核電站直流系統(tǒng)接地故障的檢測及查找

丁學(xué)偉，姬新峰

(福建寧德核電有限公司，福建 寧德 325609)

核電站直流系統(tǒng)接地故障的檢測及查找

丁學(xué)偉，姬新峰

(福建寧德核電有限公司，福建 寧德 325609)

核電站直流48 V系統(tǒng)在核電建設(shè)及運(yùn)行期間經(jīng)常出現(xiàn)接地現(xiàn)象，威脅著核電站的安全運(yùn)行。介紹了直流接地的產(chǎn)生原因及危害，探討了直流接地的查找方法和QDB-81型直流接地查找儀的原理及其應(yīng)用效果。

直流系統(tǒng)；接地；直流接地查找儀；乒乓式變電橋

0 引言

核電站直流系統(tǒng)的用電負(fù)荷為繼電保護(hù)、控制、信號(hào)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控、事故照明、斷路器的分合閘操作電源、交流不間斷電源等，對(duì)供電的可靠性要求極高。核電直流系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的電源系統(tǒng)，其可靠性及安全性直接影響整個(gè)核電站的正常運(yùn)行。在實(shí)際應(yīng)用中，由于電力系統(tǒng)直流電源應(yīng)用的特殊性，特別是控制回路和保護(hù)回路的應(yīng)用，使直流系統(tǒng)的故障成為電力系統(tǒng)更大故障的事故隱患。

核電儀控用48 V直流系統(tǒng)分為2部分：電氣系統(tǒng)(LCA/LCB)供電和機(jī)柜整流48 V直流供電，主要用于向繼電器自動(dòng)控制、監(jiān)測設(shè)備、燈光報(bào)警裝置、現(xiàn)場儀表信號(hào)、電磁閥和電動(dòng)閥控制機(jī)構(gòu)供電。其中DI查詢電壓由柜內(nèi)48 V DC供給，DO輸出信號(hào)分DCS供電和用戶本身供電2種。在CPR1000堆型核電站建設(shè)階段，48 V直流接地故障屢次發(fā)生，但由于分支網(wǎng)絡(luò)多、所接設(shè)備多等因素構(gòu)成了龐大而復(fù)雜的直流電源網(wǎng)絡(luò)，分為主母線、小母線，層層分布，回路復(fù)雜、單線交錯(cuò)、雙線交錯(cuò)，客觀上增加了查找直流接地故障的難度。

1 直流系統(tǒng)接地的原因及危害

當(dāng)直流系統(tǒng)的正極或負(fù)極與大地之間的絕緣水平降到某一整定值或低于某一規(guī)定值時(shí)，統(tǒng)稱為直流系統(tǒng)接地。當(dāng)正極絕緣水平低于某一規(guī)定值時(shí)稱為正接地；當(dāng)負(fù)極絕緣水平低于某一規(guī)定值時(shí)稱為負(fù)接地。核電LCA和LCB系統(tǒng)接地故障的臨界值為6.25 kΩ，若絕緣水平低于此值，電氣盤柜的絕緣監(jiān)測儀就會(huì)向主控發(fā)報(bào)警，并要求立即處理。

1.1 直流系統(tǒng)接地的原因

直流系統(tǒng)是個(gè)長期帶電的不間斷工作系統(tǒng)，會(huì)由于環(huán)境改變、氣候變化、污染、高溫等原因使電纜老化、接線端子老化、元件損壞等而引起其絕緣水平下降。一般來說，系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)間越長，其發(fā)生接地故障的概率越高。核電站48 V直流系統(tǒng)是現(xiàn)場眾多設(shè)備的控制電源或查詢電源，同時(shí)建設(shè)中會(huì)有大量的現(xiàn)場設(shè)備電纜端接，因此電纜端接的規(guī)范性往往不能得到很好地控制；另外如果核電建設(shè)中的設(shè)備所處的環(huán)境潮濕，也會(huì)造成絕緣水平降低。

