PCB電路板絕緣降低導致控制電源接地故障

孫帥　趙立婷　林森　孟青春

【摘 要】某電廠交流配電系統(tǒng)在調(diào)試期間頻發(fā)一類直流絕緣降低故障，在分析排查后將故障點確認在漏電保護器PCB電路板絕緣故障，以及相應(yīng)的設(shè)計缺陷上。這類缺陷涉及范圍廣，且容易忽視，對相應(yīng)直流系統(tǒng)造成較大安全隱患。本文對這一問題進行根本原因分析，提出處理方案。

【關(guān)鍵詞】漏電保護器；電流互感器；絕緣故障；直流接地

1 絕緣問題描述

電廠常見的380V交流配電系統(tǒng)中，控制電源常取自直流電源系統(tǒng)。直流系統(tǒng)是電廠重要的后備電源、控制電源，其最常見、也是最危險的故障，就是直流接地故障。本文從一個頻發(fā)的絕緣故障入手，進行原因分析，發(fā)現(xiàn)了一類能夠?qū)е轮绷骺刂齐娫唇^緣降低的原因，具體見下文詳述。

2 故障查找及原因分析

2.1 回路介紹

下文所描述的二次回路，主要針對380V交流系統(tǒng)，開關(guān)二次回路中，漏電保護器和電流互感器部分，控制電源通過漏保輔助電源端子，取自直流控制電源。下文提到的5，7端子分別為漏保直流電源正負極進線端子，8，9分別接電流互感器K，L端。

2.2 故障原因查找

2.2.1 頻發(fā)直流系統(tǒng)絕緣故障

在交直流低壓系統(tǒng)運行一年左右，頻發(fā)直流接地報警，絕緣監(jiān)測儀檢查結(jié)果為下游交流系統(tǒng)控制電源對應(yīng)的支路，報絕緣電阻降低，（報警值7kΩ），正常110V直流正負母線電壓分別為+55V，-55V，而報警時實際直流負母線/或正母線，幾乎為0V。如果此時再發(fā)生另一極直流接地，則會導致直流正負極間短路。

經(jīng)查交流系統(tǒng)中，主回路與控制回路間絕緣合格，不存在直流竄入交流情況且下游負荷沒有接地，所以將故障問題鎖定在交流回路中的直流控制電部分。按控制回路逐一排查各個元器件，后將問題確認在漏保及CT上。

2.2.2 漏保內(nèi)部絕緣水平降低

涉及此類問題的漏保型號為xxx M40（110VDC），配套CT型號為同品牌W系列漏電電流互感器。通過拆解該型號漏保，發(fā)現(xiàn)該漏保由三塊PCB電路板組成，其中，漏保控制面板所在的電路板，經(jīng)逐個接點測量發(fā)現(xiàn)，①漏保7，9號端子間絕緣值在5kΩ左右，（大部分低于5kΩ），②漏保5，7端子間絕緣12.9kΩ，③5，8間18kΩ左右，④8.9間50kΩ左右。

通過對比發(fā)現(xiàn)，沒有使用過的抽屜開關(guān)，漏保7，9間的絕緣值都在150kΩ左右，而頻繁使用的負荷，其抽屜開關(guān)內(nèi)的漏保，7，9端子都降到了5kΩ左右。

2.2.3 CT二次側(cè)保護接地

由于漏保及CT在設(shè)計和安裝時，CT二次側(cè)設(shè)有一保護接地，001TI線圈的L端“漏電抽屜外安裝”。該設(shè)計是為防止電流互感器線圈開路，開路導致一次高壓串入二次回路，損壞元件，比如直接相連的漏電保護器；另外也可能因為7，9間的絕緣問題，導致高壓竄入直流控制回路。

但正是因為有這一接地點，同時漏保存在電路板板件絕緣降低，所以直流控制電源負極，通過CT端子排28端子，001XI漏保7，9端子（相當于電阻5kΩ），再到001BNI的2端子，即接地點，構(gòu)成直流接地。最終造成直流系統(tǒng)絕緣故障報警。

2.3 故障后果

通常同一段交流系統(tǒng)下若干負荷都存在這個問題，那就相當于直流負母線，與地間并聯(lián)若干5kΩ電阻，所以最終導致直流負母線，電壓幾乎為零。

如果在負母線接地的同時，再出現(xiàn)另一極母線接地，那么會造成正負極間短路，熔絲或斷路器會因為過載和故障保護使回路斷開，直流電源失電，造成下游所有負荷斷電，重要負荷直流電源喪失，則對嚴重威脅機組安全運行。除此之外，直流系統(tǒng)各種不同情況的多點接地，會導致各種不同的后果，諸如下游電氣元件誤動、拒動、以及下游UPS設(shè)備喪失直流電源等等，在此不詳細展開。

3 處理方案及原理分析

3.1 將CT線圈接地點懸空

根據(jù)CT回路設(shè)計，二次側(cè)有一接地點。理論上來講，電流互感器二次側(cè)開路產(chǎn)生高壓，則會對二次回路中其他電器元件造成損壞，過高的電壓甚至會燒毀元件。此處接地，就是為防止二次側(cè)產(chǎn)生高壓，保護二次回路。

