PCB电路板绝缘降低导致控制电源接地故障

孙帅　赵立婷　林森　孟青春

【摘 要】某电厂交流配电系统在调试期间频发一类直流绝缘降低故障，在分析排查后将故障点确认在漏电保护器PCB电路板绝缘故障，以及相应的设计缺陷上。这类缺陷涉及范围广，且容易忽视，对相应直流系统造成较大安全隐患。本文对这一问题进行根本原因分析，提出处理方案。

【关键词】漏电保护器；电流互感器；绝缘故障；直流接地

1 绝缘问题描述

电厂常见的380V交流配电系统中，控制电源常取自直流电源系统。直流系统是电厂重要的后备电源、控制电源，其最常见、也是最危险的故障，就是直流接地故障。本文从一个频发的绝缘故障入手，进行原因分析，发现了一类能够导致直流控制电源绝缘降低的原因，具体见下文详述。

2 故障查找及原因分析

2.1 回路介绍

下文所描述的二次回路，主要针对380V交流系统，开关二次回路中，漏电保护器和电流互感器部分，控制电源通过漏保辅助电源端子，取自直流控制电源。下文提到的5，7端子分别为漏保直流电源正负极进线端子，8，9分别接电流互感器K，L端。

2.2 故障原因查找

2.2.1 频发直流系统绝缘故障

在交直流低压系统运行一年左右，频发直流接地报警，绝缘监测仪检查结果为下游交流系统控制电源对应的支路，报绝缘电阻降低，（报警值7kΩ），正常110V直流正负母线电压分别为+55V，-55V，而报警时实际直流负母线/或正母线，几乎为0V。如果此时再发生另一极直流接地，则会导致直流正负极间短路。

经查交流系统中，主回路与控制回路间绝缘合格，不存在直流窜入交流情况且下游负荷没有接地，所以将故障问题锁定在交流回路中的直流控制电部分。按控制回路逐一排查各个元器件，后将问题确认在漏保及CT上。

2.2.2 漏保内部绝缘水平降低

涉及此类问题的漏保型号为xxx M40（110VDC），配套CT型号为同品牌W系列漏电电流互感器。通过拆解该型号漏保，发现该漏保由三块PCB电路板组成，其中，漏保控制面板所在的电路板，经逐个接点测量发现，①漏保7，9号端子间绝缘值在5kΩ左右，（大部分低于5kΩ），②漏保5，7端子间绝缘12.9kΩ，③5，8间18kΩ左右，④8.9间50kΩ左右。

通过对比发现，没有使用过的抽屉开关，漏保7，9间的绝缘值都在150kΩ左右，而频繁使用的负荷，其抽屉开关内的漏保，7，9端子都降到了5kΩ左右。

2.2.3 CT二次侧保护接地

由于漏保及CT在设计和安装时，CT二次侧设有一保护接地，001TI线圈的L端“漏电抽屉外安装”。该设计是为防止电流互感器线圈开路，开路导致一次高压串入二次回路，损坏元件，比如直接相连的漏电保护器；另外也可能因为7，9间的绝缘问题，导致高压窜入直流控制回路。

但正是因为有这一接地点，同时漏保存在电路板板件绝缘降低，所以直流控制电源负极，通过CT端子排28端子，001XI漏保7，9端子（相当于电阻5kΩ），再到001BNI的2端子，即接地点，构成直流接地。最终造成直流系统绝缘故障报警。

2.3 故障后果

通常同一段交流系统下若干负荷都存在这个问题，那就相当于直流负母线，与地间并联若干5kΩ电阻，所以最终导致直流负母线，电压几乎为零。

如果在负母线接地的同时，再出现另一极母线接地，那么会造成正负极间短路，熔丝或断路器会因为过载和故障保护使回路断开，直流电源失电，造成下游所有负荷断电，重要负荷直流电源丧失，则对严重威胁机组安全运行。除此之外，直流系统各种不同情况的多点接地，会导致各种不同的后果，诸如下游电气元件误动、拒动、以及下游UPS设备丧失直流电源等等，在此不详细展开。

3 处理方案及原理分析

3.1 将CT线圈接地点悬空

根据CT回路设计，二次侧有一接地点。理论上来讲，电流互感器二次侧开路产生高压，则会对二次回路中其他电器元件造成损坏，过高的电压甚至会烧毁元件。此处接地，就是为防止二次侧产生高压，保护二次回路。

