核电厂核岛直流系统绝缘检测的探讨与实践

于永强

（中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴 314300）

核电厂核岛直流系统绝缘检测的探讨与实践

于永强

（中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴 314300）

以某核电厂1，2号机组直流系统为例，阐述了直流系统母线绝缘监测仪的工作原理，以及便携式绝缘检测仪的工作原理与应用，并根据部分绝缘监测报警记录的分析，总结出电厂48 V直流系统发生绝缘故障的一些规律和特点，提出并施行了改进措施，确保了48 V直流系统的稳定运行。

核电站；直流系统；母线绝缘监测装置；便携式绝缘检测仪

0 引言

直流系统可能发生各种故障，直流接地就是极具危害的故障之一。为及时检测直流系统的绝缘完好性，每个直流系统皆配有1台接地故障监测装置。直流系统绝缘监测的作用是随时监测直流系统的母线电压及对地绝缘状况，一旦系统的绝缘完好性受到破坏，及时报警。运行人员根据报警信息通知维修人员进行绝缘检查，定位接地故障点并处理。

1 核岛直流系统构成

某核电厂直流系统由蓄电池、充电器和相应的开关和母线构成。蓄电池既是系统的储备能源，又起到平衡负荷的功能。核岛直流系统有48 V，110 V，220 V 3个电压等级，共14个系统。48 V包括1/2LCA（48 V直流电源系统A系列），1/2LCB（48 V直流电源系统B系列），1/2LCC（48 V直流电源系统A系列），9LCD（核辅助厂房共用48 V直流电源系统）。110 V包括1/2LBA（110 V直流电源系统A系列），1/2LBB（110 V直流电源系统B系列），1/2LBC（第Ⅰ保护组逆变器电源系统），1/2LBD（第Ⅱ保护组逆变器电源系统），1/2LBE（第Ⅲ保护组逆变器电源系统），1/2LBF（第Ⅳ保护组逆变器电源系统），1/2LBJ（6．0 kV断路器的110 V直流电源系统），1/2LBP（LNP逆变器供给的110 V直流电源系统），9LBG（核辅助厂房110 V直流电源系统）。220 V只有1/2LAA（不间断220 V直流电源系统）。

2 在线式母线绝缘监测仪的工作原理

该核电厂配备在线式母线绝缘监测仪，图1为1，2号机组核岛直流系统绝缘监测仪的工作原理。图1中，U+为母线正极对地电压；U-为母线负极对地电压；E为电桥1中点电压；V为电桥2中点电压；R+为母线正极对地绝缘电阻；R-为母线负极对地绝缘电阻。按照电路基本原理分析，若要求解R+和R-的值，必须建立2组独立的回路方程式，再将其联立求解。当K1闭合，K2断开时，电桥1工作，电桥2不工作，此时可以列出电桥1的回路方程式。同理，K2闭合，K1断开时，电桥2工作，电桥1不工作，此时可以列出电桥2的回路方程式。联解这个方程组，即可解得R+和R-的阻值如式（1），（2）所示：

图1 在线式母线绝缘监测仪工作原理

其中RC=（R+·R-）/（R++R-）为已知量，U，E和V均可由监测仪测量得到，由以上2式，即可计算出正、负极母线对地绝缘电阻。

绝缘监测仪的接地电阻检测范围为0-999 kΩ，测量精度因测量范围而不同：0-5 kΩ，误差≤0．5 %；5-20 kΩ，误差≤15 %；50-100 kΩ，误差≤20 %。目前现场的绝缘监测仪报警值设定为50-25 kΩ为1级黄色报警，25-6．5 kΩ为2级黄色报警，6．25 kΩ以下为3级红色报警。

3 便携式绝缘检测仪

3.1 便携式绝缘检测仪的功能

核电站在事故工况下失去厂用电时，关键设备供电主要靠蓄电池。为了有效降低电缆引起的压降，就必须增加出线电缆的线径，因此该核电厂1，2号机组直流系统配电柜的出线电缆比普通电厂的线径要大50 %-100 %。这就导致配电柜空间无法再安装检测接地电流的CT（电流互感器），所以所配置的在线式绝缘监测仪没有选线功能。即当该仪器检测到母线有接地情况时，并不能确定母线所带负荷的支路中的哪一路有接地情况存在。这时就必须使用其配套装置——便携式绝缘检测仪，对支路逐一逐级检测。使用此装置无需断开电源便可实现对接地点的定位。

