核電廠直流系統(tǒng)接地故障查找與運(yùn)行風(fēng)險分析

王梓宇

【摘 要】直流接地是直流電力系統(tǒng)最常見的故障之一。直流系統(tǒng)負(fù)荷涉及面廣、接線回路復(fù)雜，導(dǎo)致了接地故障的查找和處理十分困難。本文闡述了接地故障發(fā)生的原因，針對核電廠的特殊性對常見的查找接地方法進(jìn)行了適用性分析，并結(jié)合作者自己查找故障的經(jīng)驗和歷史檢修方案，提出了適用于核電廠的故障查找方法。最后分析了故障不能處理的情況下對核電廠潛在的風(fēng)險，并提出改進(jìn)措施以供探討。

【關(guān)鍵字】直流接地;故障查找;適用性;運(yùn)行風(fēng)險

中圖分類號： TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）03-0220-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.03.093

Look for Grounding Fault and Risk Analysis in Nuclear Power Plant's Direct Current Supply System

WANG Zi-yu

（Operation Dpartment 1，CNNO，Haiyan Zhejiang 314300，China）

【Abstract】Direct current grounding is one of the most common fault happens in DC power supply system.In nuclear power plant，direct current distribute to virous loads by complex conection loops，which makes locating and handing DC fault very difficult.In this paper，the author try to summarize reasons cause DC grounding faults happen in Nuclear plant.Considering nuclear safety，discuss of applicability the common ways to locate the fault.According to the authors experience in looking for DC fault and overhaul program used before，a useable way to locate DC grounding fault is given.Farther more，when DC grounding fault can not be handled，analyse of nuclear safety risk and a measure to improve the reliability of DC supply system has been mentioned.

【Key words】Direct current grounding;Looking for DC fault;Applicability;Nuclear safety risk

0 概述

秦山320MWe核電機(jī)組直流電力系統(tǒng)在電廠正常運(yùn)行及應(yīng)急工況下，向重要設(shè)備的控制、保護(hù)、信號、儀表和動力單元或系統(tǒng)提供直流電源。該系統(tǒng)由1E級220V直流電力系統(tǒng)、1E級24V直流電力系統(tǒng)和非1E級220V直流電力系統(tǒng)三個部分組成，各系統(tǒng)分別向以下負(fù)荷提供直流電源;

1E級220V直流電力系統(tǒng)：

（1）6KV安全母線開關(guān)柜、380V交流動力中心控制電源;

（2）應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)控制儀表;

（3）重要儀表段備用電源;

（4）電氣廠房事故照明;

1E級24V直流電力系統(tǒng)：

（1）專設(shè)安全設(shè)施繼電器屏;

（2）儀表繼電器屏;

（3）火災(zāi)報警裝置;

非1E級220V直流電力系統(tǒng)：

（1）汽輪發(fā)電機(jī)輔助設(shè)備;

（2）二回路系統(tǒng)的開關(guān)、控制設(shè)備和斷路器;

1E級直流系統(tǒng)在核電廠中為控制、信號、保護(hù)、自動裝置及事故照明等提供可靠的直流電源，承擔(dān)了核電廠的安全功能。非1E級直流系統(tǒng)它不僅向汽輪機(jī)輔助設(shè)備供電，還為電氣操作、保護(hù)提供可靠的操作電源。直流系統(tǒng)通過二次設(shè)備的得、失電，實現(xiàn)了核電廠安全相關(guān)或重要設(shè)備的控制、自動動作和保護(hù)功能，是保證核電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行的“神經(jīng)系統(tǒng)”。因此，直流系統(tǒng)可靠與否，對核電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。但是，由于設(shè)備質(zhì)量、運(yùn)行維護(hù)以及設(shè)備老化、可靠性降低等種種原因，直流系統(tǒng)故障時有發(fā)生。其中，接地故障是直流系統(tǒng)中發(fā)生幾率最大且較難以查找、消除的故障。

1 直流系統(tǒng)接地及原因分析

1.1 直流系統(tǒng)接地

直流電源為帶極性的電源，即電源的正極和負(fù)極。直流電源的“地”對直流電路來講僅僅是個中性點的概念。如果直流電源系統(tǒng)正極或負(fù)極對地間的絕緣電阻值降低至某一定值，或者低于系統(tǒng)正常運(yùn)行的某一范圍，這時我們稱該直流系統(tǒng)有正極接地或負(fù)極接地。

