核電廠直流系統絕緣監測裝置的改進研究

尚 強

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

直流系統作為電力系統和通信系統中自動控制、繼電保護和信號裝置的供電電源，其工作狀況的好壞直接影響到電力和通信系統的安全穩定運行[1,2]。由于絕緣破損等造成的直流接地是直流系統最為常見的故障，必須立即查找出故障點予以排除，否則容易造成負載裝置的誤動作，引發重大事故，造成重大的經濟損失[3,4]。因此，對直流系統的絕緣狀態進行在線監測具有重要的意義。

核電廠直流系統絕緣監測儀主要用于直流回路及220V交流回路的絕緣故障檢測。如果發生絕緣故障，極可能發生線路的短路故障，從而導致饋線斷路器跳閘，負載失電；對于核島，如LBA、LNE 等核安全相關系統尤為重要，極可能造成核安全事故。

某電廠1 號機組主控室出現“1LCA015KA 接地故障報警—危急”，現場檢查發現絕緣監測儀顯示的報警支路均為下游1KCP 機柜，經過絕緣監測儀的支路巡檢發現，1LCA系統下游1KCP 機柜的支路（一共涉及15 個KCP 機柜）絕緣值始終處于波動之中。

針對以上出現的問題，對現有直流系統絕緣監測裝置技術缺點提出了改進措施，支路絕緣監測采用程控放大及分頻濾波法，有效地解決電源雙路環供設計及電容濾波的影響，消除了接地故障的漏報和誤報問題，并完善了直流系統絕緣監測裝置的功能。

1 微機絕緣監測裝置技術原理

直流系統是一個多段多級母線聯合供電的多分支網絡，因此裝置一般采用母線絕緣監測與支路絕緣監測相結合方式[5,6]。母線絕緣監測有平衡電橋和開關電阻兩種方法[7,8]，支路絕緣監測最常用的兩種方法為交流小信號注入法[9,10]和直流漏電流測量法[11,12]。下面介紹核電廠常用的基于信號注入技術的支路巡線原理。

超低頻信號發生器產生4Hz 的超低頻信號，由母線對地注入直流系統。電流傳感器安裝在支路回路上，當支路回路上有電阻與電容接地時，超低頻信號電流經支路回路、接地電阻與接地電容形成電流回路，裝在支路上的電流傳感器上產生感應電流。感應電流的大小與接地電阻和接地電容構成的阻抗成反比，電抗越小，電流傳感器所產生的感應電流越大。由于所要求的是支路接地電阻值，而電流互感器中的感應電流所對應的是接地電阻與接地電容相并聯的電抗值。為了求得支路回路中的接地電阻，感應電流經放大、帶通濾波后進入相位檢波器，在相位檢波器中與來自超低頻信號源的同步信號進行相位比較與檢波。如果是純電阻，其相位差為零，則相位檢波器所輸出的波形為全波整流波形，其電阻值對應全波整流波形的平均值；如果既有電阻接地，又有電容接地，則感應信號與同步信號有相位差，相位檢波器輸出的波形不是全波整流波形，而是有正有負的非正弦的脈沖波形，正負波形差值的平均值對應支路回路的接地電阻值。利用上述方法，從而克服了接地電容對測量接地電阻值的影響。

但由于電路元器件參數的變化，會引起信號相位的變化，此相位變化稱為相位漂移，相位漂移會引起測量精度變差。特別是較大電容與較大電阻同時接地時，測量精度較差。因此，儀器支路檢測電阻范圍為0 KΩ ～25 KΩ，所允許的接地電容范圍為0μF ～30μF。在上述范圍內，可確保測量精度。

2 負荷支路絕緣波動報警機理分析及驗證

圖1 支路電阻值波動分析簡圖Fig.1 Analysis diagram of branch resistance fluctuation

直流母線正、負對地電阻同時進行實時檢測，如果檢測到直流母線正、負對地電阻其中有一極或兩極同時低于設備設定的門限值時，絕緣監測儀主機發直流絕緣告警。絕緣監測儀發出報警后，主機停止對直流母線正、負對地電阻檢測，從而啟動支路巡查功能，支路巡檢中如有發現支路接地阻值低于接地設定門限值時，主機發出支路接地報警并同時巡檢，直到最后一條支路。支路巡檢完后，低于接地門限值的回路則被列為存在接地報警的支路，而由于現場1KCP 機柜負荷支路的多條支路存在顯示絕緣阻值5 KΩ ～99.9 KΩ 不斷變動，所以這些支路均被列為存在接地報警的支路。

