核電廠兩個(gè)直流系統(tǒng)母線串電故障分析查找

陳明杰，王瑞青

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 314300)

0 引言

直流系統(tǒng)是核電廠的重要組成部分，電壓等級(jí)主要有220 V，110 V和48 V三種，為繼電保護(hù)、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、配電盤、停堆斷路器、逆變器等重要負(fù)荷提供控制和動(dòng)力電源，對(duì)電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用。每個(gè)直流系統(tǒng)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(jìn)出線斷路器和開關(guān)的配電裝置。正常運(yùn)行時(shí)，充電器對(duì)其所接蓄電池組進(jìn)行浮充電并供給直流負(fù)荷，廠內(nèi)、外電源均失去的事故情況下，蓄電池組可向本系統(tǒng)全部直流負(fù)荷供電至少1 h。

核電廠直流系統(tǒng)所接負(fù)荷眾多，運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，由于設(shè)備絕緣水平下降、接線錯(cuò)誤、設(shè)備受潮等原因，經(jīng)常產(chǎn)生接地故障報(bào)警。直流系統(tǒng)是不接地系統(tǒng)，一般來講，一點(diǎn)接地時(shí)不會(huì)影響系統(tǒng)的持續(xù)供電，但也有引發(fā)繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)系統(tǒng)再發(fā)生另一點(diǎn)接地故障時(shí)，可能導(dǎo)致控制回路和繼電保護(hù)裝置的誤動(dòng)或拒動(dòng)，或直流重要負(fù)荷失電，造成嚴(yán)重后果。

因此，在絕緣監(jiān)測(cè)裝置發(fā)出一點(diǎn)接地故障報(bào)警時(shí)，如何迅速定位故障點(diǎn)，成為了一項(xiàng)困擾核電廠運(yùn)維人員的重要課題。直流系統(tǒng)常見的接地故障形式有一點(diǎn)直接接地、電阻性接地、非線性電阻接地、多點(diǎn)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(guān)研究成果較少，也缺少查找經(jīng)驗(yàn)可供參考，因此對(duì)此種接地故障的處理也尤為困難。

1 直流系統(tǒng)絕緣故障查找方法

某核電廠核島直流系統(tǒng)采用平衡電橋原理的固定式絕緣監(jiān)測(cè)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)直流母線正負(fù)極的對(duì)地絕緣值，當(dāng)母線絕緣阻值低于50 kΩ時(shí)，絕緣監(jiān)測(cè)裝置發(fā)出絕緣報(bào)警信號(hào)。平衡電橋檢測(cè)原理如圖1所示，R+和R-分別為母線正負(fù)極的對(duì)地絕緣阻值，RS為平衡橋橋臂電阻，XJ為絕緣監(jiān)測(cè)裝置報(bào)警繼電器。平衡電橋的等效電路如圖2所示，當(dāng)直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，R+和R-相等，電橋平衡，繼電器XJ中無電流流過。當(dāng)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(shí)，流過XJ上的電流超過儀器設(shè)定值，絕緣監(jiān)測(cè)裝置發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

圖2 平衡電橋法等效電路

當(dāng)固定式絕緣監(jiān)測(cè)儀發(fā)出母線絕緣報(bào)警信號(hào)后，由運(yùn)維人員使用基于低頻小信號(hào)注入法的便攜式絕緣檢測(cè)儀依次檢測(cè)各支路負(fù)荷，直到找到絕緣阻值降低的支路。低頻小信號(hào)檢測(cè)法的原理如圖3所示，其中的R+，R-為饋線n的正、負(fù)極對(duì)地絕緣電阻。信號(hào)發(fā)生器向直流系統(tǒng)注入一個(gè)低頻小信號(hào)，該信號(hào)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(cè)穿過其中的交流漏電流，對(duì)CT檢測(cè)到的電流信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、相位比較、A/D轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)后，由CPU計(jì)算出該饋線的對(duì)地絕緣電阻值。當(dāng)計(jì)算出的阻值低于設(shè)定的門限值時(shí)，儀器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，確定故障支路后，再對(duì)該支路上的負(fù)荷進(jìn)行檢查?？紤]到電壓降的影響，核電廠直流系統(tǒng)的電纜截面比常規(guī)火電廠的更大[1]，導(dǎo)致鉗形電流互感器無法穿過一些較粗電纜，對(duì)這類負(fù)荷絕緣故障的查找只能采用“拉路法”，即斷開該支路負(fù)荷，查看母線絕緣阻值是否恢復(fù)到正常水平。但受系統(tǒng)運(yùn)行情況限制，很多負(fù)荷都不能斷電，因此在實(shí)際工作中“拉路法”經(jīng)常無法使用。