1.2 接地故障的分類

核電廠由直流系統(tǒng)供電的負(fù)荷較多，接線回路比較復(fù)雜。按接地極性可分為正極接地和負(fù)極接地;按接地種類可分為金屬性接地和非金屬性接地;按接地的情況可分為一點接地和兩點（多點）接地。

1.3 接地故障原因分析

直流系統(tǒng)是個不間斷工作，長期帶電的系統(tǒng)，接線支路很多，負(fù)荷涉及面廣。會因設(shè)備工作環(huán)境、老化等引起電纜和接線端子、元器件老化損壞等問題，引起絕緣水平降低。具體主要體現(xiàn)在以下幾方面原因：

（1）直流回路在運(yùn)行中常受到多種不利因素的影響而造成接地。如設(shè)備運(yùn)行中的機(jī)械振動、設(shè)備缺陷、絕緣材料不合格、絕緣性能低、絕緣材料老化等均可引起接地或成為接地隱患;一般來說，電廠投運(yùn)時間越長，其接地的概率也越高;

（2）氣候因素造成接地也比較常見。中核運(yùn)行320MWe機(jī)組所處的地理位置長年較潮濕，夏季多雷雨天氣。二次回路及設(shè)備容易受潮，配電箱進(jìn)水受潮風(fēng)險較高，且有大量設(shè)備處于戶外，可能導(dǎo)致直流系統(tǒng)絕緣降低，造成直流接地故障;

（3）工作人員人因失誤造成接地。在帶電二次回路上工作，帶電線纜誤碰設(shè)備金屬外殼，但此種情況多為瞬時接地;另外，檢修質(zhì)量差也會留下接地隱患，如現(xiàn)場遺留工具材料、電纜絕緣外皮損傷等，這種情況接地報警可能不會立即發(fā)出，但在操作設(shè)備或潮濕的情況下可能引起接地。

2 接地故障的定位與查找

直流系統(tǒng)接地故障中，較為常見的是一點接地，雖不直接產(chǎn)生危害，但如果系統(tǒng)中另外一點再發(fā)生接地時，則構(gòu)成兩點接地短路。根據(jù)設(shè)備二次回路接線的方式，將有可能造成繼電保護(hù)、自動控制裝置誤動或者拒動，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致直流熔絲熔斷，進(jìn)而發(fā)生失去保護(hù)和控制電源，潛在風(fēng)險極高。因此，當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生接地故障或異常時應(yīng)盡快查找故障點，及時恢復(fù)直流系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.1 接地故障常見查找方法

（1）分網(wǎng)法：直流系統(tǒng)有兩段及以上的母線，各段母線都有直流電源時，可以拉開母線分段刀閘，依靠絕緣監(jiān)測裝置檢查故障在哪一段母線范圍內(nèi)，然后再對有故障的范圍進(jìn)行查找。我廠一回路直流正常運(yùn)行方式分段閘刀為斷開，該方法僅適用于大修期間硅整流器停運(yùn)維護(hù)時，適用條件比較局限;二回路直流I、II段由同一臺硅整流器供電，雖可以采用分網(wǎng)法切換至備用電源一回路直流B母供電，但在故障范圍沒有查清之前有將接地故障擴(kuò)大至1E級直流系統(tǒng)的潛在風(fēng)險;

（2）瞬停法：對直流母線上的非重要設(shè)備的饋電分路，可用該方法。依次短時斷開這些支路（一般不超過3秒），若斷開某一支路時，接地信號消失，測正、負(fù)對地電壓恢復(fù)正常，則接地故障點就在此支路范圍內(nèi)。但核電廠直流系統(tǒng)設(shè)計為直流電源段下的多個直流小母線向同類設(shè)備供電（如6KV安全I(xiàn)I段全部開關(guān)柜的控制電源均來自一回路直流B母下的同一條直流小母線），短時停電僅能確定某一類設(shè)備有接地，并不能找出具體的故障位置。而且，核電廠設(shè)備間聯(lián)鎖多，設(shè)備短時停電的風(fēng)險難以識別，該方法風(fēng)險較高，機(jī)組運(yùn)行期間不適用;

