魏彥勛,陳景榮,邱立偉,胡釗
(中核核電運(yùn)行管理有限公司,浙江 嘉興 314300)
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直流系統(tǒng)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(yùn)行管理有限公司,浙江嘉興314300)
〔摘 要〕介紹了某核電廠650MW級機(jī)組一起直流系統(tǒng)出現(xiàn)的接地假象,并就此展開詳細(xì)分析,從直流系統(tǒng)的工作特點(diǎn)以及工作要求、配電柜信號回路常見設(shè)計(jì)方案方面分析了導(dǎo)致故障的原因,并提出了解決方案和防范措施。
〔關(guān)鍵詞〕核電廠;直流系統(tǒng);寄生回路;接地假象
由于直流系統(tǒng)具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和抗電磁干擾特性,各發(fā)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(shè)備控制回路、聲光報(bào)警回路、通信裝置等重要負(fù)荷提供電源。隨著電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展,廠、站控制系統(tǒng)和信號系統(tǒng)也日漸復(fù)雜,同一設(shè)備上可能存在2種或者更多電壓等級的直流系統(tǒng),有的甚至還有交流電源摻雜其中。在這個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)中,有些廠、站調(diào)試期間遺留的缺陷在滿足故障顯現(xiàn)的特定條件下,便會觸發(fā)相應(yīng)的報(bào)警回路,影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
2015-06-10T09:18,操作人員按照主控制室要求,斷開網(wǎng)控樓1號變壓器0.4kV低壓側(cè)出線開關(guān)0LKR001JA,隨后斷開其高壓側(cè)6kV開關(guān)1LGA116JA,并將其拉出置于隔離位置(但并未拔下開關(guān)的二次插接件)。隨后網(wǎng)控樓110V DC配電盤0LBM001AR內(nèi)直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測儀報(bào)系統(tǒng)正極接地,正極對地電壓由+55V降為+23V,網(wǎng)控樓XXS-400閃光報(bào)警裝置內(nèi)部直流接地監(jiān)測裝置報(bào)直流24V負(fù)極接地。1號變壓器接線如圖1所示。
網(wǎng)控樓1號變壓器6kV開關(guān)控制電源取自1LBR110VDC直流配電盤;0.4kV側(cè)開關(guān)控制電源取自0LBM110VDC直流配電盤;閃光報(bào)警裝置主電源也取自0LBM110VDC直流配電盤,其內(nèi)部裝備DC/DC裝置,將電源降為24V DC用以監(jiān)測報(bào)警接點(diǎn)。1LBR和0LBM直流配電盤均配置WZJD-6A微機(jī)型直流系統(tǒng)接地監(jiān)測儀,24V DC直流系統(tǒng)由閃光報(bào)警裝置XXS-4050功率電源組件進(jìn)行接地監(jiān)測,0LBM直流系統(tǒng)如圖2所示。
圖1 1號變壓器接線
故障發(fā)生后,對0LBM 110V DC直流配電盤進(jìn)行全面檢查,未發(fā)現(xiàn)接地故障點(diǎn)。注意到閃光報(bào)警裝置內(nèi)24V直流電源也有接地告警,懷疑是寄生回路導(dǎo)致直流串電觸發(fā)了接地告警。隨即展開分析排查,發(fā)現(xiàn)當(dāng)斷開1號廠變0LKR001JA二次小室內(nèi)某電纜時(shí),接地告警消失,故由此鎖定故障點(diǎn)。進(jìn)一步查得該電纜來自廠變高壓側(cè)6kV開關(guān)1LGA116JA的1對無源觸點(diǎn),但在0LKR001JA二次小室內(nèi)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(dǎo)致的。
圖2 直流系統(tǒng)示意
檢查1LGA116JA二次小室,其內(nèi)部有5路來自不同直流系統(tǒng)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(wǎng)控樓0LKR001JA直流控制電源,C路直流為核電主控48 V DC報(bào)警電源,E路直流為網(wǎng)控樓24V DC閃光報(bào)警電源。按照規(guī)定,這些不同的電源系統(tǒng)之間不允許存在交點(diǎn),但由于系統(tǒng)復(fù)雜、接線紊亂,導(dǎo)致調(diào)試期間遺留了1個(gè)交點(diǎn)(2號端子與3號端子之間的短接片)。雖然系統(tǒng)在調(diào)試時(shí)試驗(yàn)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(jìn)而觸發(fā)直流接地告警(見圖3云線)。
