核电厂直流系统接地故障检测原理与实践

2015-07-26中科华核电技术研究院有限公司广东深圳518120

山东工业技术 2015年3期

关键词：信号源单点核电厂

　彭　飞（中科华核电技术研究院有限公司,广东　深圳518120）

核电厂直流系统接地故障检测原理与实践

彭飞
（中科华核电技术研究院有限公司,广东深圳518120）

本文介绍了核电厂直流电源系统的结构分布，对直流电源系统的接地故障模式开展了初步分析。针对核电厂直流电源系统特点，分析评述了直流接地故障的各种方法，最后介绍了目前中国广核集团各核电厂广泛采用的QDB-81行直流接地探测装置的使用方法。

核电厂;直流系统;接地;故障;检测

1　　核电厂直流系统概述

与交流供电系统主要承担电力输送、驱动执行机构动作等任务不同，核电厂的直流系统向继电器自动控制、监测设备、灯光报警装置、计算机逻辑信息采集回路、电磁阀和电动阀控制机构供电，还通过直流/交流逆变器向重要和永久220V交流系统供电，涉及核岛、常规岛、外围厂房几乎所有的控制保护系统以及继电保护系统，因此直流系统的正常运行对核电厂的安全稳定起着至关重要的作用。

典型的核电厂直流系统由以下几个部分构成：

（1）电源部分：蓄电池和充电装置

（2）供电网络：直流母线和母线到各个负载之间的连接线

（3）保护设备：过流保护用的保险或空气开关；接地保护用的接地告警装置

（4）负载：直流系统供电对象，如保护控制设备等

（5）其它：如接线端子、抗干扰电容或滤波电容等

2　直流接地故障原理及其危害

核电厂各工艺厂房内设备繁多、线路复杂，并且在机组日常运行及停机大修期间的预防性、纠正性维修和工程技术改造等工作量一直居高不下，所以由设备缺陷或人因失效而导致线路异常接地、短路在所难免，无法完全杜绝。

一旦发生接地故障，直流系统的运行便偏离了正常工作模式，必须立即定位故障点，在最短时间内将其消除，否则便会对机组运行产生重大风险。

以下对接地故障的基本模式进行分析，重点考察各种接地模式的形成机制及其对系统运行产生的风险。

2.1单点接地

单点接地是最简单也是最常见的直流系统接地故障。

由图1可知，如果D1点首先发生接地，因接地点没有其他回路构成通路，没有电流存在，此时并不影响设备的正常运行：电源仍能正常工作，负载的动作也不受影响，总之对系统影响不大，系统设备可以继续运行，但绝缘监测系统会在就地和向主控室发出报警信息。

2.2两点接地

单点接地一旦发生，如果专业人员对故障报警响应不及时，极有可能在接地电极的另一侧并发接地故障，这是接地故障的一种极端情况。如果发生故障的回路处在反应堆保护、汽轮机保护等重要系统，引发保护装置拒动，这就对核安全产生了最致命的危害，是极为严重的事故模式。

以48V直流系统LCA为例，当LCA001TB系统发生负荷两点接地短路故障时，将引起蓄电池充电器直流出线开关跳闸，LCA系统失电。一旦LCA母线失电，反应堆A列保护因丧失48VDC工作电源而直接引起反应堆紧急停机停堆。操纵员执行DEC事故规程，使反应堆安全后撤到双相中间停堆RRA连接条件的后备状态。

2.3多点接地

多点接地故障，一般指发生在同侧电极的多个接地点的叠加。

由于一点高阻接地没有达到报警值，而未能发现并处理，当第二、第三……高阻接地发生时，直流系统总的接地电阻逐步下降，最终低于整定值时，才触发接地报警。

多点高阻接地引起的接地报警，由于每条接地支路电阻均较高，单一接地点对系统接地总阻值的贡献不大，故障较为隐蔽，仪控专业人员处理起来较为棘手。

3　　直流接地故障检测原理

按照上节分析，当直流系统中一点接地，不会形成回路，所以不会使直流供电系统出线开关和继电器电源模块跳闸。但是，此时如果另一极又有一点接地，或者两个接地点在某个继电器的两端时，就会造成上游母线失电或者继电器失磁，引起控制或保护信号误动作，给电站安全运行带来不可预计的后果。

