核電廠直流系統(tǒng)接地故障檢測原理與實踐

　彭　飛（中科華核電技術(shù)研究院有限公司,廣東　深圳518120）

核電廠直流系統(tǒng)接地故障檢測原理與實踐

彭飛
（中科華核電技術(shù)研究院有限公司,廣東深圳518120）

本文介紹了核電廠直流電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分布，對直流電源系統(tǒng)的接地故障模式開展了初步分析。針對核電廠直流電源系統(tǒng)特點，分析評述了直流接地故障的各種方法，最后介紹了目前中國廣核集團(tuán)各核電廠廣泛采用的QDB-81行直流接地探測裝置的使用方法。

核電廠;直流系統(tǒng);接地;故障;檢測

1　　核電廠直流系統(tǒng)概述

與交流供電系統(tǒng)主要承擔(dān)電力輸送、驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作等任務(wù)不同，核電廠的直流系統(tǒng)向繼電器自動控制、監(jiān)測設(shè)備、燈光報警裝置、計算機(jī)邏輯信息采集回路、電磁閥和電動閥控制機(jī)構(gòu)供電，還通過直流/交流逆變器向重要和永久220V交流系統(tǒng)供電，涉及核島、常規(guī)島、外圍廠房幾乎所有的控制保護(hù)系統(tǒng)以及繼電保護(hù)系統(tǒng)，因此直流系統(tǒng)的正常運行對核電廠的安全穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用。

典型的核電廠直流系統(tǒng)由以下幾個部分構(gòu)成：

（1）電源部分：蓄電池和充電裝置

（2）供電網(wǎng)絡(luò)：直流母線和母線到各個負(fù)載之間的連接線

（3）保護(hù)設(shè)備：過流保護(hù)用的保險或空氣開關(guān)；接地保護(hù)用的接地告警裝置

（4）負(fù)載：直流系統(tǒng)供電對象，如保護(hù)控制設(shè)備等

（5）其它：如接線端子、抗干擾電容或濾波電容等

2　直流接地故障原理及其危害

核電廠各工藝廠房內(nèi)設(shè)備繁多、線路復(fù)雜，并且在機(jī)組日常運行及停機(jī)大修期間的預(yù)防性、糾正性維修和工程技術(shù)改造等工作量一直居高不下，所以由設(shè)備缺陷或人因失效而導(dǎo)致線路異常接地、短路在所難免，無法完全杜絕。

一旦發(fā)生接地故障，直流系統(tǒng)的運行便偏離了正常工作模式，必須立即定位故障點，在最短時間內(nèi)將其消除，否則便會對機(jī)組運行產(chǎn)生重大風(fēng)險。

以下對接地故障的基本模式進(jìn)行分析，重點考察各種接地模式的形成機(jī)制及其對系統(tǒng)運行產(chǎn)生的風(fēng)險。

2.1單點接地

單點接地是最簡單也是最常見的直流系統(tǒng)接地故障。

由圖1可知，如果D1點首先發(fā)生接地，因接地點沒有其他回路構(gòu)成通路，沒有電流存在，此時并不影響設(shè)備的正常運行：電源仍能正常工作，負(fù)載的動作也不受影響，總之對系統(tǒng)影響不大，系統(tǒng)設(shè)備可以繼續(xù)運行，但絕緣監(jiān)測系統(tǒng)會在就地和向主控室發(fā)出報警信息。

2.2兩點接地

單點接地一旦發(fā)生，如果專業(yè)人員對故障報警響應(yīng)不及時，極有可能在接地電極的另一側(cè)并發(fā)接地故障，這是接地故障的一種極端情況。如果發(fā)生故障的回路處在反應(yīng)堆保護(hù)、汽輪機(jī)保護(hù)等重要系統(tǒng)，引發(fā)保護(hù)裝置拒動，這就對核安全產(chǎn)生了最致命的危害，是極為嚴(yán)重的事故模式。

以48V直流系統(tǒng)LCA為例，當(dāng)LCA001TB系統(tǒng)發(fā)生負(fù)荷兩點接地短路故障時，將引起蓄電池充電器直流出線開關(guān)跳閘，LCA系統(tǒng)失電。一旦LCA母線失電，反應(yīng)堆A列保護(hù)因喪失48VDC工作電源而直接引起反應(yīng)堆緊急停機(jī)停堆。操縱員執(zhí)行DEC事故規(guī)程，使反應(yīng)堆安全后撤到雙相中間停堆RRA連接條件的后備狀態(tài)。

2.3多點接地

多點接地故障，一般指發(fā)生在同側(cè)電極的多個接地點的疊加。

由于一點高阻接地沒有達(dá)到報警值，而未能發(fā)現(xiàn)并處理，當(dāng)?shù)诙⒌谌咦杞拥匕l(fā)生時，直流系統(tǒng)總的接地電阻逐步下降，最終低于整定值時，才觸發(fā)接地報警。

多點高阻接地引起的接地報警，由于每條接地支路電阻均較高，單一接地點對系統(tǒng)接地總阻值的貢獻(xiàn)不大，故障較為隱蔽，儀控專業(yè)人員處理起來較為棘手。

3　　直流接地故障檢測原理

按照上節(jié)分析，當(dāng)直流系統(tǒng)中一點接地，不會形成回路，所以不會使直流供電系統(tǒng)出線開關(guān)和繼電器電源模塊跳閘。但是，此時如果另一極又有一點接地，或者兩個接地點在某個繼電器的兩端時，就會造成上游母線失電或者繼電器失磁，引起控制或保護(hù)信號誤動作，給電站安全運行帶來不可預(yù)計的后果。