但根据上文所述的现象，只有取消此接地点，才能保证直流控制回路绝缘电阻不降低，避免直流系统接地隐患。因此，如果取消此接地点，则必须论证，低压电流互感器二次侧开路电压的值，所带来的风险，是否在可承受范围之内。或者说，该风险低于直流系统接地所带来的风险。

对于类似这种0.5kV级小型低压电流互感器，二次侧开路不一定会产生高电压。当一次侧通过额定电流，同时存在二次侧开路，铁芯有可能未饱和，或未严重饱和，这时铁芯磁通和感应电势基本上都只有基波成分，二次侧就不会出现高电压，这种现象说明该电流互感器铁芯的设计裕度大，即铁重比率较高。因此在这种情况下，下游负荷正常运行，电流低于额定电流，将CT一点悬空的风险是可接受的。

但对于这种二次侧开路的CT，如果下游负荷发生大电流过负荷或者单相、相间短路时，铁芯势必饱和，这时二次侧就会产生高电压。所以说CT二次侧开路是否会产生高电压，是取决于铁芯是否饱和以及饱和程度如何；而产生的电压值及升高曲线，取决于CT的饱和曲线。在这种情况下，CT一点悬空还是有较大风险的，但因为保护回路的的存在，正常来说，过电流、短路等情况，一次回路会及时被切断，二次回路中元器件造成损害的风险也会降低。

所以综合考虑该CT的物理结构较为坚固，厂房配电设备运行环境很好，一次线圈断开的可能性比较小。即使一次线圈断开的同时，又发生下游过电流，且保护回路动作延时较长，才会造成二次高压损坏电气元件，这种可能性又很低。所以，我们对此故障的处理方案，确定为对接地点悬空。

3.2 对相应漏保进行换型

虽然已将该CT保护接地点拆除，直流故障已经消除，但接地产生的根本原因还在于漏保本身电路板件，在未见受潮、腐蚀等前提下，绝缘值在运行1-2年就大幅降低。而设计安装时，在此设计的保护接地点，综合导致了绝缘降低至报警值。

根据测量情况，目前只有单极与地间绝缘低（7，9端子），还未发现极间绝缘降低，所以没有发生极间短路，日后可在定期维护中，记录此项数据，如果有降低趋势，或者CT开始出现一次开路现象时，则开始考虑对漏保进行换型。

4 经验反馈

4.1 对直流控制回路中，其他带有保护接地的元件进行绝缘测量又如三相数显电流表，也有两个接地点，且辅助电源同样取自直流控制电源，但经测量，发现端子8，与12，14，16等接地点间，绝缘合格；7，8两点、6，8两点间的绝缘也合格，因此不会导致直流回路绝缘降低。

这类故障的排查具有普遍性意义，不仅是本文所指出的漏电保护器，直流回路中的各电气元件，都有可能因为老化，或者元件本身绝缘水平差，导致的绝缘值降低；而任何一点的绝缘问题，都会影响到整个直流系统的稳定运行。所以对于直流系统接地故障报警，一定要第一时间排查，避免接地点累积，最终引发严重的电气事故。

4.2 注重灰尘、油污、温湿度高等问题

电气设备绝缘老化，很大一部分原因是元件工作环境差，例如油污、灰尘、温湿度较高等等。尤其是在建电厂，电气设备的安装投运一般都早于土建、设备安装，因此更需要注重设备清洁与通风。

5 总结

本文从一个直流接地故障出发，介绍了这一故障原因的查找思路，将故障点确定在漏保CT的设计问题，和漏保本身的板件绝缘问题上来。在分析CT开路风险后，对处理方案进行风险比较，最终确定了拆除CT的保护接地，增加预维工作对漏保的测量和数据记录，再运行一段时间后，根据实际情况，进一步讨论漏保换型方案。

在问题查找和原理分析之后，对这一问题进行根因分析，提出相关经验反馈，即其他直流回路的电气元件，是否存在控制电源极间绝缘降低的情况，是否存在接地设计存在导致直流降低的隐患。以上结论可供参考，用于排查电气直流相关设备是否存在类似安全隐患。

【参考文献】

[1]张喜详.电流互感器二次绕组的开路电压[J]变压器，1986（8）.

[责任编辑：王伟平]