图7的15个特征分维可视化图可以看出,单个眼动特征无法直接区分出交互的5种状态,这也说明单个或少数的特征不是分类预测的充分条件.图8的分类预测结果显示,测试集90%以上的数据预测是准确的,而大多数分类预测出错的情况是将其他几类错误地预测为第0类,即：vision_state=care_F0 (关注整个界面),这显然是在情理之中的,因为第0类的特征分量中X、Y坐标特征与其余四类均存在部分重叠的情况.

便携式绝缘检测仪由检测仪与检测探头2部分组成。检测仪发出超低频信号，并将检测探头所得到的反馈信号进行比较计算，最终显示接地电阻值。检测探头为一卡钳，使用时可同时卡住某条支路的正、负馈线，也可以分别卡住正、负馈线。

便携式绝缘检测仪的接地电阻检测范围为0-50 kΩ，测量精度因测量范围而不同：0-4．5 kΩ，误差≤0．5 %；4．5-20 kΩ，误差≤15 %；20-50 kΩ，误差≤15 %。

3.2 便携式绝缘检测仪的工作原理

便携式绝缘检测仪中装有超低频信号发生器、超低频信号接收器、数字信号处理器及液晶数码显示器等电路。其工作原理如图2所示。

超低频信号发生器产生2 Hz的超低频信号，通过保护电路，由母线对地注入直流系统。保护电路的作用是当母线对地有较高的交流电压时，保护电路启动，断开超低频信号馈入母线，确保信号发生器的安全。

检测探头是本仪器信号接收与变送的重要部件，将其卡在被测线路上，可接收超低频信号，并转换成电流信号，送往接收器放大与处理。检测探头卡在超低频信号注入点后面，逐一检测各路出线。如被测线路上有接地故障，超低频信号源发出的信号流经该线路及接地电阻与对地电容形成电流回路，在检测探头中产生感应电流。该感应电流的大小与接地电阻和对地电容的阻抗成反比，因此阻抗越小，检测探头所产生的感应电流越大。该感应电流经放大、带通滤波、相位比较、滤波、A/D转换、CPU处理，求出接地电阻和接地电容值，并将其数值送往液晶数码显示器上显示。当被测接地电阻小于门限设置值时，则CPU发出声光报警信号。如果测出的直流接地的出线还有支路，则使用该仪器继续向下逐级查找。由于这些电源主要分布在继电器机架室，相对集中，所以容易开展检测。

图2 便携式绝缘检测仪工作原理

4 核岛直流系统绝缘检测的结果与分析

4.1 核岛直流系统绝缘报警分布情况的分析

由于运行设备现场环境等因素影响， 2005— 2008年间该核电厂直流系统绝缘报警出现次数较多，且绝大部分出现在48 V直流系统。通过对这段时间48 V直流系统出现的38次绝缘报警进行统计，各系统引起直流系统接地的比例如图3所示。由图3可见，CGR（循环水泵润滑系统），CRF（循环水系统），DVG（辅助给水泵间通风系统），ASG（辅助给水系统），VVP（主蒸汽管道系统）等系统引起直流电源接地的可能性较大。

上述绝缘报警中，除有小部分因为接地情况不稳定或虽有报警但接地电阻过大而无法查出外，按引起绝缘报警的具体设备统计，有37 %的直流接地是由现场的SD（流量）、SP（压力）、ST（温度）和SN（液位）等开关引起，其中以SN居多；有29 %的直流接地是由现场阀门（VA空气阀、VB硼酸水阀门、VD除盐水阀门、VP主冷却器阀门、VV蒸汽阀门）的各种执行机构（点动或启动）的返回信号引起；有15 %的直流接地是由现场的AR（控制柜）引起；有17 %的直流接地是由BT蓄电池引起；有2 %的直流接地原因无法确认。

根据以上分析结果，当某个直流系统出现绝缘报警，可优先查找出现接地情况可能性较高的系统；继电器机架上涉及现场多个系统的多种信号，也可依据系统和设备有针对性地检查，这样在减小绝缘检查工作量的同时也降低了风险。