但根據(jù)上文所述的現(xiàn)象，只有取消此接地點，才能保證直流控制回路絕緣電阻不降低，避免直流系統(tǒng)接地隱患。因此，如果取消此接地點，則必須論證，低壓電流互感器二次側(cè)開路電壓的值，所帶來的風險，是否在可承受范圍之內(nèi)?；蛘哒f，該風險低于直流系統(tǒng)接地所帶來的風險。

對于類似這種0.5kV級小型低壓電流互感器，二次側(cè)開路不一定會產(chǎn)生高電壓。當一次側(cè)通過額定電流，同時存在二次側(cè)開路，鐵芯有可能未飽和，或未嚴重飽和，這時鐵芯磁通和感應(yīng)電勢基本上都只有基波成分，二次側(cè)就不會出現(xiàn)高電壓，這種現(xiàn)象說明該電流互感器鐵芯的設(shè)計裕度大，即鐵重比率較高。因此在這種情況下，下游負荷正常運行，電流低于額定電流，將CT一點懸空的風險是可接受的。

但對于這種二次側(cè)開路的CT，如果下游負荷發(fā)生大電流過負荷或者單相、相間短路時，鐵芯勢必飽和，這時二次側(cè)就會產(chǎn)生高電壓。所以說CT二次側(cè)開路是否會產(chǎn)生高電壓，是取決于鐵芯是否飽和以及飽和程度如何；而產(chǎn)生的電壓值及升高曲線，取決于CT的飽和曲線。在這種情況下，CT一點懸空還是有較大風險的，但因為保護回路的的存在，正常來說，過電流、短路等情況，一次回路會及時被切斷，二次回路中元器件造成損害的風險也會降低。

所以綜合考慮該CT的物理結(jié)構(gòu)較為堅固，廠房配電設(shè)備運行環(huán)境很好，一次線圈斷開的可能性比較小。即使一次線圈斷開的同時，又發(fā)生下游過電流，且保護回路動作延時較長，才會造成二次高壓損壞電氣元件，這種可能性又很低。所以，我們對此故障的處理方案，確定為對接地點懸空。

3.2 對相應(yīng)漏保進行換型

雖然已將該CT保護接地點拆除，直流故障已經(jīng)消除，但接地產(chǎn)生的根本原因還在于漏保本身電路板件，在未見受潮、腐蝕等前提下，絕緣值在運行1-2年就大幅降低。而設(shè)計安裝時，在此設(shè)計的保護接地點，綜合導致了絕緣降低至報警值。

根據(jù)測量情況，目前只有單極與地間絕緣低（7，9端子），還未發(fā)現(xiàn)極間絕緣降低，所以沒有發(fā)生極間短路，日后可在定期維護中，記錄此項數(shù)據(jù)，如果有降低趨勢，或者CT開始出現(xiàn)一次開路現(xiàn)象時，則開始考慮對漏保進行換型。

4 經(jīng)驗反饋

4.1 對直流控制回路中，其他帶有保護接地的元件進行絕緣測量又如三相數(shù)顯電流表，也有兩個接地點，且輔助電源同樣取自直流控制電源，但經(jīng)測量，發(fā)現(xiàn)端子8，與12，14，16等接地點間，絕緣合格；7，8兩點、6，8兩點間的絕緣也合格，因此不會導致直流回路絕緣降低。

這類故障的排查具有普遍性意義，不僅是本文所指出的漏電保護器，直流回路中的各電氣元件，都有可能因為老化，或者元件本身絕緣水平差，導致的絕緣值降低；而任何一點的絕緣問題，都會影響到整個直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。所以對于直流系統(tǒng)接地故障報警，一定要第一時間排查，避免接地點累積，最終引發(fā)嚴重的電氣事故。

4.2 注重灰塵、油污、溫濕度高等問題

電氣設(shè)備絕緣老化，很大一部分原因是元件工作環(huán)境差，例如油污、灰塵、溫濕度較高等等。尤其是在建電廠，電氣設(shè)備的安裝投運一般都早于土建、設(shè)備安裝，因此更需要注重設(shè)備清潔與通風。

5 總結(jié)

本文從一個直流接地故障出發(fā)，介紹了這一故障原因的查找思路，將故障點確定在漏保CT的設(shè)計問題，和漏保本身的板件絕緣問題上來。在分析CT開路風險后，對處理方案進行風險比較，最終確定了拆除CT的保護接地，增加預維工作對漏保的測量和數(shù)據(jù)記錄，再運行一段時間后，根據(jù)實際情況，進一步討論漏保換型方案。

在問題查找和原理分析之后，對這一問題進行根因分析，提出相關(guān)經(jīng)驗反饋，即其他直流回路的電氣元件，是否存在控制電源極間絕緣降低的情況，是否存在接地設(shè)計存在導致直流降低的隱患。以上結(jié)論可供參考，用于排查電氣直流相關(guān)設(shè)備是否存在類似安全隱患。

【參考文獻】

[1]張喜詳.電流互感器二次繞組的開路電壓[J]變壓器，1986（8）.

[責任編輯：王偉平]