核電廠核島直流系統(tǒng)絕緣檢測的探討與實踐

于永強

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

核電廠核島直流系統(tǒng)絕緣檢測的探討與實踐

于永強

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

以某核電廠1，2號機組直流系統(tǒng)為例，闡述了直流系統(tǒng)母線絕緣監(jiān)測儀的工作原理，以及便攜式絕緣檢測儀的工作原理與應(yīng)用，并根據(jù)部分絕緣監(jiān)測報警記錄的分析，總結(jié)出電廠48 V直流系統(tǒng)發(fā)生絕緣故障的一些規(guī)律和特點，提出并施行了改進措施，確保了48 V直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

核電站；直流系統(tǒng)；母線絕緣監(jiān)測裝置；便攜式絕緣檢測儀

0 引言

直流系統(tǒng)可能發(fā)生各種故障，直流接地就是極具危害的故障之一。為及時檢測直流系統(tǒng)的絕緣完好性，每個直流系統(tǒng)皆配有1臺接地故障監(jiān)測裝置。直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測的作用是隨時監(jiān)測直流系統(tǒng)的母線電壓及對地絕緣狀況，一旦系統(tǒng)的絕緣完好性受到破壞，及時報警。運行人員根據(jù)報警信息通知維修人員進行絕緣檢查，定位接地故障點并處理。

1 核島直流系統(tǒng)構(gòu)成

某核電廠直流系統(tǒng)由蓄電池、充電器和相應(yīng)的開關(guān)和母線構(gòu)成。蓄電池既是系統(tǒng)的儲備能源，又起到平衡負荷的功能。核島直流系統(tǒng)有48 V，110 V，220 V 3個電壓等級，共14個系統(tǒng)。48 V包括1/2LCA（48 V直流電源系統(tǒng)A系列），1/2LCB（48 V直流電源系統(tǒng)B系列），1/2LCC（48 V直流電源系統(tǒng)A系列），9LCD（核輔助廠房共用48 V直流電源系統(tǒng)）。110 V包括1/2LBA（110 V直流電源系統(tǒng)A系列），1/2LBB（110 V直流電源系統(tǒng)B系列），1/2LBC（第Ⅰ保護組逆變器電源系統(tǒng)），1/2LBD（第Ⅱ保護組逆變器電源系統(tǒng)），1/2LBE（第Ⅲ保護組逆變器電源系統(tǒng)），1/2LBF（第Ⅳ保護組逆變器電源系統(tǒng)），1/2LBJ（6．0 kV斷路器的110 V直流電源系統(tǒng)），1/2LBP（LNP逆變器供給的110 V直流電源系統(tǒng)），9LBG（核輔助廠房110 V直流電源系統(tǒng)）。220 V只有1/2LAA（不間斷220 V直流電源系統(tǒng)）。

2 在線式母線絕緣監(jiān)測儀的工作原理

該核電廠配備在線式母線絕緣監(jiān)測儀，圖1為1，2號機組核島直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測儀的工作原理。圖1中，U+為母線正極對地電壓；U-為母線負極對地電壓；E為電橋1中點電壓；V為電橋2中點電壓；R+為母線正極對地絕緣電阻；R-為母線負極對地絕緣電阻。按照電路基本原理分析，若要求解R+和R-的值，必須建立2組獨立的回路方程式，再將其聯(lián)立求解。當K1閉合，K2斷開時，電橋1工作，電橋2不工作，此時可以列出電橋1的回路方程式。同理，K2閉合，K1斷開時，電橋2工作，電橋1不工作，此時可以列出電橋2的回路方程式。聯(lián)解這個方程組，即可解得R+和R-的阻值如式（1），（2）所示：

圖1 在線式母線絕緣監(jiān)測儀工作原理

其中RC=（R+·R-）/（R++R-）為已知量，U，E和V均可由監(jiān)測儀測量得到，由以上2式，即可計算出正、負極母線對地絕緣電阻。

絕緣監(jiān)測儀的接地電阻檢測范圍為0-999 kΩ，測量精度因測量范圍而不同：0-5 kΩ，誤差≤0．5 %；5-20 kΩ，誤差≤15 %；50-100 kΩ，誤差≤20 %。目前現(xiàn)場的絕緣監(jiān)測儀報警值設(shè)定為50-25 kΩ為1級黃色報警，25-6．5 kΩ為2級黃色報警，6．25 kΩ以下為3級紅色報警。