图3 引起直流系统绝缘报警的系统比例

4.2 导致直流系统接地的原因

根据现场绝缘检查的情况，引起直流系统接地的原因如下：

（1） 在交流配电盘停电时，PS（水池、水坑）内的水上涨后，虽然触发了泵启动信号，但由于泵没有动力电源而不能启动，造成PS坑内的水将液位开关淹没并触发绝缘报警，这部分主要包括SN，SP，ST类开关；

（2） 对于DVG，DVK（燃料厂房通风系统），REA（反应堆硼和水补给系统），VVP，GSS（汽水分离再热器系统）等系统，遇到的问题是冷凝水、雨水、蒸汽等造成阀体限位开关内进水，或者电缆表皮熔化触发绝缘报警，或者接地接线箱端子压接不规范，在阀门状态改变时，引发直流系统绝缘报警。这部分主要包括VA（空气阀），VB（硼酸水阀门），VD（除盐水阀门），VV（蒸汽阀门）类阀门。

（3） 机组日常检修与大修期间个别系统由于停运检修，在拆线过程中没有用绝缘胶带包扎好或者接线不规范而造成直流系统接地。这部分主要包括AR类控制柜。

5 改进措施

5.1 环境和设备因素的改进

（1） 对于PS坑内的水将液位开关淹没的问题，可以考虑采用独立电源解决，比如在泵控制箱内加装交流380 V转换直流48 V的电源模块。现场有很多设备在原设计中就采取此种方案。如果出现此类故障，电源模块内部保护回路会发挥作用，且不再对原直流系统构成任何影响。此改进方案目前还在考虑阶段，现场尚未实施。

（2） 对于DVG，DVK，REA，VVP，GSS等系统遇到的冷凝水、雨水、蒸汽等造成阀体限位开关内进水的问题，解决的关键是改善设备的工作环境。其中，DVK系统的问题是顶部天花板渗漏雨水，经过土建人员对防水层重新处理后已解决；VVP系统的问题主要是故障阀门未做隔热处理，附近管道泄压产生的高温蒸汽将其电缆表皮熔化，现对阀门进行了隔热处理后已解决。REA，GSS系统的VB，VD类阀门的接地接线箱端子压接不规范的问题较易解决，只需对端子重新压接即可。DVG系统的问题相对复杂，主要是4个出现故障的防火阀（VA类）安装在核岛电气厂房-7 m处，此处为电气厂房空调系统末端，防火阀就安装在冷风风管上。由于ASG系统在阀门所在的隔壁房间的坑洞内排出的热水产生的蒸汽与管壁存在温差，造成防火阀内部极易出现冷凝水。解决方案初期考虑改变ASG系统的热水排出问题，但是无其他理想排放场所并受所在房间结构的影响，设备改造难度很大。经慎重考虑后，决定将阀门移至阀门所在房间的上一层房间。该方案实施难度相对较小，已于2010年改造完成。经过上述改造，再也没有出现48 V DC接地故障。

5.2 人因失误因素的纠正

人因失误主要分为2种情况。一种情况是检修技能与经验不足，解决的方法是这类关键的工作尽量安排技能过硬和经验丰富的人员负责。另一种情况主要是人员工作态度不够认真，不按照工作规程与程序作业，纯粹凭以往经验作业。对于这类问题，该核电厂在2010年推出了由工前会、他检、自检、三向交流、不确定时停止工作和严格执行规程5条要素组成的防人因失误工具，并对一线工作人员进行了培训。实施5年来，人因失误明显降低。

6 结束语

作为关系到核电站核安全的直流系统，接地故障监测装置的作用十分重要。通过阐述绝缘监测仪的工作原理，并对某核电厂1，2号机组的核岛厂房部分绝缘报警记录结果进行分析，总结出核岛直流系统绝缘报警分布情况和导致直流系统接地的原因，提出并施行了相应的改进措施。多次的绝缘检查工作积累了丰富的经验，对以后的绝缘故障查找与解决提供了借鉴。

1 邱关源．电路［M］．北京：高等教育出版社，2006．

2015-08-06；

2016-04-11。

于永强（1973-），男，工程师，主要从事核电站电气维修工作，email：yuyq@cnnp．com．cn。