圖3 交流小信號(hào)檢測(cè)法原理

2 直流系統(tǒng)兩段母線串電分析

直流系統(tǒng)兩段母線串電指的是兩個(gè)獨(dú)立的直流系統(tǒng)之間，發(fā)生一個(gè)系統(tǒng)的正極(負(fù)極)母線與另一個(gè)系統(tǒng)負(fù)極(正極)母線直接或經(jīng)一個(gè)電阻值相互連接的故障。此類串電故障發(fā)生時(shí)，雖然母線對(duì)地絕緣阻值并未降低，但兩個(gè)直流系統(tǒng)通過XJ1-大地-XJ2-R形成電流回路，如圖4所示。當(dāng)串電回路阻值R小到一定程度時(shí)，電流值超過XJ1，XJ2繼電器設(shè)定值，兩段母線將同時(shí)觸發(fā)絕緣故障報(bào)警，其中一段母線報(bào)正極接地，另一段母線報(bào)負(fù)極接地。這種情況雖然沒有發(fā)生真實(shí)的接地故障，但由于串電電流的存在，將導(dǎo)致正、負(fù)極母線對(duì)地電壓被嚴(yán)重拉偏，尤其是當(dāng)串電電阻R為零時(shí)，兩段母線其中一極的電壓將接近0 V[1]，如果此時(shí)直流系統(tǒng)發(fā)生一點(diǎn)接地故障，極易造成保護(hù)繼電器的誤動(dòng)作，分析如下。

圖4 直流兩段母線串電示意

以220 V直流系統(tǒng)為例，假設(shè)直流系統(tǒng)Ⅰ段正極與直流系統(tǒng)Ⅱ段負(fù)極直接串接，即串電電阻R=0 Ω。直流系統(tǒng)Ⅰ段等效模型如圖5所示，其中C+和C-為直流母線正、負(fù)極的對(duì)地分布電容，J為出口繼電器，線圈阻值為RJ，TJ為其驅(qū)動(dòng)觸點(diǎn)，C為出口繼電器正電源側(cè)長(zhǎng)電纜的對(duì)地分布電容。當(dāng)發(fā)生串電后，直流系統(tǒng)Ⅰ段的正、負(fù)極對(duì)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(shí)直流Ⅰ段等效電路

此時(shí)，若直流Ⅰ段發(fā)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(tài)未發(fā)生任何改變，電容C，C-上的電荷也沒有充、放電發(fā)生，故此種情況下正極接地對(duì)繼電器J不產(chǎn)生影響。

直流系統(tǒng)Ⅱ段的等效電路如圖6所示，正、負(fù)極母線對(duì)地電壓為：UⅡ+=220 V，UⅡ-=0 V。繼電器J正電源側(cè)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(shí)直流Ⅱ段等效電路

若直流Ⅱ段發(fā)生正極接地故障(模擬K合上)，電源通過電容C對(duì)繼電器J進(jìn)行充電，充電電流為：

其中時(shí)間常數(shù)τ=Rj×C，相當(dāng)于繼電器J全電壓?jiǎn)?dòng)，當(dāng)充電電流的衰減不是太快，而繼電器J的動(dòng)作功率較小時(shí)，繼電器J將誤動(dòng)作。直流Ⅱ段負(fù)極接地的情形與直流Ⅰ段正極接地類似，不再做進(jìn)一步的分析。