1LCA 系統報警過程中發現，被查出來的6 條支路均為正極通過高通二極管、負極直接并接的雙電源供電回路，都存在單電源雙路環供現象，經過對該接線原理的分析發現：在單電源雙路環供，會造成P+支路正極的電流流出，與P-同支路電流不相等，而支路絕緣監測就是監測正負母饋線對地漏電流原理，而在支路1 與支路2 形成環路時，就會出現非平衡電流流動。當正負極流出和流入的電流差距越大，則絕緣檢測儀顯示的絕緣阻值越低，隨著電流的波動導致的絕緣監測儀顯示的支路電阻阻值不良，且始終處于波動之中。如圖1 所示。

從圖1 直流系統支路供電方案中可以看出，為了提高支路供電的可靠性，通常設計會采用雙供電方案，該方案在提高負載供電可靠性的時候，會增加支路絕緣檢測的難度。因直流漏電流法檢測儀采用的都是微小電流傳感器，而采用雙支路供電方案時，兩條支路中每一條支路都會存在較大差流，該差流遠大于傳感器的量程，從而導致微機絕緣監測告警。

現場選1KCP567TB 進行斷電試驗驗證，在斷開1KCP567TB 內所有開關，實現1KCP567TB 和1KCP568TB的負極不并聯時，1KCP567TB 和1KCP568TB 的支路絕緣顯示由斷電前的不斷波動變為一致顯示99.9KΩ，從而驗證了絕緣監測儀上顯示的1KCP 機柜支路絕緣電阻值波動并非真實絕緣阻值的波動，絕緣監測儀顯示的母線絕緣良好（100KΩ 左右）為真實情況。

綜上分析，直流漏電流檢測原理對雙支路供電方案中存在弊端，無法真實反映支路絕緣值，干擾值明顯大于漏電流檢測真實值，同時對直流系統安全運行造成嚴重影響。

圖2 接地檢測模塊原理方框圖Fig.2 Diagram of the principle of the ground detection module

圖3 數字程控放大電路設計Fig.3 Digital program-controlled amplification circuit design

支路絕緣波動對直流系統造成的影響主要有3 點：1）根據負荷支路絕緣波動報警機理，只有在母線絕緣報警后，絕緣監測儀才能啟動支路絕緣巡檢功能。因此，支路絕緣波動情況未被察覺而埋下隱患；2）支路絕緣誤報占用報警通道，這些存在波動的支路真實發生絕緣接地或異常時無法被定位出來；3）支路絕緣波動異常報警，造成檢修人員對故障點排查難度增大且收效甚微，直接危及到直流系統及下游負荷的運行安全。因此，有必要采用低頻交流法檢測絕緣接地，該技術適用于雙支路供電方式，但其支路互感器中同時存在有效低頻信號和高頻干擾信號，需要通過濾波去除干擾信號。

3 技術方案

設計一種核電廠用直流系統支路接地檢測模塊，包括：輸入通道選擇電路、前級放大電路、帶通濾波電路、后級放大電路、電平轉換電路、微處理器和通信接口。當監控主機檢測到母線產生接地故障，并向母線注入4Hz 低頻正弦電壓信號后，模塊依次檢測每一個通道上的互感器信號。因互感器內部串接有電阻，其輸出信號為電壓信號，多路選擇開關電路，選擇其中一條支路的互感器信號，該信號首先進入前級放大電路，前級放大電路放大倍數由數字電位器控制，用于適配不同量程的電流互感器；前級放大器輸出信號進入帶通濾波器，帶通濾波器由6 階低通濾波器和2 階高通濾波器組成。帶通濾波器輸出信號進入后級放大器，后級放大器增益系數由數字電位器控制，其主要作用是將不同幅值的輸入信號放大不同的倍數，使不同輸入信號均能輸出較大幅值。后級放大器處理后的信號經過電壓轉換電路，將正負5V 的模擬信號轉換至0V ～3.3V 的模擬信號，滿足ADC 轉換輸入電壓的要求。

模塊對選定通道的信號，首先進行前級放大和帶通濾波，并將信號通過后級程控放大電路放大至較大幅值，最后通過電壓轉換電路，將±5V 的信號轉換成0V ～3.3V量程的信號，并輸入單片機ADC 通道。

