魏彥勛，陳景榮，邱立偉，胡釗

（中核核電運行管理有限公司，浙江　嘉興　314300）

?

直流系統(tǒng)接地假象原因分析及處理

魏彥勛，陳景榮，邱立偉，胡釗

（中核核電運行管理有限公司，浙江嘉興314300）

〔摘 要〕介紹了某核電廠650MW級機組一起直流系統(tǒng)出現(xiàn)的接地假象，并就此展開詳細分析，從直流系統(tǒng)的工作特點以及工作要求、配電柜信號回路常見設(shè)計方案方面分析了導(dǎo)致故障的原因，并提出了解決方案和防范措施。

〔關(guān)鍵詞〕核電廠；直流系統(tǒng)；寄生回路；接地假象

0　引言

由于直流系統(tǒng)具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和抗電磁干擾特性，各發(fā)電廠、變電站廣泛采用直流電源作為廠、站的操作電源和信號電源，為安全自動裝置、一次設(shè)備控制回路、聲光報警回路、通信裝置等重要負荷提供電源。隨著電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展，廠、站控制系統(tǒng)和信號系統(tǒng)也日漸復(fù)雜，同一設(shè)備上可能存在2種或者更多電壓等級的直流系統(tǒng)，有的甚至還有交流電源摻雜其中。在這個復(fù)雜的系統(tǒng)中，有些廠、站調(diào)試期間遺留的缺陷在滿足故障顯現(xiàn)的特定條件下，便會觸發(fā)相應(yīng)的報警回路，影響系統(tǒng)的正常運行。

1　故障現(xiàn)象

2015-06-10T09：18，操作人員按照主控制室要求，斷開網(wǎng)控樓1號變壓器0.4kV低壓側(cè)出線開關(guān)0LKR001JA，隨后斷開其高壓側(cè)6kV開關(guān)1LGA116JA，并將其拉出置于隔離位置（但并未拔下開關(guān)的二次插接件）。隨后網(wǎng)控樓110V DC配電盤0LBM001AR內(nèi)直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測儀報系統(tǒng)正極接地，正極對地電壓由+55V降為+23V，網(wǎng)控樓XXS-400閃光報警裝置內(nèi)部直流接地監(jiān)測裝置報直流24V負極接地。1號變壓器接線如圖1所示。

2　檢查處理

網(wǎng)控樓1號變壓器6kV開關(guān)控制電源取自1LBR110VDC直流配電盤；0.4kV側(cè)開關(guān)控制電源取自0LBM110VDC直流配電盤；閃光報警裝置主電源也取自0LBM110VDC直流配電盤，其內(nèi)部裝備DC/DC裝置，將電源降為24V DC用以監(jiān)測報警接點。1LBR和0LBM直流配電盤均配置WZJD-6A微機型直流系統(tǒng)接地監(jiān)測儀，24V DC直流系統(tǒng)由閃光報警裝置XXS-4050功率電源組件進行接地監(jiān)測，0LBM直流系統(tǒng)如圖2所示。

圖1　1號變壓器接線

故障發(fā)生后，對0LBM 110V DC直流配電盤進行全面檢查，未發(fā)現(xiàn)接地故障點。注意到閃光報警裝置內(nèi)24V直流電源也有接地告警，懷疑是寄生回路導(dǎo)致直流串電觸發(fā)了接地告警。隨即展開分析排查，發(fā)現(xiàn)當(dāng)斷開1號廠變0LKR001JA二次小室內(nèi)某電纜時，接地告警消失，故由此鎖定故障點。進一步查得該電纜來自廠變高壓側(cè)6kV開關(guān)1LGA116JA的1對無源觸點，但在0LKR001JA二次小室內(nèi)將該電纜隔離后，該電纜仍有+13V DC的電源，由此可以斷定此次直流接地告警是寄生回路造成110V DC與24V DC串電而導(dǎo)致的。

圖2　直流系統(tǒng)示意

檢查1LGA116JA二次小室，其內(nèi)部有5路來自不同直流系統(tǒng)的直流電源和1路交流電源，部分端子接線如圖3所示。圖3中A路直流為1LGA116JA的110V DC控制、指示電源，B路直流為110V DC網(wǎng)控樓0LKR001JA直流控制電源，C路直流為核電主控48 V DC報警電源，E路直流為網(wǎng)控樓24V DC閃光報警電源。按照規(guī)定，這些不同的電源系統(tǒng)之間不允許存在交點，但由于系統(tǒng)復(fù)雜、接線紊亂，導(dǎo)致調(diào)試期間遺留了1個交點（2號端子與3號端子之間的短接片）。雖然系統(tǒng)在調(diào)試時試驗合格，但是在特定的工況下，寄生回路會將B路直流110V DC與E路直流24V DC連接在一起，進而觸發(fā)直流接地告警（見圖3云線）。

