核電廠兩個(gè)直流系統(tǒng)母線串電故障分析查找

陳明杰，王瑞青

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 314300)

0 引言

直流系統(tǒng)是核電廠的重要組成部分，電壓等級主要有220 V，110 V和48 V三種，為繼電保護(hù)、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、配電盤、停堆斷路器、逆變器等重要負(fù)荷提供控制和動(dòng)力電源，對電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用。每個(gè)直流系統(tǒng)主要包括與其相連的蓄電池組(BT)、用于整流的充電器(RD)以及帶進(jìn)出線斷路器和開關(guān)的配電裝置。正常運(yùn)行時(shí)，充電器對其所接蓄電池組進(jìn)行浮充電并供給直流負(fù)荷，廠內(nèi)、外電源均失去的事故情況下，蓄電池組可向本系統(tǒng)全部直流負(fù)荷供電至少1 h。

核電廠直流系統(tǒng)所接負(fù)荷眾多，運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，由于設(shè)備絕緣水平下降、接線錯(cuò)誤、設(shè)備受潮等原因，經(jīng)常產(chǎn)生接地故障報(bào)警。直流系統(tǒng)是不接地系統(tǒng)，一般來講，一點(diǎn)接地時(shí)不會(huì)影響系統(tǒng)的持續(xù)供電，但也有引發(fā)繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)系統(tǒng)再發(fā)生另一點(diǎn)接地故障時(shí)，可能導(dǎo)致控制回路和繼電保護(hù)裝置的誤動(dòng)或拒動(dòng)，或直流重要負(fù)荷失電，造成嚴(yán)重后果。

因此，在絕緣監(jiān)測裝置發(fā)出一點(diǎn)接地故障報(bào)警時(shí)，如何迅速定位故障點(diǎn)，成為了一項(xiàng)困擾核電廠運(yùn)維人員的重要課題。直流系統(tǒng)常見的接地故障形式有一點(diǎn)直接接地、電阻性接地、非線性電阻接地、多點(diǎn)接地、直-直流串電接地、交-直流串電接地等，其中直-直流串電接地由于相關(guān)研究成果較少，也缺少查找經(jīng)驗(yàn)可供參考，因此對此種接地故障的處理也尤為困難。

1 直流系統(tǒng)絕緣故障查找方法

某核電廠核島直流系統(tǒng)采用平衡電橋原理的固定式絕緣監(jiān)測儀實(shí)時(shí)監(jiān)測直流母線正負(fù)極的對地絕緣值，當(dāng)母線絕緣阻值低于50 kΩ時(shí)，絕緣監(jiān)測裝置發(fā)出絕緣報(bào)警信號。平衡電橋檢測原理如圖1所示，R+和R-分別為母線正負(fù)極的對地絕緣阻值，RS為平衡橋橋臂電阻，XJ為絕緣監(jiān)測裝置報(bào)警繼電器。平衡電橋的等效電路如圖2所示，當(dāng)直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，R+和R-相等，電橋平衡，繼電器XJ中無電流流過。當(dāng)某一極母線絕緣阻值下降后，電橋失去平衡，有電流流過繼電器XJ，絕緣阻值下降到一定值時(shí)，流過XJ上的電流超過儀器設(shè)定值，絕緣監(jiān)測裝置發(fā)出報(bào)警信號。

圖2 平衡電橋法等效電路

當(dāng)固定式絕緣監(jiān)測儀發(fā)出母線絕緣報(bào)警信號后，由運(yùn)維人員使用基于低頻小信號注入法的便攜式絕緣檢測儀依次檢測各支路負(fù)荷，直到找到絕緣阻值降低的支路。低頻小信號檢測法的原理如圖3所示，其中的R+，R-為饋線n的正、負(fù)極對地絕緣電阻。信號發(fā)生器向直流系統(tǒng)注入一個(gè)低頻小信號，該信號通過接地故障饋線形成回路，利用鉗形的電流互感器(CT)檢測穿過其中的交流漏電流，對CT檢測到的電流信號進(jìn)行放大、濾波、相位比較、A/D轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)后，由CPU計(jì)算出該饋線的對地絕緣電阻值。當(dāng)計(jì)算出的阻值低于設(shè)定的門限值時(shí)，儀器發(fā)出報(bào)警信號，確定故障支路后，再對該支路上的負(fù)荷進(jìn)行檢查。考慮到電壓降的影響，核電廠直流系統(tǒng)的電纜截面比常規(guī)火電廠的更大[1]，導(dǎo)致鉗形電流互感器無法穿過一些較粗電纜，對這類負(fù)荷絕緣故障的查找只能采用“拉路法”，即斷開該支路負(fù)荷，查看母線絕緣阻值是否恢復(fù)到正常水平。但受系統(tǒng)運(yùn)行情況限制，很多負(fù)荷都不能斷電，因此在實(shí)際工作中“拉路法”經(jīng)常無法使用。