因此，核電廠是不允許直流系統(tǒng)長期帶一點接地運行的，但是單點接地很難直接被發(fā)現(xiàn)：直流供電系統(tǒng)配置的絕緣監(jiān)測盤在出現(xiàn)單點接地時，僅僅指示系統(tǒng)總的接地電阻值，并在總接地阻值低于整定值時才發(fā)出報警信號——該裝置無法明確告知接地點的具體位置，儀控專業(yè)人員便開始面臨“查絕緣”的技術(shù)難題。

3.1拉閘定位檢測

實際上，在常規(guī)電廠和供電企業(yè)，定位直流系統(tǒng)故障點有許多行之有效的手段，例如對直流出線開關(guān)、各分支線路開關(guān)和電源板卡逐一斷電、通電，確認(rèn)各分支對總系統(tǒng)接地電阻值的貢獻(xiàn)，即可迅速判斷故障點所在。然而，在核電領(lǐng)域，多種系統(tǒng)設(shè)備跟核安全密切相關(guān)，按照核電安全法規(guī)要求不得隨意退出運行。直流系統(tǒng)作為核電廠控制保護(hù)的神經(jīng)中樞，必須做到無間斷可靠供電，傳統(tǒng)的拉閘定位法便失去了用武之地。

3.2在線式直流接地檢測

當(dāng)然，如果能將上一節(jié)描述的用于顯示和監(jiān)測一套直流系統(tǒng)總體絕緣性能的絕緣監(jiān)測盤逐級“下放”，也就是在各出線開關(guān)、分支電路、供電板卡甚至所有最終負(fù)載上都安裝電流傳感器，再配備相應(yīng)的總線電路，同樣能直接判斷出接地故障點的位置。但這樣就不得不增加巨額硬件成本和安裝調(diào)試工作，對追求經(jīng)濟(jì)效益的核能發(fā)電企業(yè)而言，此方案顯然并非明智的選擇。

3.3便攜式直流接地檢測

便攜式直流接地檢測器作為直流電源系統(tǒng)配備的標(biāo)準(zhǔn)絕緣監(jiān)測盤的補(bǔ)充，能查找接地故障的具體位置，杜絕采用拉閘、解端子、搖絕緣查找接地的老辦法，使儀控專業(yè)人員能夠快速定位并處理故障點，及早排除故障隱患，避免出現(xiàn)多個接地故障引起嚴(yán)重的后果，提高系統(tǒng)的安全運行水平。

便攜式直流接地檢測器的基本工作原理是在接地母線或接地分支線上與大地之間施加一個超低頻信號（避免對保護(hù)、控制設(shè)備產(chǎn)生影響），其測試電流沿著接地點方向流動，用連接在手持便攜式探測儀上的鉗子，順著電流方向查找，當(dāng)該電流突然消失的地方即為接地點。

4　QDB-81直流接地探測器的使用

廣東核電早期應(yīng)用的便攜式接地故障探測儀是法馬通FRAMATOME和阿爾斯通ALSTOM提供的與電廠直流供電系統(tǒng)相配套的接地故障探測儀。由于其較低的靈敏度并且內(nèi)部元件嚴(yán)重老化，查找定位接地故障的效率始終較低，尤其是對于多點高阻接地故障幾乎是無能為力。為了解決這一困難，廣東核電工程技術(shù)人員和廣州仟順公司已經(jīng)攜手合作十余年，先后開發(fā)研制了ZJ3S、QDB-51、QDB-81等系列產(chǎn)品直流接地故障探測設(shè)備，解決了困擾核電廠儀控專業(yè)人員多年的技術(shù)難題，為核電機(jī)組爭創(chuàng)世界一流做出了卓越貢獻(xiàn)。

下面以最新型號QDB-81為例，說明該系列直流接地探測器的使用方法。

（1）確認(rèn)信號源QDB-81面板電源開關(guān)在OFF位置；

（2）將測試導(dǎo)線的公共端插入信號源的插座上，紅色導(dǎo)線接直流系統(tǒng)的正極，黑色導(dǎo)線接負(fù)極，黃色導(dǎo)線接大地；

（3）打開信號源QDB-81電源；

（4）等信號源左邊“請查找接地”燈亮后，打開手持器QDB-82電源，將手持器置于信號源正上方1米內(nèi)，當(dāng)手持器接收到信號源發(fā)出的有關(guān)直流系統(tǒng)的阻抗與容抗后，顯示在手持器上；

（5）按一下手持器“測試按鍵”，手持器顯示屏第一行顯示接地總電流。

（6）開始查找接地支路，用連接在手持便攜式探測儀上的鉗子，順著電流方向查找，當(dāng)該電流突然消失的地方就是接地故障點。

5　結(jié)語

QDB-81型直流接地探測裝置自2010年起在大亞灣核電基地投用以來，為定位進(jìn)而消除核電廠直流系統(tǒng)接地故障提供了快速、簡便并且高效的解決方案，為核電廠直流系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行創(chuàng)造了有利條件，目前已經(jīng)推廣應(yīng)用到陽江、防城港、寧德等多個核電新項目，得到運行、維修各專業(yè)的廣泛好評。

彭飛（1978-），男，重慶人，工程師，2001年畢業(yè)于上海交通大學(xué)核科學(xué)及自動化專業(yè)。