC/DC裝置，將電源降為24V DC用以監測報警接點。1LBR和0LBM直流配電盤均配置WZJD-6A微機型直流系統接地監測儀，24V DC直流系統由閃光報警裝置XXS-4050功率電源組件進行接地監測，0LBM直流系統如圖2所示。

圖1　1號變壓器接線

故障發生后，對0LBM 110V DC直流配電盤進行全面檢查，未發現接地故障點。注意到閃光報警裝置內24V直流電源也有接地告警，懷疑是寄生回路導致直流串電觸發了接地告警。隨即展開分析排查，發現當斷開1號廠變0LKR001JA二次小室內某電纜時，接地告警消失，故由此鎖定故障點。進一步查得該電纜來自廠變高壓側6kV開關1LGA116JA的1對無源觸點，但在0LKR001JA二次小室內將該電纜隔離后，該電纜仍有+13V DC的電源，由此可以斷定此次直流接地告警是寄生回路造成110V DC與24V DC串電而導致的。

圖2　直流系統示意

檢查1LGA116JA二次小室，其內部有5路來自不同直流系統的直流電源和1路交流電源，部分端子接線如圖3所示。圖3中A路直流為1LGA116JA的110V DC控制、指示電源，B路直流為110V DC網控樓0LKR001JA直流控制電源，C路直流為核電主控48 V DC報警電源，E路直流為網控樓24V DC閃光報警電源。按照規定，這些不同的電源系統之間不允許存在交點，但由于系統復雜、接線紊亂，導致調試期間遺留了1個交點（2號端子與3號端子之間的短接片）。雖然系統在調試時試驗合格，但是在特定的工況下，寄生回路會將B路直流110V DC與E路直流24V DC連接在一起，進而觸發直流接地告警（見圖3云線）。

現場確認故障后，取消2，3號端子之間的短接片，消除2路直流電源間的寄生回路，接地告警消失。經驗證，取消短接片后原設計邏輯不變。

3　原因分析

圖3　開關二次小室部分端子接線

B路直流110V DC為網控樓1號廠變低壓側開關0LKR001JA直流控制電源，接有高壓側1LGA116JA開關輔助位置觸點，當高壓開關斷開時，輔助位置觸點閉合，用以聯跳低壓側0.4kV 0LKR001JA開關。E路直流是網控樓24V DC閃光報警電源，接有1LGA116JA開關綜合報警繼電器的常閉觸點。該繼電器在開關正常情況下始終得電（電源由A路直流供應），其常閉觸點斷開；一旦該開關出現異常，如開關保護裝置動作、開關6kV熔斷器熔斷、控制電源失去、指示電源失去、開關不在工作位置或開關處于手動操作模式等，則報警繼電器失電，常閉觸點閉合，進而向網控室發送報警，以提醒值班人員關注運行工況，準備切換網控室工作電源。

在正常情況下，1LGA116JA開關合位，報警繼電器始終得電，報警接點斷開，E路直流24V DC被截在開關端子排以外，不會與B路直流串接。但由于1-2-3-4端子聯片及E路電源始終存在，一旦出現B路直流正常工作，且1LGA116JA報警繼電器失電的工況，就會將B路與E路電源串接。

直流系統相對于“大地”其實是一個懸空的電源，對地本不存在電位，但是由于直流系統絕緣監測儀的存在，使得直流系統正、負極對地存在電壓，且在理想情況下正、負極電壓的絕對值相等，絕對值之和為直流系統的額定電壓值。以110V DC系統為例，系統接入絕緣監測儀后正極對地電位為+55V DC，負極對地電位為-55V DC。

電橋式絕緣監測裝置的工作原理主要有2種：乒乓切換式原理（見圖4）和平衡電橋式原理（見圖5）。在直流系統中，直流母線對地的絕緣電阻分為母線正極對地絕緣電阻R+與母線負極對地絕緣電阻R-。乒乓切換式原理的絕緣監測裝置通過測得E點和V點電壓，不斷求解2個不同的接地回路方程，實時計算回路接地電阻值，達到設定值便發相應的接地告警。平衡電橋式原理的絕緣監測裝置則通過檢測流過電流表的電流大小和方向，判斷系統是否存在接地故障。

圖4　乒乓切換式原理

對于采用乒乓切換式原理的接地監測儀，由于儀器本身接地點的存在，一旦2個回路有連通，勢必影響母線對地電壓，從而影響測量點電壓并最終影響計算結果，觸發告警。

對于采用平衡電橋式原理的絕緣監測儀，因每個獨立的直流電源系統都有自己監測儀的接地點，當2個原本獨立的直流電源系統存在1點直接相連或經過1個電阻相連時，就會讓2個直流電源系統通過絕緣監測儀的接地點形成一個環路。如果2個直流電源系統的壓差足夠大，則環路上的電流就足以驅動電流表進而動作告警，如圖6所示。圖6表示110V DC正極與24V DC負極直接相連（端子2-3之間存在寄生連接片）的異常情況。