（3）轉(zhuǎn)移負(fù)荷法：將故障所在母線上的較重要分路，依次轉(zhuǎn)移切換到另一段直流母線上，監(jiān)視“直流母線接地”信號是否消失，正、負(fù)對地電壓是否恢復(fù)正常，查出接地點在哪個分路。核電廠1E級電力系統(tǒng)設(shè)計上要求A、B兩個通道獨立且可運(yùn)行，如果采取轉(zhuǎn)移負(fù)荷的方法則破壞了通道的獨立性，導(dǎo)致主動進(jìn)入技術(shù)規(guī)格書;

因此，上述方法僅僅適用于常規(guī)電廠、變電站等大規(guī)模使用直流供電系統(tǒng)的設(shè)施。對于核電廠，由于保證核安全的要求，上述方法均有一定的局限性。

2.2 我廠常用的故障查找方法

2.2.1 報警信息初步判斷

我廠三個部分直流系統(tǒng)均設(shè)有不同型號的絕緣監(jiān)測裝置，該裝置在絕緣電阻下降至整定值后自動發(fā)出報警信號，操縱員可根據(jù)報警信息對故障作出初步判斷，下面結(jié)合本人在當(dāng)班期間碰到的兩次直流接地故障（報警信息見表2），談?wù)勛约旱囊稽c經(jīng)驗：

兩次報警極其相似，首先都是由10#/11#屏絕緣監(jiān)測裝置發(fā)出的主控室CB-531“-220V母線接地（上）”報警;其次，均為正極接地。但仔細(xì)比較，能夠發(fā)現(xiàn)有多個不同之處。如：（1）第一次故障絕緣值較低且兩臺裝置記錄的絕緣值相同，而第二次故障絕緣值則在較大范圍內(nèi)波動;（2）報警次數(shù)不一致，2014年4月的接地報警頻繁出現(xiàn)，絕緣監(jiān)測裝置共記錄了四次;③2013年的接地報警不可復(fù)位，后一次故障則多次報警后又自動消報。

第一次接地故障發(fā)生時，操縱員熟知CB-531的“-220V母線接地（上）”報警由安裝于10#、11#屏絕緣監(jiān)測裝置發(fā)出，容易誤認(rèn)為10#、11#屏發(fā)生接地。因直流系統(tǒng)接線的特殊性（如圖1，二回路220V直流圖），可以將系統(tǒng)是視為由一個電源供電，多個負(fù)荷并聯(lián)的回路，回路中任意一點發(fā)生接地，報警信息由哪一臺絕緣監(jiān)測裝置發(fā)出取決于絕緣電阻的大小、報警定值和裝置靈敏度。因此，不能憑報警信息發(fā)出的位置簡單判斷為該位置（或配電屏）發(fā)生接地。實際上本次故障由646開關(guān)傳動引起，該開關(guān)的直流由二回路220V直流II段下6KV公用II段直流小母線供電，與10#、11#屏無直接關(guān)系。故障范圍的縮小應(yīng)首先考慮是否有電氣設(shè)備二次回路的工作，簡單的僅根據(jù)報警信息界定故障范圍，不利于快速定位故障點，相反容易朝相反的方向去查找。

其次，比較兩次故障中的不同點。第一次故障發(fā)生時，絕緣值較低且沒有大幅波動，報警僅出現(xiàn)一次且無法消除，可以初步判斷為有金屬性的接地;第二次故障中，絕緣值不斷變化，報警頻繁出現(xiàn)又自行消除，可以排除金屬直接接地的可能，故障可能由線纜絕緣下降、設(shè)備振動導(dǎo)致誤碰接地點，甚至可能是絕緣監(jiān)測裝置自身發(fā)生故障或干擾。

2.2.2 絕緣監(jiān)測裝置接地追憶（定位接地回路）

我廠直流系統(tǒng)均設(shè)有檢測絕緣狀況的裝置，可以測量母線電壓、母線對地電壓，在正或負(fù)極絕緣下降到一定數(shù)值時自動發(fā)出信號。絕緣監(jiān)測裝置型號雖然不同，但功能和原理均比較類似。以二回路220V直流Ⅰ/Ⅱ段（包括主控10#/11#屏）裝設(shè)的華星HY-DC2000直流絕緣在線檢測裝置為例，它是集直流電壓監(jiān)測、直流絕緣檢測及選線功能為一體的數(shù)字式直流絕緣在線監(jiān)測裝置。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地時，裝置自動產(chǎn)生低壓、低頻交流信號，經(jīng)電容耦合平衡注入母線，流經(jīng)接地故障饋線，并從接地點返回，從而檢測是哪一條支路接地。裝置可通過接地追憶，顯示接地支路編號，并與母線上的負(fù)荷開關(guān)編號對應(yīng)。