圖3 交流小信號檢測法原理

2 直流系統(tǒng)兩段母線串電分析

直流系統(tǒng)兩段母線串電指的是兩個(gè)獨(dú)立的直流系統(tǒng)之間，發(fā)生一個(gè)系統(tǒng)的正極(負(fù)極)母線與另一個(gè)系統(tǒng)負(fù)極(正極)母線直接或經(jīng)一個(gè)電阻值相互連接的故障。此類串電故障發(fā)生時(shí)，雖然母線對地絕緣阻值并未降低，但兩個(gè)直流系統(tǒng)通過XJ1-大地-XJ2-R形成電流回路，如圖4所示。當(dāng)串電回路阻值R小到一定程度時(shí)，電流值超過XJ1，XJ2繼電器設(shè)定值，兩段母線將同時(shí)觸發(fā)絕緣故障報(bào)警，其中一段母線報(bào)正極接地，另一段母線報(bào)負(fù)極接地。這種情況雖然沒有發(fā)生真實(shí)的接地故障，但由于串電電流的存在，將導(dǎo)致正、負(fù)極母線對地電壓被嚴(yán)重拉偏，尤其是當(dāng)串電電阻R為零時(shí)，兩段母線其中一極的電壓將接近0 V[1]，如果此時(shí)直流系統(tǒng)發(fā)生一點(diǎn)接地故障，極易造成保護(hù)繼電器的誤動(dòng)作，分析如下。

圖4 直流兩段母線串電示意

以220 V直流系統(tǒng)為例，假設(shè)直流系統(tǒng)Ⅰ段正極與直流系統(tǒng)Ⅱ段負(fù)極直接串接，即串電電阻R=0 Ω。直流系統(tǒng)Ⅰ段等效模型如圖5所示，其中C+和C-為直流母線正、負(fù)極的對地分布電容，J為出口繼電器，線圈阻值為RJ，TJ為其驅(qū)動(dòng)觸點(diǎn)，C為出口繼電器正電源側(cè)長電纜的對地分布電容。當(dāng)發(fā)生串電后，直流系統(tǒng)Ⅰ段的正、負(fù)極對地電壓以及電容C的起始電壓分別為：UⅠ+=0 V，UⅠ-=-220 V，UC(0)=220 V，UC-(0)=220 V。

圖5 兩段母線串電時(shí)直流Ⅰ段等效電路

此時(shí)，若直流Ⅰ段發(fā)生正極接地故障(模擬K合上)，由于原來的正極電位為零，此種情況下電路狀態(tài)未發(fā)生任何改變，電容C，C-上的電荷也沒有充、放電發(fā)生，故此種情況下正極接地對繼電器J不產(chǎn)生影響。

直流系統(tǒng)Ⅱ段的等效電路如圖6所示，正、負(fù)極母線對地電壓為：UⅡ+=220 V，UⅡ-=0 V。繼電器J正電源側(cè)電壓U0=UⅡ-=0 V，電容電壓UC(0)=UC-(0)=0 V。

圖6 兩段母線串電時(shí)直流Ⅱ段等效電路

若直流Ⅱ段發(fā)生正極接地故障(模擬K合上)，電源通過電容C對繼電器J進(jìn)行充電，充電電流為：

其中時(shí)間常數(shù)τ=Rj×C，相當(dāng)于繼電器J全電壓啟動(dòng)，當(dāng)充電電流的衰減不是太快，而繼電器J的動(dòng)作功率較小時(shí)，繼電器J將誤動(dòng)作。直流Ⅱ段負(fù)極接地的情形與直流Ⅰ段正極接地類似，不再做進(jìn)一步的分析。