圖5　平衡電橋式原理

圖6　2個直流電源系統形成的環路

圖6的等效原理圖如圖7所示。根據疊加原理，110V DC負極A點電位為：UA=-I×R=-（I1+I2）×R。

令r=XR，X為2臺直流系統絕緣監測儀內部匹配電阻之比，則有：

顯然，UA∈（-110，-67），即2臺直流絕緣監測儀內部匹配電阻的比值影響點的電位。但是，即便當X≈+∞時使得UA等于-67V，不至于觸發110V DC系統直流接地告警，也會因為系統將D點電位置為+43V DC（D點為24V DC系統負極，其電位UD=UA+110=-67+110=43V DC，而其正常電位應為-12V DC）而觸發24V DC系統的絕緣告警。

以上計算是基于110V DC正極與24V DC負極因某種原因存在交聯點，當110V DC負極與24V DC負極存在交聯點的狀況時，如上分析可得110V DC負極對地電壓：

所以110V DC負極對地電壓取值范圍為（-110，-43），這樣即便X≈4.58使得110V DC負極對地電壓等于-55V DC而不會告警，也會因為本應為+12V DC的24V DC正極電位變為-31V DC而觸發24V DC系統的絕緣告警。其他情況均可做類似分析。

本次故障110V DC系統報正極接地，測得正對地電壓為+23V DC，負對地電壓為-95V DC；24V DC系統報負極接地，測得正對地電壓+49V DC，負對地電壓+23V DC。查得110V DC系統絕緣監測裝置匹配電阻為120KΩ，24V DC系統匹配電阻為30KΩ，即X=30 K/120 K=0.25，所以理想計算情況下110V DC負極對地電壓應為：-｛67+43/［（30/120）+1］｝，即-101.4V DC，110V DC正極對地電壓應為8.6V（-101.4+110），24V DC負對地電壓為8.6V（等于110V DC正極對地電壓），24V DC正對地電壓為32.6V（8.6+24）?？紤]到回路接觸電阻、現場直流電壓略高（110V DC系統實際運行電壓為120V左右）以及直流系統正、負極對地電壓不平衡等影響，理論計算值與實際測量值基本相符。

4　防范措施

圖7　圖6的等效原理

（1）慎用信號公共端。早期每個開關柜的控制系統都是單一的，如果采用1個公共端，就會大大減少外送電纜，達到簡化接線、節約成本的目的。但是在核電廠中，每一個開關柜都可能需要向多個控制系統輸送信號，如核電主控室、開關站控制室、DCS控制系統等，而這些控制系統的電源又是相對獨立的，這樣多個電源的存在就會給寄生回路以有利的生存條件。隨著電力系統的飛速發展，其他發電廠、變電站也會面臨這樣的問題。為從根本上避免此類事件發生，需要廠家、設計院和用戶3方加強溝通，確保設備送往不同系統的信號不存在公共端，或者采用方便用戶個性定制的短接片。

（2）修改系統接線、圖紙并及時向設計院反饋。設計院修改設計相關系統時會依據原始設計文件，但各廠、站在使用設備時往往會做一些調整，這些調整如不能及時反饋給設計部門，就會使得設計院設計輸入有誤，進而導致設計院做出不恰當的設計。

（3）掌握直流系統運行、維護要點。

① 1套直流系統只配置1臺接地監測儀，如確需配置多臺，應設置監測模式為1主1從或者1主多從方式，避免多臺監測儀同時運行誤發報警。

② 對于復雜控制系統，應在端子排處或其他屏柜端子箱處將交、直流信號做明顯的標識。

③ 設備二次回路驗收、調試時要嚴格把關，制定調試方案時要考慮各種運行工況以及操作方式，確保系統在各種運行工況下都可穩定運行。

④ 將日常巡檢做細做全，設備定期維護時應按規定測量回路絕緣；加強與運行操作人員的溝通，及時取得故障前后設備的操作信息，以便分析處理故障。

收稿日期：2015-12-20。

作者簡介：

魏彥勛（1986-），男，助理工程師，主要從事核電廠繼電保護檢修工作，email：weiyx@cnnp.com.cn。

陳景榮（1978-），男，高級工程師，主要從事核電廠電氣檢修管理工作。

邱立偉（1983-），男，工程師，主要從事核電廠繼電保護檢修工作。

胡釗（1987-），男，助理工程師，主要從事核電廠低壓電氣檢修工作。