核電廠兩個直流系統母線串電故障分析查找

陳明杰，王瑞青

(中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300)

0 引言

直流系統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、電動執行機構、配電盤、停堆斷路器、逆變器等重要負荷提供控制和動力電源，對電廠的安全穩定運行具有重要作用。每個直流系統主要包括與其相連的蓄電池組(BT)、用于整流的充電器(RD)以及帶進出線斷路器和開關的配電裝置。正常運行時，充電器對其所接蓄電池組進行浮充電并供給直流負荷，廠內、外電源均失去的事故情況下，蓄電池組可向本系統全部直流負荷供電至少1 h。

核電廠直流系統所接負荷眾多，運行環境復雜，由于設備絕緣水平下降、接線錯誤、設備受潮等原因，經常產生接地故障報警。直流系統是不接地系統，一般來講，一點接地時不會影響系統的持續供電，但也有引發繼電保護裝置誤動作的風險；當系統再發生另一點接地故障時，可能導致控制回路和繼電保護裝置的誤動或拒動，或直流重要負荷失電，造成嚴重后果。

因此，在絕緣監測裝置發出一點接地故障報警時，如何迅速定位故障點，成為了一項困擾核電廠運維人員的重要課題。直流系統常見的接地故障形式有一點直接接地、電阻性接地、非線性電阻接地、多點接地、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研究成果較少，也缺少查找經驗可供參考，因此對此種接地故障的處理也尤為困難。

1 直流系統絕緣故障查找方法

某核電廠核島直流系統采用平衡電橋原理的固定式絕緣監測儀實時監測直流母線正負極的對地絕緣值，當母線絕緣阻值低于50 kΩ時，絕緣監測裝置發出絕緣報警信號。平衡電橋檢測原理如圖1所示，R+和R-分別為母線正負極的對地絕緣阻值，RS為平衡橋橋臂電阻，XJ為絕緣監測裝置報警繼電器。平衡電橋的等效電路如圖2所示，當直流系統正常運行時，R+和R-相等，電橋平衡，繼電器XJ中無電流流過。當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，流過XJ上的電流超過儀器設定值，絕緣監測裝置發出報警信號。

圖2 平衡電橋法等效電路

當固定式絕緣監測儀發出母線絕緣報警信號后，由運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、負極對地絕緣電阻。信號發生器向直流系統注入一個低頻小信號，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行放大、濾波、相位比較、A/D轉換等環節后，由CPU計算出該饋線的對地絕緣電阻值。當計算出的阻值低于設定的門限值時，儀器發出報警信號，確定故障支路后，再對該支路上的負荷進行檢查。考慮到電壓降的影響，核電廠直流系統的電纜截面比常規火電廠的更大[1]，導致鉗形電流互感器無法穿過一些較粗電纜，對這類負荷絕緣故障的查找只能采用“拉路法”，即斷開該支路負荷，查看母線絕緣阻值是否恢復到正常水平。但受系統運行情況限制，很多負荷都不能斷電，因此在實際工作中“拉路法”經常無法使用。

圖3 交流小信號檢測法原理

2 直流系統兩段母線串電分析

直流系統兩段母線串電指的是兩個獨立的直流系統之間，發生一個系統的正極(負極)母線與另一個系統負極(正極)母線直接或經一個電阻值相互連接的故障。此類串電故障發生時，雖然母線對地絕緣阻值并未降低，但兩個直流系統通過XJ1-大地-XJ2-R形成電流回路，如圖4所示。當串電回路阻值R小到一定程度時，電流值超過XJ1，XJ2繼電器設定值，兩段母線將同時觸發絕緣故障報警，其中一段母線報正極接地，另一段母線報負極接地。這種情況雖然沒有發生真實的接地故障，但由于串電電流的存在，將導致正、負極母線對地電壓被嚴重拉偏，尤其是當串電電阻R為零時，兩段母線其中一極的電壓將接近0 V[1]，如果此時直流系統發生一點接地故障，極易造成保護繼電器的誤動作，分析如下。

