直流系统接地假象原因分析及处理

魏彦勋，陈景荣，邱立伟，胡钊

（中核核电运行管理有限公司，浙江　嘉兴　314300）



直流系统接地假象原因分析及处理

魏彦勋，陈景荣，邱立伟，胡钊

（中核核电运行管理有限公司，浙江嘉兴314300）

〔摘 要〕介绍了某核电厂650MW级机组一起直流系统出现的接地假象，并就此展开详细分析，从直流系统的工作特点以及工作要求、配电柜信号回路常见设计方案方面分析了导致故障的原因，并提出了解决方案和防范措施。

〔关键词〕核电厂；直流系统；寄生回路；接地假象

0　引言

由于直流系统具有优异的稳定性和抗电磁干扰特性，各发电厂、变电站广泛采用直流电源作为厂、站的操作电源和信号电源，为安全自动装置、一次设备控制回路、声光报警回路、通信装置等重要负荷提供电源。随着电力系统的飞速发展，厂、站控制系统和信号系统也日渐复杂，同一设备上可能存在2种或者更多电压等级的直流系统，有的甚至还有交流电源掺杂其中。在这个复杂的系统中，有些厂、站调试期间遗留的缺陷在满足故障显现的特定条件下，便会触发相应的报警回路，影响系统的正常运行。

1　故障现象

2015-06-10T09：18，操作人员按照主控制室要求，断开网控楼1号变压器0.4kV低压侧出线开关0LKR001JA，随后断开其高压侧6kV开关1LGA116JA，并将其拉出置于隔离位置（但并未拔下开关的二次插接件）。随后网控楼110V DC配电盘0LBM001AR内直流系统绝缘监测仪报系统正极接地，正极对地电压由+55V降为+23V，网控楼XXS-400闪光报警装置内部直流接地监测装置报直流24V负极接地。1号变压器接线如图1所示。

2　检查处理

网控楼1号变压器6kV开关控制电源取自1LBR110VDC直流配电盘；0.4kV侧开关控制电源取自0LBM110VDC直流配电盘；闪光报警装置主电源也取自0LBM110VDC直流配电盘，其内部装备DC/DC装置，将电源降为24V DC用以监测报警接点。1LBR和0LBM直流配电盘均配置WZJD-6A微机型直流系统接地监测仪，24V DC直流系统由闪光报警装置XXS-4050功率电源组件进行接地监测，0LBM直流系统如图2所示。

图1　1号变压器接线

故障发生后，对0LBM 110V DC直流配电盘进行全面检查，未发现接地故障点。注意到闪光报警装置内24V直流电源也有接地告警，怀疑是寄生回路导致直流串电触发了接地告警。随即展开分析排查，发现当断开1号厂变0LKR001JA二次小室内某电缆时，接地告警消失，故由此锁定故障点。进一步查得该电缆来自厂变高压侧6kV开关1LGA116JA的1对无源触点，但在0LKR001JA二次小室内将该电缆隔离后，该电缆仍有+13V DC的电源，由此可以断定此次直流接地告警是寄生回路造成110V DC与24V DC串电而导致的。

图2　直流系统示意

检查1LGA116JA二次小室，其内部有5路来自不同直流系统的直流电源和1路交流电源，部分端子接线如图3所示。图3中A路直流为1LGA116JA的110V DC控制、指示电源，B路直流为110V DC网控楼0LKR001JA直流控制电源，C路直流为核电主控48 V DC报警电源，E路直流为网控楼24V DC闪光报警电源。按照规定，这些不同的电源系统之间不允许存在交点，但由于系统复杂、接线紊乱，导致调试期间遗留了1个交点（2号端子与3号端子之间的短接片）。虽然系统在调试时试验合格，但是在特定的工况下，寄生回路会将B路直流110V DC与E路直流24V DC连接在一起，进而触发直流接地告警（见图3云线）。

现场确认故障后，取消2，3号端子之间的短接片，消除2路直流电源间的寄生回路，接地告警消失。经验证，取消短接片后原设计逻辑不变。

3　原因分析

图3　开关二次小室部分端子接线

B路直流110V DC为网控楼1号厂变低压侧开关0LKR001JA直流控制电源，接有高压侧1LGA116JA开关辅助位置触点，当高压开关断开时，辅助位置触点闭合，用以联跳低压侧0.4kV 0LKR001JA开关。E路直流是网控楼24V DC闪光报警电源，接有1LGA116JA开关综合报警继电器的常闭触点。该继电器在开关正常情况下始终得电（电源由A路直流供应），其常闭触点断开；一旦该开关出现异常，如开关保护装置动作、开关6kV熔断器熔断、控制电源失去、指示电源失去、开关不在工作位置或开关处于手动操作模式等，则报警继电器失电，常闭触点闭合，进而向网控室发送报警，以提醒值班人员关注运行工况，准备切换网控室工作电源。

在正常情况下，1LGA116JA开关合位，报警继电器始终得电，报警接点断开，E路直流24V DC被截在开关端子排以外，不会与B路直流串接。但由于1-2-3-4端子联片及E路电源始终存在，一旦出现B路直流正常工作，且1LGA116JA报警继电器失电的工况，就会将B路与E路电源串接。

直流系统相对于“大地”其实是一个悬空的电源，对地本不存在电位，但是由于直流系统绝缘监测仪的存在，使得直流系统正、负极对地存在电压，且在理想情况下正、负极电压的绝对值相等，绝对值之和为直流系统的额定电压值。以110V DC系统为例，系统接入绝缘监测仪后正极对地电位为+55V DC，负极对地电位为-55V DC。