因此，核电厂是不允许直流系统长期带一点接地运行的，但是单点接地很难直接被发现：直流供电系统配置的绝缘监测盘在出现单点接地时，仅仅指示系统总的接地电阻值，并在总接地阻值低于整定值时才发出报警信号——该装置无法明确告知接地点的具体位置，仪控专业人员便开始面临“查绝缘”的技术难题。

3.1拉闸定位检测

实际上，在常规电厂和供电企业，定位直流系统故障点有许多行之有效的手段，例如对直流出线开关、各分支线路开关和电源板卡逐一断电、通电，确认各分支对总系统接地电阻值的贡献，即可迅速判断故障点所在。然而，在核电领域，多种系统设备跟核安全密切相关，按照核电安全法规要求不得随意退出运行。直流系统作为核电厂控制保护的神经中枢，必须做到无间断可靠供电，传统的拉闸定位法便失去了用武之地。

3.2在线式直流接地检测

当然，如果能将上一节描述的用于显示和监测一套直流系统总体绝缘性能的绝缘监测盘逐级“下放”，也就是在各出线开关、分支电路、供电板卡甚至所有最终负载上都安装电流传感器，再配备相应的总线电路，同样能直接判断出接地故障点的位置。但这样就不得不增加巨额硬件成本和安装调试工作，对追求经济效益的核能发电企业而言，此方案显然并非明智的选择。

3.3便携式直流接地检测

便携式直流接地检测器作为直流电源系统配备的标准绝缘监测盘的补充，能查找接地故障的具体位置，杜绝采用拉闸、解端子、摇绝缘查找接地的老办法，使仪控专业人员能够快速定位并处理故障点，及早排除故障隐患，避免出现多个接地故障引起严重的后果，提高系统的安全运行水平。

便携式直流接地检测器的基本工作原理是在接地母线或接地分支线上与大地之间施加一个超低频信号（避免对保护、控制设备产生影响），其测试电流沿着接地点方向流动，用连接在手持便携式探测仪上的钳子，顺着电流方向查找，当该电流突然消失的地方即为接地点。

4　QDB-81直流接地探测器的使用

广东核电早期应用的便携式接地故障探测仪是法马通FRAMATOME和阿尔斯通ALSTOM提供的与电厂直流供电系统相配套的接地故障探测仪。由于其较低的灵敏度并且内部元件严重老化，查找定位接地故障的效率始终较低，尤其是对于多点高阻接地故障几乎是无能为力。为了解决这一困难，广东核电工程技术人员和广州仟顺公司已经携手合作十余年，先后开发研制了ZJ3S、QDB-51、QDB-81等系列产品直流接地故障探测设备，解决了困扰核电厂仪控专业人员多年的技术难题，为核电机组争创世界一流做出了卓越贡献。

下面以最新型号QDB-81为例，说明该系列直流接地探测器的使用方法。

（1）确认信号源QDB-81面板电源开关在OFF位置；

（2）将测试导线的公共端插入信号源的插座上，红色导线接直流系统的正极，黑色导线接负极，黄色导线接大地；

（3）打开信号源QDB-81电源；

（4）等信号源左边“请查找接地”灯亮后，打开手持器QDB-82电源，将手持器置于信号源正上方1米内，当手持器接收到信号源发出的有关直流系统的阻抗与容抗后，显示在手持器上；

（5）按一下手持器“测试按键”，手持器显示屏第一行显示接地总电流。

（6）开始查找接地支路，用连接在手持便携式探测仪上的钳子，顺着电流方向查找，当该电流突然消失的地方就是接地故障点。