3 直流系統(tǒng)兩段母線串電故障的查找案例

2020-02-29，某核電廠1號機(jī)組48 V直流電源系統(tǒng)1LCA和1，2號機(jī)組共用48 V直流電源系統(tǒng)9LCD同時(shí)觸發(fā)絕緣報(bào)警，絕緣阻值低至1 kΩ，且正負(fù)極母線電壓嚴(yán)重不平衡，1LCA系統(tǒng)正極對地電壓5.6 V，負(fù)極對地電壓45.7 V，9LCD系統(tǒng)正極對地電壓46.8 V，負(fù)極對地電壓4.5 V。1LCA系統(tǒng)向電廠安全有關(guān)的部件提供直流電源，若母線失電將導(dǎo)致反應(yīng)堆自動(dòng)停堆，根據(jù)電廠運(yùn)行技術(shù)規(guī)范，當(dāng)LCA系統(tǒng)母線絕緣小于6.25 kΩ，并且15天內(nèi)不能消除故障，機(jī)組狀態(tài)必須退防，因此必須盡快排除該絕緣報(bào)警故障。

運(yùn)維人員按照以往查找絕緣報(bào)警的方法，使用便攜式絕緣監(jiān)測儀對兩段母線下游負(fù)荷支路進(jìn)行絕緣查找，但均未查到絕緣降低的負(fù)荷。根據(jù)兩段母線均觸發(fā)絕緣報(bào)警的故障現(xiàn)象，運(yùn)維人員判斷兩段直流母線之間發(fā)生了串電。由于兩個(gè)系統(tǒng)的公共負(fù)荷很多，直接從負(fù)荷側(cè)查找串電位置難度非常大。經(jīng)過分析，決定采用在任一系統(tǒng)注入交流小信號，然后在另一系統(tǒng)檢測該小信號的方法來定位串電位置，但由于平衡電橋的橋臂電阻值較大(約50 kΩ)，交流小信號經(jīng)過串電支路后的電流值很小，CT鉗子的精度不足以檢測到如此小的電流信號，因此可使用一個(gè)阻值更小的電阻進(jìn)行人為接地，以形成更大的接地電流。

具體做法是:使用便攜式的絕緣檢測儀在1LCA母線上注入一個(gè)交流小信號，同時(shí)退出9LCD系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測儀，并在9LCD開關(guān)柜上找一個(gè)備用抽屜，人為進(jìn)行10 kΩ電阻接地。從兩個(gè)系統(tǒng)的對地電壓判斷，是1LCA的正極與9LCD系統(tǒng)的負(fù)極串電，為形成電流回路，對9LCD系統(tǒng)負(fù)極母線進(jìn)行人為接地。小信號通過串電點(diǎn)進(jìn)入9LCD母線，并通過人為制造的接地電阻形成電流通路，只有串電支路有接地電流流過。在9LCD的下游負(fù)荷查找該小信號，當(dāng)查到串電支路時(shí)，進(jìn)入CT鉗子的接地電流經(jīng)過信號處理和CPU計(jì)算等環(huán)節(jié)后，便攜式絕緣檢測儀發(fā)出接地告警信號，串電故障的查找方法如圖7所示。

圖7 直流兩段母線串電故障查找

運(yùn)用上述方法定位到串電支路后，對該支路的下游負(fù)荷接線進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)1LCA和9LCD系統(tǒng)的一段機(jī)架小母排安裝不規(guī)范，導(dǎo)致1LCA母線的正極和9LCD母線的負(fù)極碰到了一起導(dǎo)致串電，對母排位置進(jìn)行調(diào)整后，兩段母線的絕緣故障報(bào)警均得以消除。

4 結(jié)束語

兩個(gè)直流系統(tǒng)母線正負(fù)極串電由于沒有真實(shí)的接地故障點(diǎn)，采用常規(guī)方法很難定位到串電點(diǎn)，給故障查找?guī)砗艽蟮睦щy。雖然沒有發(fā)生真實(shí)的接地故障或負(fù)荷絕緣降低，但串電后將導(dǎo)致母線正負(fù)極電壓不平衡，從而增加由于一點(diǎn)接地導(dǎo)致繼電保護(hù)誤動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)，在日常維護(hù)中，應(yīng)注意杜絕不同直流系統(tǒng)混接的現(xiàn)象發(fā)生。以上分析了直流兩段母線正負(fù)極串電后導(dǎo)致絕緣報(bào)警的原因以及串電后的危害，并通過一個(gè)查找案例，介紹了直流系統(tǒng)串電后對串電位置的查找方法，為類似故障的處理提供了一種解決思路和處理方法。