核电厂两个直流系统母线串电故障分析查找

陈明杰，王瑞青

(中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴 314300)

0 引言

直流系统是核电厂的重要组成部分，电压等级主要有220 V，110 V和48 V三种，为继电保护、电动执行机构、配电盘、停堆断路器、逆变器等重要负荷提供控制和动力电源，对电厂的安全稳定运行具有重要作用。每个直流系统主要包括与其相连的蓄电池组(BT)、用于整流的充电器(RD)以及带进出线断路器和开关的配电装置。正常运行时，充电器对其所接蓄电池组进行浮充电并供给直流负荷，厂内、外电源均失去的事故情况下，蓄电池组可向本系统全部直流负荷供电至少1 h。

核电厂直流系统所接负荷众多，运行环境复杂，由于设备绝缘水平下降、接线错误、设备受潮等原因，经常产生接地故障报警。直流系统是不接地系统，一般来讲，一点接地时不会影响系统的持续供电，但也有引发继电保护装置误动作的风险；当系统再发生另一点接地故障时，可能导致控制回路和继电保护装置的误动或拒动，或直流重要负荷失电，造成严重后果。

因此，在绝缘监测装置发出一点接地故障报警时，如何迅速定位故障点，成为了一项困扰核电厂运维人员的重要课题。直流系统常见的接地故障形式有一点直接接地、电阻性接地、非线性电阻接地、多点接地、直-直流串电接地、交-直流串电接地等，其中直-直流串电接地由于相关研究成果较少，也缺少查找经验可供参考，因此对此种接地故障的处理也尤为困难。

1 直流系统绝缘故障查找方法

某核电厂核岛直流系统采用平衡电桥原理的固定式绝缘监测仪实时监测直流母线正负极的对地绝缘值，当母线绝缘阻值低于50 kΩ时，绝缘监测装置发出绝缘报警信号。平衡电桥检测原理如图1所示，R+和R-分别为母线正负极的对地绝缘阻值，RS为平衡桥桥臂电阻，XJ为绝缘监测装置报警继电器。平衡电桥的等效电路如图2所示，当直流系统正常运行时，R+和R-相等，电桥平衡，继电器XJ中无电流流过。当某一极母线绝缘阻值下降后，电桥失去平衡，有电流流过继电器XJ，绝缘阻值下降到一定值时，流过XJ上的电流超过仪器设定值，绝缘监测装置发出报警信号。

图2 平衡电桥法等效电路

当固定式绝缘监测仪发出母线绝缘报警信号后，由运维人员使用基于低频小信号注入法的便携式绝缘检测仪依次检测各支路负荷，直到找到绝缘阻值降低的支路。低频小信号检测法的原理如图3所示，其中的R+，R-为馈线n的正、负极对地绝缘电阻。信号发生器向直流系统注入一个低频小信号，该信号通过接地故障馈线形成回路，利用钳形的电流互感器(CT)检测穿过其中的交流漏电流，对CT检测到的电流信号进行放大、滤波、相位比较、A/D转换等环节后，由CPU计算出该馈线的对地绝缘电阻值。当计算出的阻值低于设定的门限值时，仪器发出报警信号，确定故障支路后，再对该支路上的负荷进行检查。考虑到电压降的影响，核电厂直流系统的电缆截面比常规火电厂的更大[1]，导致钳形电流互感器无法穿过一些较粗电缆，对这类负荷绝缘故障的查找只能采用“拉路法”，即断开该支路负荷，查看母线绝缘阻值是否恢复到正常水平。但受系统运行情况限制，很多负荷都不能断电，因此在实际工作中“拉路法”经常无法使用。

图3 交流小信号检测法原理

2 直流系统两段母线串电分析

直流系统两段母线串电指的是两个独立的直流系统之间，发生一个系统的正极(负极)母线与另一个系统负极(正极)母线直接或经一个电阻值相互连接的故障。此类串电故障发生时，虽然母线对地绝缘阻值并未降低，但两个直流系统通过XJ1-大地-XJ2-R形成电流回路，如图4所示。当串电回路阻值R小到一定程度时，电流值超过XJ1，XJ2继电器设定值，两段母线将同时触发绝缘故障报警，其中一段母线报正极接地，另一段母线报负极接地。这种情况虽然没有发生真实的接地故障，但由于串电电流的存在，将导致正、负极母线对地电压被严重拉偏，尤其是当串电电阻R为零时，两段母线其中一极的电压将接近0 V[1]，如果此时直流系统发生一点接地故障，极易造成保护继电器的误动作，分析如下。