接地追憶記錄了故障點接地電阻小于接地電阻定值（我廠設(shè)置為20K）時的接地事件的起始時間和結(jié)束時間、接地電阻值、接地線路序號、一母還是二母、正接地還是負(fù)接地的報告

該方法能夠成功實現(xiàn)不停電、不倒負(fù)荷查找故障回路，但是準(zhǔn)確程度仍然受制于二次回路的接線方式和直流系統(tǒng)分布電容的影響，尤其在非金屬性直接接地故障中準(zhǔn)確度往往不高。

2.2.3 修改絕緣檢測裝置接地電阻定值

直流系統(tǒng)發(fā)生非金屬性接地時，接地電阻往往在較大范圍內(nèi)波動。絕緣監(jiān)測裝置可能多次報警或消報，往往也會記錄到多個回路發(fā)生接地，無法確定故障回路。這時可以采取修改接地電阻定值的方法，以便報警信號能夠持續(xù)發(fā)出，便于確認(rèn)絕緣異常的支路。

2009-2-3，主控室直流10#/11#屏發(fā)直流接地報警，接地電阻顯示在15KΩ-35KΩ之間。經(jīng)分析，認(rèn)為不是金屬性直接接地，而是10#/11#屏內(nèi)的某一支路存在對地絕緣電阻偏低的故障，且當(dāng)天正值是陰雨天氣。二回路直流絕緣監(jiān)察裝置的接地電阻的定值為低于20KΩ報警，該定值導(dǎo)致絕緣監(jiān)測裝置頻繁報警又自行消報。為確認(rèn)對地絕緣電阻有異常的支路，采取了將直流10#/11#屏的絕緣監(jiān)察裝置的接地電阻的定值臨時修改為低于60KΩ報警的方法，以便報警信號能夠持續(xù)發(fā)出，便于確認(rèn)絕緣異常的支路。

2.3 小結(jié)

綜上所述，可以歸納出以下方法：

（1）不能僅憑報警信息界定故障范圍，應(yīng)充分考慮直流系統(tǒng)接線的特殊性;

（2）可根據(jù)母線對地電壓值、報警頻度等判斷出哪一極接地，是否為金屬性接地;

（3）若為金屬性接地，應(yīng)優(yōu)先考慮是否有二次回路的檢修工作，是否有新設(shè)備投運(yùn);

（4）非金屬性接地可利用絕緣監(jiān)測裝置接地追憶功能確定接地回路，可根據(jù)報警信息臨時修改報警定值，使接地報警能夠持續(xù)發(fā)出，便于確定故障回路。

3 接地故障運(yùn)行風(fēng)險分析

3.1 導(dǎo)致接地故障不能及時處理的原因

（1）上述方法仍不能準(zhǔn)確找出接地點，必須輪停負(fù)荷查找故障點;

（2）不具備設(shè)備停役條件：一回路220V、24V直流的負(fù)荷多為安全相關(guān)設(shè)備、儀表的控制和保護(hù)電源，停運(yùn)相應(yīng)直流將直接導(dǎo)致一次設(shè)備不可用，進(jìn)而受到技術(shù)規(guī)格書的限制;二回路直流系統(tǒng)又涉及220KV設(shè)備，一方面可能導(dǎo)致廠外電源不滿足技術(shù)規(guī)格書要求，另一方面220KV設(shè)備的停運(yùn)、缺陷處理需要省調(diào)的計劃窗口;

（3）需要大范圍停役直流供電系統(tǒng)，風(fēng)險較高：即使故障點能準(zhǔn)確定位，在處理故障時安措可能需要大范圍停運(yùn)直流供電回路，前文已說明核電廠的同類設(shè)備往往由一條直流小母線供電，該小母線不一定能滿足單獨停運(yùn)的要求。直流小母線停運(yùn)后，可能導(dǎo)致同類設(shè)備的開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)及部分負(fù)載無法操作，且電動保護(hù)功能被切除。