电桥式绝缘监测装置的工作原理主要有2种：乒乓切换式原理（见图4）和平衡电桥式原理（见图5）。在直流系统中，直流母线对地的绝缘电阻分为母线正极对地绝缘电阻R+与母线负极对地绝缘电阻R-。乒乓切换式原理的绝缘监测装置通过测得E点和V点电压，不断求解2个不同的接地回路方程，实时计算回路接地电阻值，达到设定值便发相应的接地告警。平衡电桥式原理的绝缘监测装置则通过检测流过电流表的电流大小和方向，判断系统是否存在接地故障。

图4　乒乓切换式原理

对于采用乒乓切换式原理的接地监测仪，由于仪器本身接地点的存在，一旦2个回路有连通，势必影响母线对地电压，从而影响测量点电压并最终影响计算结果，触发告警。

对于采用平衡电桥式原理的绝缘监测仪，因每个独立的直流电源系统都有自己监测仪的接地点，当2个原本独立的直流电源系统存在1点直接相连或经过1个电阻相连时，就会让2个直流电源系统通过绝缘监测仪的接地点形成一个环路。如果2个直流电源系统的压差足够大，则环路上的电流就足以驱动电流表进而动作告警，如图6所示。图6表示110V DC正极与24V DC负极直接相连（端子2-3之间存在寄生连接片）的异常情况。

图5　平衡电桥式原理

图6　2个直流电源系统形成的环路

图6的等效原理图如图7所示。根据叠加原理，110V DC负极A点电位为：UA=-I×R=-（I1+I2）×R。

令r=XR，X为2台直流系统绝缘监测仪内部匹配电阻之比，则有：

显然，UA∈（-110，-67），即2台直流绝缘监测仪内部匹配电阻的比值影响点的电位。但是，即便当X≈+∞时使得UA等于-67V，不至于触发110V DC系统直流接地告警，也会因为系统将D点电位置为+43V DC（D点为24V DC系统负极，其电位UD=UA+110=-67+110=43V DC，而其正常电位应为-12V DC）而触发24V DC系统的绝缘告警。

以上计算是基于110V DC正极与24V DC负极因某种原因存在交联点，当110V DC负极与24V DC负极存在交联点的状况时，如上分析可得110V DC负极对地电压：

所以110V DC负极对地电压取值范围为（-110，-43），这样即便X≈4.58使得110V DC负极对地电压等于-55V DC而不会告警，也会因为本应为+12V DC的24V DC正极电位变为-31V DC而触发24V DC系统的绝缘告警。其他情况均可做类似分析。

本次故障110V DC系统报正极接地，测得正对地电压为+23V DC，负对地电压为-95V DC；24V DC系统报负极接地，测得正对地电压+49V DC，负对地电压+23V DC。查得110V DC系统绝缘监测装置匹配电阻为120KΩ，24V DC系统匹配电阻为30KΩ，即X=30 K/120 K=0.25，所以理想计算情况下110V DC负极对地电压应为：-｛67+43/［（30/120）+1］｝，即-101.4V DC，110V DC正极对地电压应为8.6V（-101.4+110），24V DC负对地电压为8.6V（等于110V DC正极对地电压），24V DC正对地电压为32.6V（8.6+24）。考虑到回路接触电阻、现场直流电压略高（110V DC系统实际运行电压为120V左右）以及直流系统正、负极对地电压不平衡等影响，理论计算值与实际测量值基本相符。

4　防范措施

图7　图6的等效原理

（1）慎用信号公共端。早期每个开关柜的控制系统都是单一的，如果采用1个公共端，就会大大减少外送电缆，达到简化接线、节约成本的目的。但是在核电厂中，每一个开关柜都可能需要向多个控制系统输送信号，如核电主控室、开关站控制室、DCS控制系统等，而这些控制系统的电源又是相对独立的，这样多个电源的存在就会给寄生回路以有利的生存条件。随着电力系统的飞速发展，其他发电厂、变电站也会面临这样的问题。为从根本上避免此类事件发生，需要厂家、设计院和用户3方加强沟通，确保设备送往不同系统的信号不存在公共端，或者采用方便用户个性定制的短接片。

（2）修改系统接线、图纸并及时向设计院反馈。设计院修改设计相关系统时会依据原始设计文件，但各厂、站在使用设备时往往会做一些调整，这些调整如不能及时反馈给设计部门，就会使得设计院设计输入有误，进而导致设计院做出不恰当的设计。

（3）掌握直流系统运行、维护要点。

① 1套直流系统只配置1台接地监测仪，如确需配置多台，应设置监测模式为1主1从或者1主多从方式，避免多台监测仪同时运行误发报警。

② 对于复杂控制系统，应在端子排处或其他屏柜端子箱处将交、直流信号做明显的标识。

③ 设备二次回路验收、调试时要严格把关，制定调试方案时要考虑各种运行工况以及操作方式，确保系统在各种运行工况下都可稳定运行。

④ 将日常巡检做细做全，设备定期维护时应按规定测量回路绝缘；加强与运行操作人员的沟通，及时取得故障前后设备的操作信息，以便分析处理故障。

收稿日期：2015-12-20。

作者简介：

魏彦勋（1986-），男，助理工程师，主要从事核电厂继电保护检修工作，email：weiyx@cnnp.com.cn。

陈景荣（1978-），男，高级工程师，主要从事核电厂电气检修管理工作。

邱立伟（1983-），男，工程师，主要从事核电厂继电保护检修工作。

胡钊（1987-），男，助理工程师，主要从事核电厂低压电气检修工作。