圖4 直流兩段母線串電示意

以220 V直流系統為例，假設直流系統Ⅰ段正極與直流系統Ⅱ段負極直接串接，即串電電阻R=0 Ω。直流系統Ⅰ段等效模型如圖5所示，其中C+和C-為直流母線正、負極的對地分布電容，J為出口繼電器，線圈阻值為RJ，TJ為其驅動觸點，C為出口繼電器正電源側長電纜的對地分布電容。當發生串電后，直流系統Ⅰ段的正、負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 兩段母線串電時直流Ⅰ段等效電路

此時，若直流Ⅰ段發生正極接地故障(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未發生任何改變，電容C，C-上的電荷也沒有充、放電發生，故此種情況下正極接地對繼電器J不產生影響。

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

圖6 兩段母線串電時直流Ⅱ段等效電路

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

其中時間常數τ=Rj×C，相當于繼電器J全電壓啟動，當充電電流的衰減不是太快，而繼電器J的動作功率較小時，繼電器J將誤動作。直流Ⅱ段負極接地的情形與直流Ⅰ段正極接地類似，不再做進一步的分析。

3 直流系統兩段母線串電故障的查找案例

2020-02-29，某核電廠1號機組48 V直流電源系統1LCA和1，2號機組共用48 V直流電源系統9LCD同時觸發絕緣報警，絕緣阻值低至1 kΩ，且正負極母線電壓嚴重不平衡，1LCA系統正極對地電壓5.6 V，負極對地電壓45.7 V，9LCD系統正極對地電壓46.8 V，負極對地電壓4.5 V。1LCA系統向電廠安全有關的部件提供直流電源，若母線失電將導致反應堆自動停堆，根據電廠運行技術規范，當LCA系統母線絕緣小于6.25 kΩ，并且15天內不能消除故障，機組狀態必須退防，因此必須盡快排除該絕緣報警故障。

運維人員按照以往查找絕緣報警的方法，使用便攜式絕緣監測儀對兩段母線下游負荷支路進行絕緣查找，但均未查到絕緣降低的負荷。根據兩段母線均觸發絕緣報警的故障現象，運維人員判斷兩段直流母線之間發生了串電。由于兩個系統的公共負荷很多，直接從負荷側查找串電位置難度非常大。經過分析，決定采用在任一系統注入交流小信號，然后在另一系統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，因此可使用一個阻值更小的電阻進行人為接地，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母線上注入一個交流小信號，同時退出9LCD系統的絕緣監測儀，并在9LCD開關柜上找一個備用抽屜，人為進行10 kΩ電阻接地。從兩個系統的對地電壓判斷，是1LCA的正極與9LCD系統的負極串電，為形成電流回路，對9LCD系統負極母線進行人為接地。小信號通過串電點進入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的下游負荷查找該小信號，當查到串電支路時，進入CT鉗子的接地電流經過信號處理和CPU計算等環節后，便攜式絕緣檢測儀發出接地告警信號，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

運用上述方法定位到串電支路后，對該支路的下游負荷接線進行檢查，發現1LCA和9LCD系統的一段機架小母排安裝不規范，導致1LCA母線的正極和9LCD母線的負極碰到了一起導致串電，對母排位置進行調整后，兩段母線的絕緣故障報警均得以消除。

4 結束語

兩個直流系統母線正負極串電由于沒有真實的接地故障點，采用常規方法很難定位到串電點，給故障查找帶來很大的困難。雖然沒有發生真實的接地故障或負荷絕緣降低，但串電后將導致母線正負極電壓不平衡，從而增加由于一點接地導致繼電保護誤動作的風險，在日常維護中，應注意杜絕不同直流系統混接的現象發生。以上分析了直流兩段母線正負極串電后導致絕緣報警的原因以及串電后的危害，并通過一個查找案例，介紹了直流系統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。