图4 直流两段母线串电示意

以220 V直流系统为例，假设直流系统Ⅰ段正极与直流系统Ⅱ段负极直接串接，即串电电阻R=0 Ω。直流系统Ⅰ段等效模型如图5所示，其中C+和C-为直流母线正、负极的对地分布电容，J为出口继电器，线圈阻值为RJ，TJ为其驱动触点，C为出口继电器正电源侧长电缆的对地分布电容。当发生串电后，直流系统Ⅰ段的正、负极对地电压以及电容C的起始电压分别为：UⅠ+=0 V，UⅠ-=-220 V，UC(0)=220 V，UC-(0)=220 V。

图5 两段母线串电时直流Ⅰ段等效电路

此时，若直流Ⅰ段发生正极接地故障(模拟K合上)，由于原来的正极电位为零，此种情况下电路状态未发生任何改变，电容C，C-上的电荷也没有充、放电发生，故此种情况下正极接地对继电器J不产生影响。

直流系统Ⅱ段的等效电路如图6所示，正、负极母线对地电压为：UⅡ+=220 V，UⅡ-=0 V。继电器J正电源侧电压U0=UⅡ-=0 V，电容电压UC(0)=UC-(0)=0 V。

图6 两段母线串电时直流Ⅱ段等效电路

若直流Ⅱ段发生正极接地故障(模拟K合上)，电源通过电容C对继电器J进行充电，充电电流为：

其中时间常数τ=Rj×C，相当于继电器J全电压启动，当充电电流的衰减不是太快，而继电器J的动作功率较小时，继电器J将误动作。直流Ⅱ段负极接地的情形与直流Ⅰ段正极接地类似，不再做进一步的分析。

3 直流系统两段母线串电故障的查找案例

2020-02-29，某核电厂1号机组48 V直流电源系统1LCA和1，2号机组共用48 V直流电源系统9LCD同时触发绝缘报警，绝缘阻值低至1 kΩ，且正负极母线电压严重不平衡，1LCA系统正极对地电压5.6 V，负极对地电压45.7 V，9LCD系统正极对地电压46.8 V，负极对地电压4.5 V。1LCA系统向电厂安全有关的部件提供直流电源，若母线失电将导致反应堆自动停堆，根据电厂运行技术规范，当LCA系统母线绝缘小于6.25 kΩ，并且15天内不能消除故障，机组状态必须退防，因此必须尽快排除该绝缘报警故障。

运维人员按照以往查找绝缘报警的方法，使用便携式绝缘监测仪对两段母线下游负荷支路进行绝缘查找，但均未查到绝缘降低的负荷。根据两段母线均触发绝缘报警的故障现象，运维人员判断两段直流母线之间发生了串电。由于两个系统的公共负荷很多，直接从负荷侧查找串电位置难度非常大。经过分析，决定采用在任一系统注入交流小信号，然后在另一系统检测该小信号的方法来定位串电位置，但由于平衡电桥的桥臂电阻值较大(约50 kΩ)，交流小信号经过串电支路后的电流值很小，CT钳子的精度不足以检测到如此小的电流信号，因此可使用一个阻值更小的电阻进行人为接地，以形成更大的接地电流。

具体做法是:使用便携式的绝缘检测仪在1LCA母线上注入一个交流小信号，同时退出9LCD系统的绝缘监测仪，并在9LCD开关柜上找一个备用抽屉，人为进行10 kΩ电阻接地。从两个系统的对地电压判断，是1LCA的正极与9LCD系统的负极串电，为形成电流回路，对9LCD系统负极母线进行人为接地。小信号通过串电点进入9LCD母线，并通过人为制造的接地电阻形成电流通路，只有串电支路有接地电流流过。在9LCD的下游负荷查找该小信号，当查到串电支路时，进入CT钳子的接地电流经过信号处理和CPU计算等环节后，便携式绝缘检测仪发出接地告警信号，串电故障的查找方法如图7所示。

图7 直流两段母线串电故障查找

运用上述方法定位到串电支路后，对该支路的下游负荷接线进行检查，发现1LCA和9LCD系统的一段机架小母排安装不规范，导致1LCA母线的正极和9LCD母线的负极碰到了一起导致串电，对母排位置进行调整后，两段母线的绝缘故障报警均得以消除。

4 结束语

两个直流系统母线正负极串电由于没有真实的接地故障点，采用常规方法很难定位到串电点，给故障查找带来很大的困难。虽然没有发生真实的接地故障或负荷绝缘降低，但串电后将导致母线正负极电压不平衡，从而增加由于一点接地导致继电保护误动作的风险，在日常维护中，应注意杜绝不同直流系统混接的现象发生。以上分析了直流两段母线正负极串电后导致绝缘报警的原因以及串电后的危害，并通过一个查找案例，介绍了直流系统串电后对串电位置的查找方法，为类似故障的处理提供了一种解决思路和处理方法。