3 便攜式絕緣檢測儀

3.1 便攜式絕緣檢測儀的功能

核電站在事故工況下失去廠用電時，關(guān)鍵設(shè)備供電主要靠蓄電池。為了有效降低電纜引起的壓降，就必須增加出線電纜的線徑，因此該核電廠1，2號機組直流系統(tǒng)配電柜的出線電纜比普通電廠的線徑要大50 %-100 %。這就導(dǎo)致配電柜空間無法再安裝檢測接地電流的CT（電流互感器），所以所配置的在線式絕緣監(jiān)測儀沒有選線功能。即當該儀器檢測到母線有接地情況時，并不能確定母線所帶負荷的支路中的哪一路有接地情況存在。這時就必須使用其配套裝置——便攜式絕緣檢測儀，對支路逐一逐級檢測。使用此裝置無需斷開電源便可實現(xiàn)對接地點的定位。

圖7的15個特征分維可視化圖可以看出,單個眼動特征無法直接區(qū)分出交互的5種狀態(tài),這也說明單個或少數(shù)的特征不是分類預(yù)測的充分條件.圖8的分類預(yù)測結(jié)果顯示,測試集90%以上的數(shù)據(jù)預(yù)測是準確的,而大多數(shù)分類預(yù)測出錯的情況是將其他幾類錯誤地預(yù)測為第0類,即：vision_state=care_F0 (關(guān)注整個界面),這顯然是在情理之中的,因為第0類的特征分量中X、Y坐標特征與其余四類均存在部分重疊的情況.

便攜式絕緣檢測儀由檢測儀與檢測探頭2部分組成。檢測儀發(fā)出超低頻信號，并將檢測探頭所得到的反饋信號進行比較計算，最終顯示接地電阻值。檢測探頭為一卡鉗，使用時可同時卡住某條支路的正、負饋線，也可以分別卡住正、負饋線。

便攜式絕緣檢測儀的接地電阻檢測范圍為0-50 kΩ，測量精度因測量范圍而不同：0-4．5 kΩ，誤差≤0．5 %；4．5-20 kΩ，誤差≤15 %；20-50 kΩ，誤差≤15 %。

3.2 便攜式絕緣檢測儀的工作原理

便攜式絕緣檢測儀中裝有超低頻信號發(fā)生器、超低頻信號接收器、數(shù)字信號處理器及液晶數(shù)碼顯示器等電路。其工作原理如圖2所示。

超低頻信號發(fā)生器產(chǎn)生2 Hz的超低頻信號，通過保護電路，由母線對地注入直流系統(tǒng)。保護電路的作用是當母線對地有較高的交流電壓時，保護電路啟動，斷開超低頻信號饋入母線，確保信號發(fā)生器的安全。

檢測探頭是本儀器信號接收與變送的重要部件，將其卡在被測線路上，可接收超低頻信號，并轉(zhuǎn)換成電流信號，送往接收器放大與處理。檢測探頭卡在超低頻信號注入點后面，逐一檢測各路出線。如被測線路上有接地故障，超低頻信號源發(fā)出的信號流經(jīng)該線路及接地電阻與對地電容形成電流回路，在檢測探頭中產(chǎn)生感應(yīng)電流。該感應(yīng)電流的大小與接地電阻和對地電容的阻抗成反比，因此阻抗越小，檢測探頭所產(chǎn)生的感應(yīng)電流越大。該感應(yīng)電流經(jīng)放大、帶通濾波、相位比較、濾波、A/D轉(zhuǎn)換、CPU處理，求出接地電阻和接地電容值，并將其數(shù)值送往液晶數(shù)碼顯示器上顯示。當被測接地電阻小于門限設(shè)置值時，則CPU發(fā)出聲光報警信號。如果測出的直流接地的出線還有支路，則使用該儀器繼續(xù)向下逐級查找。由于這些電源主要分布在繼電器機架室，相對集中，所以容易開展檢測。