1.2 核電站直流系統(tǒng)接地的危害

LCA和LCB 48 V DC電源系統(tǒng)是核電站的直流電源中非常重要的系統(tǒng)，所有反應(yīng)堆保護(hù)信號(hào)的傳遞和驅(qū)動(dòng)都是靠LCA和LCB完成的。當(dāng)失去這2個(gè)48 V直流中的任意一個(gè)，將直接導(dǎo)致反應(yīng)堆保護(hù)動(dòng)作而機(jī)組停堆。這是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)上，反應(yīng)堆跳閘保護(hù)設(shè)有失電動(dòng)作的線圈，一旦停電就會(huì)導(dǎo)致停堆。所以，保證48 V DC直流電源系統(tǒng)的穩(wěn)定非常重要。一旦48 V DC直流電源出現(xiàn)絕緣報(bào)警，說明其所帶設(shè)備由于某種原因發(fā)生接地；而一旦發(fā)生2點(diǎn)接地就可能使電廠失去48 V DC直流供電，給機(jī)組帶來很大的安全隱患。

2 直流系統(tǒng)接地故障的檢測方法及分析

(1) 直流母線電橋法。采用電橋法研制的檢測裝置比較簡單，相當(dāng)于在正負(fù)直流母線上加2個(gè)平衡電阻，形成平衡電橋。其僅對(duì)直流系統(tǒng)的接地故障給出報(bào)警，不能指示故障所在的支路和接地電阻值，功能過于單調(diào)。

現(xiàn)場維護(hù)人員排除故障時(shí)，通常采用人工拉路法，即依次短時(shí)拉開直流屏所供直流負(fù)荷各回路。當(dāng)切除某一回路時(shí)故障消失，說明故障在該回路內(nèi)。對(duì)于重要負(fù)荷，短時(shí)拉閘不被允許，因此該方法只適用于配電房等直流柜系統(tǒng)。

(2) 低頻信號(hào)注入法。該檢測方法如圖1所示。直流系統(tǒng)出現(xiàn)接地故障后，在故障母線與地間注入低頻信號(hào)；低頻電流從信號(hào)發(fā)生器流出，經(jīng)接地故障饋線后從接地點(diǎn)返回；利用鉗型電流檢測儀逐條檢測饋線，即可找到接地饋線，進(jìn)而找到接地點(diǎn)。

圖1 低頻信號(hào)注入法示意

該方法可不停電查找直流接地點(diǎn)，但當(dāng)探頭在某一點(diǎn)測量時(shí)，因存在電容電流，操作人員難以確定是電容電流還是接地電阻電流。此方法往往存在誤判或測量計(jì)算的接地電阻誤差大的問題。

(3) 變頻信號(hào)注入法。先注入頻率交替變化的低頻信號(hào)，然后通過鉗型電流探頭檢測支路阻性電流幅值的變化確定接地支路與接地點(diǎn)。通過注入幅值不變而變頻的信號(hào)，間接計(jì)算出饋線支路中的阻性電流。探頭采集的電流幅值I由接地電阻R上的電流和直流饋線上分布電容C的電流2部分組成。通過現(xiàn)場使用檢驗(yàn)，變頻信號(hào)的注入將使直流系統(tǒng)的電壓波紋系數(shù)加大，使用效果并不理想。

(4) 磁調(diào)制直流漏電流檢測方法。該檢測方法如圖2所示。CA為磁調(diào)制漏電流傳感器，直流系統(tǒng)饋線支路正負(fù)2條線路穿過CA環(huán)狀鐵心，向負(fù)荷提供電流。CA漏電流傳感器中存在有三角波恒流激磁電流，以及激磁繞組、檢測繞組，當(dāng)正負(fù)線路上的電流不相等時(shí)，漏電流傳感器有漏電流大小及方向信號(hào)輸出。

圖2 磁調(diào)制直流漏電流檢測方法示意

因受平衡電橋原理的限制，該方法在正負(fù)極絕緣電阻均等下降或其值相接近時(shí)使用受限，只能監(jiān)測非對(duì)稱性直流接地故障。

(5) 乒乓式變電橋檢測方法。該方法通過切換電橋2臂電阻值的大小，使電橋沒有固定的平衡點(diǎn)；再通過測量不同狀態(tài)下的電壓，計(jì)算出直流系統(tǒng)對(duì)地的絕緣電阻。這樣避免了因漏電流較小，難以測量而嚴(yán)重限制故障檢測精度和靈敏度的情況。