現(xiàn)場確認(rèn)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(jīng)驗(yàn)證,取消短接片后原設(shè)計(jì)邏輯不變。
圖3 開關(guān)二次小室部分端子接線
B路直流110V DC為網(wǎng)控樓1號廠變低壓側(cè)開關(guān)0LKR001JA直流控制電源,接有高壓側(cè)1LGA116JA開關(guān)輔助位置觸點(diǎn),當(dāng)高壓開關(guān)斷開時(shí),輔助位置觸點(diǎn)閉合,用以聯(lián)跳低壓側(cè)0.4kV 0LKR001JA開關(guān)。E路直流是網(wǎng)控樓24V DC閃光報(bào)警電源,接有1LGA116JA開關(guān)綜合報(bào)警繼電器的常閉觸點(diǎn)。該繼電器在開關(guān)正常情況下始終得電(電源由A路直流供應(yīng)),其常閉觸點(diǎn)斷開;一旦該開關(guān)出現(xiàn)異常,如開關(guān)保護(hù)裝置動作、開關(guān)6kV熔斷器熔斷、控制電源失去、指示電源失去、開關(guān)不在工作位置或開關(guān)處于手動操作模式等,則報(bào)警繼電器失電,常閉觸點(diǎn)閉合,進(jìn)而向網(wǎng)控室發(fā)送報(bào)警,以提醒值班人員關(guān)注運(yùn)行工況,準(zhǔn)備切換網(wǎng)控室工作電源。
在正常情況下,1LGA116JA開關(guān)合位,報(bào)警繼電器始終得電,報(bào)警接點(diǎn)斷開,E路直流24V DC被截在開關(guān)端子排以外,不會與B路直流串接。但由于1-2-3-4端子聯(lián)片及E路電源始終存在,一旦出現(xiàn)B路直流正常工作,且1LGA116JA報(bào)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(tǒng)相對于“大地”其實(shí)是一個(gè)懸空的電源,對地本不存在電位,但是由于直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測儀的存在,使得直流系統(tǒng)正、負(fù)極對地存在電壓,且在理想情況下正、負(fù)極電壓的絕對值相等,絕對值之和為直流系統(tǒng)的額定電壓值。以110V DC系統(tǒng)為例,系統(tǒng)接入絕緣監(jiān)測儀后正極對地電位為+55V DC,負(fù)極對地電位為-55V DC。
電橋式絕緣監(jiān)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(tǒng)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(fù)極對地絕緣電阻R-。乒乓切換式原理的絕緣監(jiān)測裝置通過測得E點(diǎn)和V點(diǎn)電壓,不斷求解2個(gè)不同的接地回路方程,實(shí)時(shí)計(jì)算回路接地電阻值,達(dá)到設(shè)定值便發(fā)相應(yīng)的接地告警。平衡電橋式原理的絕緣監(jiān)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(tǒng)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(jiān)測儀,由于儀器本身接地點(diǎn)的存在,一旦2個(gè)回路有連通,勢必影響母線對地電壓,從而影響測量點(diǎn)電壓并最終影響計(jì)算結(jié)果,觸發(fā)告警。
對于采用平衡電橋式原理的絕緣監(jiān)測儀,因每個(gè)獨(dú)立的直流電源系統(tǒng)都有自己監(jiān)測儀的接地點(diǎn),當(dāng)2個(gè)原本獨(dú)立的直流電源系統(tǒng)存在1點(diǎn)直接相連或經(jīng)過1個(gè)電阻相連時(shí),就會讓2個(gè)直流電源系統(tǒng)通過絕緣監(jiān)測儀的接地點(diǎn)形成一個(gè)環(huán)路。如果2個(gè)直流電源系統(tǒng)的壓差足夠大,則環(huán)路上的電流就足以驅(qū)動電流表進(jìn)而動作告警,如圖6所示。圖6表示110V DC正極與24V DC負(fù)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(gè)直流電源系統(tǒng)形成的環(huán)路
圖6的等效原理圖如圖7所示。根據(jù)疊加原理,110V DC負(fù)極A點(diǎn)電位為:UA=-I×R=-(I1+I2)×R。
令r=XR,X為2臺直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測儀內(nèi)部匹配電阻之比,則有:
顯然,UA∈(-110,-67),即2臺直流絕緣監(jiān)測儀內(nèi)部匹配電阻的比值影響點(diǎn)的電位。但是,即便當(dāng)X≈+∞時(shí)使得UA等于-67V,不至于觸發(fā)110V DC系統(tǒng)直流接地告警,也會因?yàn)橄到y(tǒng)將D點(diǎn)電位置為+43V DC(D點(diǎn)為24V DC系統(tǒng)負(fù)極,其電位UD=UA+110=-67+110=43V DC,而其正常電位應(yīng)為-12V DC)而觸發(fā)24V DC系統(tǒng)的絕緣告警。