圖2 便攜式絕緣檢測儀工作原理

4 核島直流系統(tǒng)絕緣檢測的結(jié)果與分析

4.1 核島直流系統(tǒng)絕緣報警分布情況的分析

由于運行設(shè)備現(xiàn)場環(huán)境等因素影響， 2005— 2008年間該核電廠直流系統(tǒng)絕緣報警出現(xiàn)次數(shù)較多，且絕大部分出現(xiàn)在48 V直流系統(tǒng)。通過對這段時間48 V直流系統(tǒng)出現(xiàn)的38次絕緣報警進行統(tǒng)計，各系統(tǒng)引起直流系統(tǒng)接地的比例如圖3所示。由圖3可見，CGR（循環(huán)水泵潤滑系統(tǒng)），CRF（循環(huán)水系統(tǒng)），DVG（輔助給水泵間通風系統(tǒng)），ASG（輔助給水系統(tǒng)），VVP（主蒸汽管道系統(tǒng)）等系統(tǒng)引起直流電源接地的可能性較大。

上述絕緣報警中，除有小部分因為接地情況不穩(wěn)定或雖有報警但接地電阻過大而無法查出外，按引起絕緣報警的具體設(shè)備統(tǒng)計，有37 %的直流接地是由現(xiàn)場的SD（流量）、SP（壓力）、ST（溫度）和SN（液位）等開關(guān)引起，其中以SN居多；有29 %的直流接地是由現(xiàn)場閥門（VA空氣閥、VB硼酸水閥門、VD除鹽水閥門、VP主冷卻器閥門、VV蒸汽閥門）的各種執(zhí)行機構(gòu)（點動或啟動）的返回信號引起；有15 %的直流接地是由現(xiàn)場的AR（控制柜）引起；有17 %的直流接地是由BT蓄電池引起；有2 %的直流接地原因無法確認。

根據(jù)以上分析結(jié)果，當某個直流系統(tǒng)出現(xiàn)絕緣報警，可優(yōu)先查找出現(xiàn)接地情況可能性較高的系統(tǒng)；繼電器機架上涉及現(xiàn)場多個系統(tǒng)的多種信號，也可依據(jù)系統(tǒng)和設(shè)備有針對性地檢查，這樣在減小絕緣檢查工作量的同時也降低了風險。

圖3 引起直流系統(tǒng)絕緣報警的系統(tǒng)比例

4.2 導(dǎo)致直流系統(tǒng)接地的原因

根據(jù)現(xiàn)場絕緣檢查的情況，引起直流系統(tǒng)接地的原因如下：

（1） 在交流配電盤停電時，PS（水池、水坑）內(nèi)的水上漲后，雖然觸發(fā)了泵啟動信號，但由于泵沒有動力電源而不能啟動，造成PS坑內(nèi)的水將液位開關(guān)淹沒并觸發(fā)絕緣報警，這部分主要包括SN，SP，ST類開關(guān)；

（2） 對于DVG，DVK（燃料廠房通風系統(tǒng)），REA（反應(yīng)堆硼和水補給系統(tǒng)），VVP，GSS（汽水分離再熱器系統(tǒng)）等系統(tǒng)，遇到的問題是冷凝水、雨水、蒸汽等造成閥體限位開關(guān)內(nèi)進水，或者電纜表皮熔化觸發(fā)絕緣報警，或者接地接線箱端子壓接不規(guī)范，在閥門狀態(tài)改變時，引發(fā)直流系統(tǒng)絕緣報警。這部分主要包括VA（空氣閥），VB（硼酸水閥門），VD（除鹽水閥門），VV（蒸汽閥門）類閥門。

（3） 機組日常檢修與大修期間個別系統(tǒng)由于停運檢修，在拆線過程中沒有用絕緣膠帶包扎好或者接線不規(guī)范而造成直流系統(tǒng)接地。這部分主要包括AR類控制柜。