在單片機中，以1024Hz 的采樣率對該通道進行數據轉換，轉換后的數據以每秒1 次的頻率進行FFT 計算，并結合同步信號，可以計算出4Hz 頻率分量中實部和虛部的幅值。其中，實部和虛部的幅值分別對應接地電阻和接地電容產生的漏電流分量，并根據實部和虛部電流幅值和注入信號電壓，計算出接地電阻值和電容等效接地容抗，并根據公式計算出接地電阻值。

電容產生的等效電阻計算公式如下：

Xc 為電容等效容抗，單位：Ω。

f 為交流信號頻率，單位：Hz。

C 為電容，單位：F。

在注入信號頻率為4Hz 時，1uF 對地電容等效于39.79K 電阻。

4 裝置的硬件優化設計

模塊主要增加了數字程控放大功能，并優化了帶通濾波器的電路設計。

4.1 數字程控放大電路設計

程控放大電路由運放和數字電位器組成，數字電位器采用100K 量程，256 抽頭的MCP41100，通過SPI 接口控制其抽頭位置，實現放大倍數控制。

4.2 帶通濾波器設計

帶通濾波器由6 階低通和2 階高通組成，主要用于濾除高頻率干擾。

5 裝置的軟件優化設計

5.1 母線絕緣監測

裝置在母線絕緣監測上增加了一些優化，母線對地電壓采用多次采樣和數字濾波，判斷電壓穩定后再進行母線絕緣值計算。同于采樣和計算母線絕緣值需要一定的時間，如果在計算過程中，母線絕緣發生改變，可能會引起計算結果的不準確。因此，將母線絕緣值報警輸出由原先的1次計算，修改為2 次計算，提高絕緣報警的準確率。

圖4 帶通濾波器電路設計Fig.4 Band-pass filter circuit design

5.2 故障支路接地電阻的計算

支路互感器信號在經過帶通濾波和FFT 變換后，已經濾除了絕大多數的干擾，但也不能排除4Hz 信號存在波動或不穩定的可能性。因此，對FFT 計算得出的電阻和電容值，也經過一定的數字濾波，主要體現在去除波動極值和求平均值的方法，使得計算結果相對穩定。

6 裝置的測試及分析

圖5 為7A 模塊CH39 無接地模擬濾波信號，其峰峰值在80mV 級別，主要頻率集中在低頻區。

圖6 左邊2 幅圖是小抽屜20K 接地實驗，右圖是逆變支路15K 接地實驗。

通過對左邊兩幅圖片數據的分析，可以看到，當支路不存在干擾和對地電容時，計算結果非常穩定。

通過對右圖數據的分析，逆變器存在6uF 對地電容，相當于7K 電阻，計算得到的15K 接地電阻相對穩定。這個結果相對于之前模塊，已有很大地改善。

7 結束語

通過對核島直流系統微機絕緣監測裝置的設計優化與改進，徹底解決單電源雙路環供由于差流導致的絕緣監測儀危急報警問題，絕緣監測儀工作的穩定性得到顯著提高。同時，直流接地故障點查找作為核電廠重要緊急工作，需要立即響應查找，非常耗費人力，該技術的應用解決了長期困擾一線檢修人員在搶修過程中經常定位不到故障點的問題，對減低維護成本、節能減排、促進安全生產，有著一定的推動作用。

圖5 7A模塊CH39無接地模擬濾波(200MS/DIV)Fig.5 7A module CH39 groundless analog filtering (200MS/DIV)

圖6 7A模塊CH41接地21K數字濾波AC檔Fig.6 7A module CH41 Ground 21K digital filter AC

經對國內同行電廠調研，目前采用的接地檢測技術在國內為首次應用，新接地檢測模塊相較于原裝置，在采樣速度、精度、靈敏度及抗干擾等性能指標均有很大的提升，所有通道的采樣時間已縮短到35s 以內，同時解決了所有采用相控整流原理充電器的雙支路供電差流而導致絕緣報警問題。

該項目作為集團自主研發課題，其成功應用為同行核電廠提供實踐借鑒及經驗參考，項目主要技術參數指標達到國內領先，對降低投資成本、節能減排、建設生態文明，實現經濟可持續發展有著重要的推動作用，并具有一定的推廣價值。