現(xiàn)場確認故障后，取消2，3號端子之間的短接片，消除2路直流電源間的寄生回路，接地告警消失。經(jīng)驗證，取消短接片后原設(shè)計邏輯不變。

3　原因分析

圖3　開關(guān)二次小室部分端子接線

B路直流110V DC為網(wǎng)控樓1號廠變低壓側(cè)開關(guān)0LKR001JA直流控制電源，接有高壓側(cè)1LGA116JA開關(guān)輔助位置觸點，當(dāng)高壓開關(guān)斷開時，輔助位置觸點閉合，用以聯(lián)跳低壓側(cè)0.4kV 0LKR001JA開關(guān)。E路直流是網(wǎng)控樓24V DC閃光報警電源，接有1LGA116JA開關(guān)綜合報警繼電器的常閉觸點。該繼電器在開關(guān)正常情況下始終得電（電源由A路直流供應(yīng)），其常閉觸點斷開；一旦該開關(guān)出現(xiàn)異常，如開關(guān)保護裝置動作、開關(guān)6kV熔斷器熔斷、控制電源失去、指示電源失去、開關(guān)不在工作位置或開關(guān)處于手動操作模式等，則報警繼電器失電，常閉觸點閉合，進而向網(wǎng)控室發(fā)送報警，以提醒值班人員關(guān)注運行工況，準(zhǔn)備切換網(wǎng)控室工作電源。

在正常情況下，1LGA116JA開關(guān)合位，報警繼電器始終得電，報警接點斷開，E路直流24V DC被截在開關(guān)端子排以外，不會與B路直流串接。但由于1-2-3-4端子聯(lián)片及E路電源始終存在，一旦出現(xiàn)B路直流正常工作，且1LGA116JA報警繼電器失電的工況，就會將B路與E路電源串接。

直流系統(tǒng)相對于“大地”其實是一個懸空的電源，對地本不存在電位，但是由于直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測儀的存在，使得直流系統(tǒng)正、負極對地存在電壓，且在理想情況下正、負極電壓的絕對值相等，絕對值之和為直流系統(tǒng)的額定電壓值。以110V DC系統(tǒng)為例，系統(tǒng)接入絕緣監(jiān)測儀后正極對地電位為+55V DC，負極對地電位為-55V DC。

電橋式絕緣監(jiān)測裝置的工作原理主要有2種：乒乓切換式原理（見圖4）和平衡電橋式原理（見圖5）。在直流系統(tǒng)中，直流母線對地的絕緣電阻分為母線正極對地絕緣電阻R+與母線負極對地絕緣電阻R-。乒乓切換式原理的絕緣監(jiān)測裝置通過測得E點和V點電壓，不斷求解2個不同的接地回路方程，實時計算回路接地電阻值，達到設(shè)定值便發(fā)相應(yīng)的接地告警。平衡電橋式原理的絕緣監(jiān)測裝置則通過檢測流過電流表的電流大小和方向，判斷系統(tǒng)是否存在接地故障。

圖4　乒乓切換式原理

對于采用乒乓切換式原理的接地監(jiān)測儀，由于儀器本身接地點的存在，一旦2個回路有連通，勢必影響母線對地電壓，從而影響測量點電壓并最終影響計算結(jié)果，觸發(fā)告警。

對于采用平衡電橋式原理的絕緣監(jiān)測儀，因每個獨立的直流電源系統(tǒng)都有自己監(jiān)測儀的接地點，當(dāng)2個原本獨立的直流電源系統(tǒng)存在1點直接相連或經(jīng)過1個電阻相連時，就會讓2個直流電源系統(tǒng)通過絕緣監(jiān)測儀的接地點形成一個環(huán)路。如果2個直流電源系統(tǒng)的壓差足夠大，則環(huán)路上的電流就足以驅(qū)動電流表進而動作告警，如圖6所示。圖6表示110V DC正極與24V DC負極直接相連（端子2-3之間存在寄生連接片）的異常情況。

圖5　平衡電橋式原理

圖6　2個直流電源系統(tǒng)形成的環(huán)路

圖6的等效原理圖如圖7所示。根據(jù)疊加原理，110V DC負極A點電位為：UA=-I×R=-（I1+I2）×R。

令r=XR，X為2臺直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測儀內(nèi)部匹配電阻之比，則有：