5 改進措施

5.1 環(huán)境和設(shè)備因素的改進

（1） 對于PS坑內(nèi)的水將液位開關(guān)淹沒的問題，可以考慮采用獨立電源解決，比如在泵控制箱內(nèi)加裝交流380 V轉(zhuǎn)換直流48 V的電源模塊?，F(xiàn)場有很多設(shè)備在原設(shè)計中就采取此種方案。如果出現(xiàn)此類故障，電源模塊內(nèi)部保護回路會發(fā)揮作用，且不再對原直流系統(tǒng)構(gòu)成任何影響。此改進方案目前還在考慮階段，現(xiàn)場尚未實施。

（2） 對于DVG，DVK，REA，VVP，GSS等系統(tǒng)遇到的冷凝水、雨水、蒸汽等造成閥體限位開關(guān)內(nèi)進水的問題，解決的關(guān)鍵是改善設(shè)備的工作環(huán)境。其中，DVK系統(tǒng)的問題是頂部天花板滲漏雨水，經(jīng)過土建人員對防水層重新處理后已解決；VVP系統(tǒng)的問題主要是故障閥門未做隔熱處理，附近管道泄壓產(chǎn)生的高溫蒸汽將其電纜表皮熔化，現(xiàn)對閥門進行了隔熱處理后已解決。REA，GSS系統(tǒng)的VB，VD類閥門的接地接線箱端子壓接不規(guī)范的問題較易解決，只需對端子重新壓接即可。DVG系統(tǒng)的問題相對復(fù)雜，主要是4個出現(xiàn)故障的防火閥（VA類）安裝在核島電氣廠房-7 m處，此處為電氣廠房空調(diào)系統(tǒng)末端，防火閥就安裝在冷風風管上。由于ASG系統(tǒng)在閥門所在的隔壁房間的坑洞內(nèi)排出的熱水產(chǎn)生的蒸汽與管壁存在溫差，造成防火閥內(nèi)部極易出現(xiàn)冷凝水。解決方案初期考慮改變ASG系統(tǒng)的熱水排出問題，但是無其他理想排放場所并受所在房間結(jié)構(gòu)的影響，設(shè)備改造難度很大。經(jīng)慎重考慮后，決定將閥門移至閥門所在房間的上一層房間。該方案實施難度相對較小，已于2010年改造完成。經(jīng)過上述改造，再也沒有出現(xiàn)48 V DC接地故障。

5.2 人因失誤因素的糾正

人因失誤主要分為2種情況。一種情況是檢修技能與經(jīng)驗不足，解決的方法是這類關(guān)鍵的工作盡量安排技能過硬和經(jīng)驗豐富的人員負責。另一種情況主要是人員工作態(tài)度不夠認真，不按照工作規(guī)程與程序作業(yè)，純粹憑以往經(jīng)驗作業(yè)。對于這類問題，該核電廠在2010年推出了由工前會、他檢、自檢、三向交流、不確定時停止工作和嚴格執(zhí)行規(guī)程5條要素組成的防人因失誤工具，并對一線工作人員進行了培訓(xùn)。實施5年來，人因失誤明顯降低。

6 結(jié)束語

作為關(guān)系到核電站核安全的直流系統(tǒng)，接地故障監(jiān)測裝置的作用十分重要。通過闡述絕緣監(jiān)測儀的工作原理，并對某核電廠1，2號機組的核島廠房部分絕緣報警記錄結(jié)果進行分析，總結(jié)出核島直流系統(tǒng)絕緣報警分布情況和導(dǎo)致直流系統(tǒng)接地的原因，提出并施行了相應(yīng)的改進措施。多次的絕緣檢查工作積累了豐富的經(jīng)驗，對以后的絕緣故障查找與解決提供了借鑒。

1 邱關(guān)源．電路［M］．北京：高等教育出版社，2006．

2015-08-06；

2016-04-11。

于永強（1973-），男，工程師，主要從事核電站電氣維修工作，email：yuyq@cnnp．com．cn。