3.2 故障不能處理的運(yùn)行風(fēng)險

接地點不能準(zhǔn)確定位，或者定位后又不具備處理的條件時，只能將故障留至合適的窗口（如：大修期間）處理，系統(tǒng)和設(shè)備將會一直處于接地故障中運(yùn)行。

直流系統(tǒng)發(fā)生一點接地時，并沒有嚴(yán)重的后果，但潛在的風(fēng)險極高。如果系統(tǒng)中另外一點再發(fā)生接地時，則構(gòu)成兩點接地短路。而兩點接地，除可能造成繼電保護(hù)、信號、自動裝置誤動或拒動外，還可能造成直流熔絲熔斷，使保護(hù)、控制回路失去電源。在繼電保護(hù)回路中同極兩點接地還可能將繼電器或線圈短接，且使其不能正常得失電，不能動作跳閘，由失靈保護(hù)啟動相應(yīng)斷路器跳閘，造成事故擴(kuò)大。

（1）當(dāng)發(fā)生直流正極接地時，可能會引起保護(hù)、自動控制誤動。因為斷路器的跳合閘線圈（繼電器）一般與直流電源負(fù)極接通，如果在這些回路上在發(fā)生另一點直流接地，就可能引起誤動，且誤動后輔助觸點一直處于短接狀態(tài)，動作線圈處于得電狀態(tài)將導(dǎo)致操縱員無法手動干預(yù);

（2）直流負(fù)極接地，可能造成保護(hù)、自動控制拒動。因為斷路器合閘及保護(hù)繼電器在負(fù)極有兩點接地的情況下，線圈將被短接而不能動作，且操縱員無法干預(yù)。同時，短路電流將燒毀熔絲，導(dǎo)致失去控制電源，斷路器成為死開關(guān)，如果開關(guān)裝設(shè)失靈保護(hù)將致使越級跳閘，造成故障擴(kuò)大。

4 總結(jié)及探討

直流系統(tǒng)負(fù)荷多，且長期處于帶電狀態(tài)導(dǎo)致了直流系統(tǒng)非常容易發(fā)生接地故障。而接地故障發(fā)生后，復(fù)雜的二次回路接線網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致了故障難以查找和處理。本文在分析了常規(guī)查找接地方法的適用性后，結(jié)合了中核運(yùn)行320MWe歷史運(yùn)行和檢修經(jīng)驗，歸納了適用于核電廠直流系統(tǒng)的判斷和查找接地故障方法，針對故障不能處理的情況分析了潛在的運(yùn)行風(fēng)險，并大膽提出了以下提高直流系統(tǒng)可靠性的設(shè)想，以供探討：

（1）對二回路直流系統(tǒng)進(jìn)行改造，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增加一組蓄電池，2臺硅整流器，每一段直流母線由一臺硅整流器單獨供電，另一臺硅整流器備用，蓄電池處于浮充狀態(tài)，使得發(fā)生接地時故障范圍能夠限制在一段直流母線內(nèi);兩段母線之間增加聯(lián)絡(luò)線，并取消來自一回路直流B母的備用電源，杜絕了故障范圍擴(kuò)大至1E級直流系統(tǒng)的可能性;

（2）尋找合適的窗口（如大修或一次設(shè)備隔離期間）對與轉(zhuǎn)動設(shè)備二次直流電纜相接觸的支撐、固定部分進(jìn)行絕緣處理：用電纜外皮、熱縮套管等絕緣材料包裹在支架外層，防止因設(shè)備長期振動導(dǎo)致絕緣皮磨損引發(fā)間歇性接地;

（3）完善直流系統(tǒng)預(yù)維規(guī)程，例如：定期清掃直流設(shè)備;梅雨季節(jié)檢查設(shè)備是否有受潮、絕緣下降現(xiàn)象;根據(jù)設(shè)備說明書制定設(shè)備更換頻度等;

（4）提高檢修作業(yè)水平，嚴(yán)防檢修工作中誤碰線纜，檢修結(jié)束后工作現(xiàn)場清理干凈，減少間歇性接地故障發(fā)生的幾率。

【參考文獻(xiàn)】

[1]秦山核電廠最終安全分析報告.

[2]HY-DC2000絕緣監(jiān)測裝置說明書.

[3]換料檢修期間直流系統(tǒng)母線停運(yùn)規(guī)程.

[4]主控室直流屏直流接地報警檢修方案.