顯然，UA∈（-110，-67），即2臺直流絕緣監(jiān)測儀內(nèi)部匹配電阻的比值影響點的電位。但是，即便當(dāng)X≈+∞時使得UA等于-67V，不至于觸發(fā)110V DC系統(tǒng)直流接地告警，也會因為系統(tǒng)將D點電位置為+43V DC（D點為24V DC系統(tǒng)負極，其電位UD=UA+110=-67+110=43V DC，而其正常電位應(yīng)為-12V DC）而觸發(fā)24V DC系統(tǒng)的絕緣告警。

以上計算是基于110V DC正極與24V DC負極因某種原因存在交聯(lián)點，當(dāng)110V DC負極與24V DC負極存在交聯(lián)點的狀況時，如上分析可得110V DC負極對地電壓：

所以110V DC負極對地電壓取值范圍為（-110，-43），這樣即便X≈4.58使得110V DC負極對地電壓等于-55V DC而不會告警，也會因為本應(yīng)為+12V DC的24V DC正極電位變?yōu)?31V DC而觸發(fā)24V DC系統(tǒng)的絕緣告警。其他情況均可做類似分析。

本次故障110V DC系統(tǒng)報正極接地，測得正對地電壓為+23V DC，負對地電壓為-95V DC；24V DC系統(tǒng)報負極接地，測得正對地電壓+49V DC，負對地電壓+23V DC。查得110V DC系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置匹配電阻為120KΩ，24V DC系統(tǒng)匹配電阻為30KΩ，即X=30 K/120 K=0.25，所以理想計算情況下110V DC負極對地電壓應(yīng)為：-｛67+43/［（30/120）+1］｝，即-101.4V DC，110V DC正極對地電壓應(yīng)為8.6V（-101.4+110），24V DC負對地電壓為8.6V（等于110V DC正極對地電壓），24V DC正對地電壓為32.6V（8.6+24）?？紤]到回路接觸電阻、現(xiàn)場直流電壓略高（110V DC系統(tǒng)實際運行電壓為120V左右）以及直流系統(tǒng)正、負極對地電壓不平衡等影響，理論計算值與實際測量值基本相符。

4　防范措施

圖7　圖6的等效原理

（1）慎用信號公共端。早期每個開關(guān)柜的控制系統(tǒng)都是單一的，如果采用1個公共端，就會大大減少外送電纜，達到簡化接線、節(jié)約成本的目的。但是在核電廠中，每一個開關(guān)柜都可能需要向多個控制系統(tǒng)輸送信號，如核電主控室、開關(guān)站控制室、DCS控制系統(tǒng)等，而這些控制系統(tǒng)的電源又是相對獨立的，這樣多個電源的存在就會給寄生回路以有利的生存條件。隨著電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展，其他發(fā)電廠、變電站也會面臨這樣的問題。為從根本上避免此類事件發(fā)生，需要廠家、設(shè)計院和用戶3方加強溝通，確保設(shè)備送往不同系統(tǒng)的信號不存在公共端，或者采用方便用戶個性定制的短接片。

（2）修改系統(tǒng)接線、圖紙并及時向設(shè)計院反饋。設(shè)計院修改設(shè)計相關(guān)系統(tǒng)時會依據(jù)原始設(shè)計文件，但各廠、站在使用設(shè)備時往往會做一些調(diào)整，這些調(diào)整如不能及時反饋給設(shè)計部門，就會使得設(shè)計院設(shè)計輸入有誤，進而導(dǎo)致設(shè)計院做出不恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計。

（3）掌握直流系統(tǒng)運行、維護要點。

① 1套直流系統(tǒng)只配置1臺接地監(jiān)測儀，如確需配置多臺，應(yīng)設(shè)置監(jiān)測模式為1主1從或者1主多從方式，避免多臺監(jiān)測儀同時運行誤發(fā)報警。

② 對于復(fù)雜控制系統(tǒng)，應(yīng)在端子排處或其他屏柜端子箱處將交、直流信號做明顯的標(biāo)識。

③ 設(shè)備二次回路驗收、調(diào)試時要嚴格把關(guān)，制定調(diào)試方案時要考慮各種運行工況以及操作方式，確保系統(tǒng)在各種運行工況下都可穩(wěn)定運行。

④ 將日常巡檢做細做全，設(shè)備定期維護時應(yīng)按規(guī)定測量回路絕緣；加強與運行操作人員的溝通，及時取得故障前后設(shè)備的操作信息，以便分析處理故障。

收稿日期：2015-12-20。

作者簡介：

魏彥勛（1986-），男，助理工程師，主要從事核電廠繼電保護檢修工作，email：weiyx@cnnp.com.cn。

陳景榮（1978-），男，高級工程師，主要從事核電廠電氣檢修管理工作。

邱立偉（1983-），男，工程師，主要從事核電廠繼電保護檢修工作。

胡釗（1987-），男，助理工程師，主要從事核電廠低壓電氣檢修工作。