3 直流系統(tǒng)兩段母線串電故障的查找案例

2020-02-29，某核電廠1號(hào)機(jī)組48 V直流電源系統(tǒng)1LCA和1，2號(hào)機(jī)組共用48 V直流電源系統(tǒng)9LCD同時(shí)觸發(fā)絕緣報(bào)警，絕緣阻值低至1 kΩ，且正負(fù)極母線電壓嚴(yán)重不平衡，1LCA系統(tǒng)正極對(duì)地電壓5.6 V，負(fù)極對(duì)地電壓45.7 V，9LCD系統(tǒng)正極對(duì)地電壓46.8 V，負(fù)極對(duì)地電壓4.5 V。1LCA系統(tǒng)向電廠安全有關(guān)的部件提供直流電源，若母線失電將導(dǎo)致反應(yīng)堆自動(dòng)停堆，根據(jù)電廠運(yùn)行技術(shù)規(guī)范，當(dāng)LCA系統(tǒng)母線絕緣小于6.25 kΩ，并且15天內(nèi)不能消除故障，機(jī)組狀態(tài)必須退防，因此必須盡快排除該絕緣報(bào)警故障。

運(yùn)維人員按照以往查找絕緣報(bào)警的方法，使用便攜式絕緣監(jiān)測(cè)儀對(duì)兩段母線下游負(fù)荷支路進(jìn)行絕緣查找，但均未查到絕緣降低的負(fù)荷。根據(jù)兩段母線均觸發(fā)絕緣報(bào)警的故障現(xiàn)象，運(yùn)維人員判斷兩段直流母線之間發(fā)生了串電。由于兩個(gè)系統(tǒng)的公共負(fù)荷很多，直接從負(fù)荷側(cè)查找串電位置難度非常大。經(jīng)過分析，決定采用在任一系統(tǒng)注入交流小信號(hào)，然后在另一系統(tǒng)檢測(cè)該小信號(hào)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(hào)經(jīng)過串電支路后的電流值很小，CT鉗子的精度不足以檢測(cè)到如此小的電流信號(hào)，因此可使用一個(gè)阻值更小的電阻進(jìn)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(cè)儀在1LCA母線上注入一個(gè)交流小信號(hào)，同時(shí)退出9LCD系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測(cè)儀，并在9LCD開關(guān)柜上找一個(gè)備用抽屜，人為進(jìn)行10 kΩ電阻接地。從兩個(gè)系統(tǒng)的對(duì)地電壓判斷，是1LCA的正極與9LCD系統(tǒng)的負(fù)極串電，為形成電流回路，對(duì)9LCD系統(tǒng)負(fù)極母線進(jìn)行人為接地。小信號(hào)通過串電點(diǎn)進(jìn)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(fù)荷查找該小信號(hào)，當(dāng)查到串電支路時(shí)，進(jìn)入CT鉗子的接地電流經(jīng)過信號(hào)處理和CPU計(jì)算等環(huán)節(jié)后，便攜式絕緣檢測(cè)儀發(fā)出接地告警信號(hào)，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(yùn)用上述方法定位到串電支路后，對(duì)該支路的下游負(fù)荷接線進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)1LCA和9LCD系統(tǒng)的一段機(jī)架小母排安裝不規(guī)范，導(dǎo)致1LCA母線的正極和9LCD母線的負(fù)極碰到了一起導(dǎo)致串電，對(duì)母排位置進(jìn)行調(diào)整后，兩段母線的絕緣故障報(bào)警均得以消除。

4 結(jié)束語

兩個(gè)直流系統(tǒng)母線正負(fù)極串電由于沒有真實(shí)的接地故障點(diǎn)，采用常規(guī)方法很難定位到串電點(diǎn)，給故障查找?guī)砗艽蟮睦щy。雖然沒有發(fā)生真實(shí)的接地故障或負(fù)荷絕緣降低，但串電后將導(dǎo)致母線正負(fù)極電壓不平衡，從而增加由于一點(diǎn)接地導(dǎo)致繼電保護(hù)誤動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)，在日常維護(hù)中，應(yīng)注意杜絕不同直流系統(tǒng)混接的現(xiàn)象發(fā)生。以上分析了直流兩段母線正負(fù)極串電后導(dǎo)致絕緣報(bào)警的原因以及串電后的危害，并通過一個(gè)查找案例，介紹了直流系統(tǒng)串電后對(duì)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。