3 QDB-81型直流接地查找儀

3.1 檢測原理

在接地母線或分支線與大地之間施加一個(gè)超低頻信號(hào)，其電流沿著母線、支路流向接地點(diǎn)并通過大地構(gòu)成回路。用連接在手持器上的鉗子檢測所有直流饋線進(jìn)線，找出接地支路，再順著接地支路向下查找，查看其手持器顯示的波形。接地支路電流波形為正弦波，無接地支路波形為直線，雙回路電流波形為不規(guī)則波形。其中，雙回路不規(guī)則波形不能判斷是否接地，只能到下一級(jí)負(fù)荷饋線繼續(xù)檢查。查找方法如圖3所示。

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用分析

2012-09-03，某CPR1000核電站1號(hào)機(jī)主控觸發(fā)1LCA007KA(絕緣低于6.25 kΩ)，1LCA母線絕緣為 0.09 kΩ，1LCA06H1/07J1(下游負(fù)荷均為1KCS103TB)絕緣分別為0.18 kΩ/0.2 kΩ，電氣盤接地故障燈亮。根據(jù)1LCA 48VDC單線圖確定接地點(diǎn)為SLC A3機(jī)柜，聯(lián)系運(yùn)行停運(yùn)LCA電氣盤直流絕緣測試儀(只停運(yùn)了2個(gè)機(jī)柜的，其中總的測試儀未停運(yùn))。最后采用接地查找儀發(fā)現(xiàn)1RCP009VP閥門電磁閥正負(fù)極均有接地，斷開接線端子，故障消失。

3.3 儀表使用后的經(jīng)驗(yàn)反饋

該儀表的信號(hào)源、手持器雙層抗分布電容設(shè)計(jì)，消除分布電容影響；區(qū)分平衡電阻接地，消除檢測死區(qū)。該儀表可帶電查找定位直流系統(tǒng)的絕緣故障。

(1) 該儀表同樣存在測量不準(zhǔn)確情況。在測量過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)“雙回路或換網(wǎng)，請看雙回路指導(dǎo)書”提示，給準(zhǔn)確測量增加了難度。經(jīng)驗(yàn)證，若手持器未放穩(wěn)或一直和手接觸時(shí)會(huì)出現(xiàn)此提示，需等待波形完全顯示后再停止測量和進(jìn)行判斷。

(2) 該接地查找儀與電氣盤絕緣檢測儀之間存在干擾問題。測量中停運(yùn)了2個(gè)支路的電氣盤絕緣檢測儀，母線上的絕緣檢測儀未停運(yùn)，因此在接地故障已排除的情況下，母線上的絕緣檢測儀一直在閃發(fā)絕緣低報(bào)警。拆下接地查找儀后，報(bào)警消失。實(shí)踐證明，當(dāng)2個(gè)儀器所發(fā)信號(hào)的頻率成倍數(shù)時(shí)，信號(hào)會(huì)疊加，出現(xiàn)相互干擾的情況，建議今后在絕緣低查找時(shí)首先停運(yùn)電氣盤絕緣檢測儀。

圖3 QDB-81型直流接地查找儀查找方法

4 結(jié)論

目前核電站DCS直流48 V的絕緣情況存在較多問題。一方面接地故障的次數(shù)在不斷增加；另一方面絕大多數(shù)的故障報(bào)警是閃發(fā)的，會(huì)自動(dòng)消失，給查找?guī)硪欢ǖ碾y度。

運(yùn)行技術(shù)規(guī)范對(duì)LCA，LCB臨界絕緣報(bào)警的要求是：若故障查找很復(fù)雜，且故障不能在3天內(nèi)消除，要求進(jìn)行RPA定期試驗(yàn)。如果試驗(yàn)滿意，安全性未受影響；如果試驗(yàn)不滿意，則執(zhí)行RPR系統(tǒng)有關(guān)的技術(shù)規(guī)范指令，即后撤至NS/RRA模式。因此，在運(yùn)行技術(shù)規(guī)范的要求下處理LCA，LCB絕緣問題的壓力很大，必須提高故障處理的效率，這就要求有較高靈敏度的絕緣檢測裝置，QDB-81型直流接地查找儀的應(yīng)用提高了故障處理的效率。

2017-06-28。

丁學(xué)偉(1983—)，男，工程師，主要從事CPR1000堆型核電站日常及大修儀控維修工作準(zhǔn)備、大修協(xié)調(diào)等工作，email：ding305@163.com。

姬新峰(1983—)，男，工程師，主要從事CPR1000堆型核電站日常及大修儀控維修工作準(zhǔn)備、協(xié)調(diào)等工作。