以上計(jì)算是基于110V DC正極與24V DC負(fù)極因某種原因存在交聯(lián)點(diǎn),當(dāng)110V DC負(fù)極與24V DC負(fù)極存在交聯(lián)點(diǎn)的狀況時(shí),如上分析可得110V DC負(fù)極對地電壓:
所以110V DC負(fù)極對地電壓取值范圍為(-110,-43),這樣即便X≈4.58使得110V DC負(fù)極對地電壓等于-55V DC而不會告警,也會因?yàn)楸緫?yīng)為+12V DC的24V DC正極電位變?yōu)?31V DC而觸發(fā)24V DC系統(tǒng)的絕緣告警。其他情況均可做類似分析。
本次故障110V DC系統(tǒng)報(bào)正極接地,測得正對地電壓為+23V DC,負(fù)對地電壓為-95V DC;24V DC系統(tǒng)報(bào)負(fù)極接地,測得正對地電壓+49V DC,負(fù)對地電壓+23V DC。查得110V DC系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置匹配電阻為120KΩ,24V DC系統(tǒng)匹配電阻為30KΩ,即X=30 K/120 K=0.25,所以理想計(jì)算情況下110V DC負(fù)極對地電壓應(yīng)為:-{67+43/[(30/120)+1]},即-101.4V DC,110V DC正極對地電壓應(yīng)為8.6V(-101.4+110),24V DC負(fù)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(xiàn)場直流電壓略高(110V DC系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行電壓為120V左右)以及直流系統(tǒng)正、負(fù)極對地電壓不平衡等影響,理論計(jì)算值與實(shí)際測量值基本相符。
圖7 圖6的等效原理
(1)慎用信號公共端。早期每個(gè)開關(guān)柜的控制系統(tǒng)都是單一的,如果采用1個(gè)公共端,就會大大減少外送電纜,達(dá)到簡化接線、節(jié)約成本的目的。但是在核電廠中,每一個(gè)開關(guān)柜都可能需要向多個(gè)控制系統(tǒng)輸送信號,如核電主控室、開關(guān)站控制室、DCS控制系統(tǒng)等,而這些控制系統(tǒng)的電源又是相對獨(dú)立的,這樣多個(gè)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(tǒng)的飛速發(fā)展,其他發(fā)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(fā)生,需要廠家、設(shè)計(jì)院和用戶3方加強(qiáng)溝通,確保設(shè)備送往不同系統(tǒng)的信號不存在公共端,或者采用方便用戶個(gè)性定制的短接片。
(2)修改系統(tǒng)接線、圖紙并及時(shí)向設(shè)計(jì)院反饋。設(shè)計(jì)院修改設(shè)計(jì)相關(guān)系統(tǒng)時(shí)會依據(jù)原始設(shè)計(jì)文件,但各廠、站在使用設(shè)備時(shí)往往會做一些調(diào)整,這些調(diào)整如不能及時(shí)反饋給設(shè)計(jì)部門,就會使得設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)輸入有誤,進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)計(jì)院做出不恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)。
(3)掌握直流系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)要點(diǎn)。
① 1套直流系統(tǒng)只配置1臺接地監(jiān)測儀,如確需配置多臺,應(yīng)設(shè)置監(jiān)測模式為1主1從或者1主多從方式,避免多臺監(jiān)測儀同時(shí)運(yùn)行誤發(fā)報(bào)警。
② 對于復(fù)雜控制系統(tǒng),應(yīng)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(biāo)識。
③ 設(shè)備二次回路驗(yàn)收、調(diào)試時(shí)要嚴(yán)格把關(guān),制定調(diào)試方案時(shí)要考慮各種運(yùn)行工況以及操作方式,確保系統(tǒng)在各種運(yùn)行工況下都可穩(wěn)定運(yùn)行。
④ 將日常巡檢做細(xì)做全,設(shè)備定期維護(hù)時(shí)應(yīng)按規(guī)定測量回路絕緣;加強(qiáng)與運(yùn)行操作人員的溝通,及時(shí)取得故障前后設(shè)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(hù)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(hù)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。