核电厂直流系统接地故障查找与运行风险分析

王梓宇

【摘 要】直流接地是直流电力系统最常见的故障之一。直流系统负荷涉及面广、接线回路复杂，导致了接地故障的查找和处理十分困难。本文阐述了接地故障发生的原因，针对核电厂的特殊性对常见的查找接地方法进行了适用性分析，并结合作者自己查找故障的经验和历史检修方案，提出了适用于核电厂的故障查找方法。最后分析了故障不能处理的情况下对核电厂潜在的风险，并提出改进措施以供探讨。

【关键字】直流接地;故障查找;适用性;运行风险

中图分类号： TM623 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）03-0220-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.03.093

Look for Grounding Fault and Risk Analysis in Nuclear Power Plant's Direct Current Supply System

WANG Zi-yu

（Operation Dpartment 1，CNNO，Haiyan Zhejiang 314300，China）

【Abstract】Direct current grounding is one of the most common fault happens in DC power supply system.In nuclear power plant，direct current distribute to virous loads by complex conection loops，which makes locating and handing DC fault very difficult.In this paper，the author try to summarize reasons cause DC grounding faults happen in Nuclear plant.Considering nuclear safety，discuss of applicability the common ways to locate the fault.According to the authors experience in looking for DC fault and overhaul program used before，a useable way to locate DC grounding fault is given.Farther more，when DC grounding fault can not be handled，analyse of nuclear safety risk and a measure to improve the reliability of DC supply system has been mentioned.

【Key words】Direct current grounding;Looking for DC fault;Applicability;Nuclear safety risk

0 概述

秦山320MWe核電机组直流电力系统在电厂正常运行及应急工况下，向重要设备的控制、保护、信号、仪表和动力单元或系统提供直流电源。该系统由1E级220V直流电力系统、1E级24V直流电力系统和非1E级220V直流电力系统三个部分组成，各系统分别向以下负荷提供直流电源;

1E级220V直流电力系统：

（1）6KV安全母线开关柜、380V交流动力中心控制电源;

（2）应急柴油发电机系统控制仪表;

（3）重要仪表段备用电源;

（4）电气厂房事故照明;

1E级24V直流电力系统：

（1）专设安全设施继电器屏;

（2）仪表继电器屏;

（3）火灾报警装置;

非1E级220V直流电力系统：

（1）汽轮发电机辅助设备;

（2）二回路系统的开关、控制设备和断路器;

1E级直流系统在核电厂中为控制、信号、保护、自动装置及事故照明等提供可靠的直流电源，承担了核电厂的安全功能。非1E级直流系统它不仅向汽轮机辅助设备供电，还为电气操作、保护提供可靠的操作电源。直流系统通过二次设备的得、失电，实现了核电厂安全相关或重要设备的控制、自动动作和保护功能，是保证核电厂安全稳定运行的“神经系统”。因此，直流系统可靠与否，对核电厂的安全稳定运行起着至关重要的作用。但是，由于设备质量、运行维护以及设备老化、可靠性降低等种种原因，直流系统故障时有发生。其中，接地故障是直流系统中发生几率最大且较难以查找、消除的故障。

1 直流系统接地及原因分析

1.1 直流系统接地

直流电源为带极性的电源，即电源的正极和负极。直流电源的“地”对直流电路来讲仅仅是个中性点的概念。如果直流电源系统正极或负极对地间的绝缘电阻值降低至某一定值，或者低于系统正常运行的某一范围，这时我们称该直流系统有正极接地或负极接地。

1.2 接地故障的分类

核电厂由直流系统供电的负荷较多，接线回路比较复杂。按接地极性可分为正极接地和负极接地;按接地种类可分为金属性接地和非金属性接地;按接地的情况可分为一点接地和两点（多点）接地。

1.3 接地故障原因分析

直流系统是个不间断工作，长期带电的系统，接线支路很多，负荷涉及面广。会因设备工作环境、老化等引起电缆和接线端子、元器件老化损坏等问题，引起绝缘水平降低。具体主要体现在以下几方面原因：

（1）直流回路在运行中常受到多种不利因素的影响而造成接地。如设备运行中的机械振动、设备缺陷、绝缘材料不合格、绝缘性能低、绝缘材料老化等均可引起接地或成为接地隐患;一般来说，电厂投运时间越长，其接地的概率也越高;

（2）气候因素造成接地也比较常见。中核运行320MWe机组所处的地理位置长年较潮湿，夏季多雷雨天气。二次回路及设备容易受潮，配电箱进水受潮风险较高，且有大量设备处于户外，可能导致直流系统绝缘降低，造成直流接地故障;

（3）工作人员人因失误造成接地。在带电二次回路上工作，带电线缆误碰设备金属外壳，但此种情况多为瞬时接地;另外，检修质量差也会留下接地隐患，如现场遗留工具材料、电缆绝缘外皮损伤等，这种情况接地报警可能不会立即发出，但在操作设备或潮湿的情况下可能引起接地。

2 接地故障的定位与查找

直流系统接地故障中，较为常见的是一点接地，虽不直接产生危害，但如果系统中另外一点再发生接地时，则构成两点接地短路。根据设备二次回路接线的方式，将有可能造成继电保护、自动控制装置误动或者拒动，严重时可能导致直流熔丝熔断，进而发生失去保护和控制电源，潜在风险极高。因此，当直流系统发生接地故障或异常时应尽快查找故障点，及时恢复直流系统的正常运行。

2.1 接地故障常见查找方法

（1）分网法：直流系统有两段及以上的母线，各段母线都有直流电源时，可以拉开母线分段刀闸，依靠绝缘监测装置检查故障在哪一段母线范围内，然后再对有故障的范围进行查找。我厂一回路直流正常运行方式分段闸刀为断开，该方法仅适用于大修期间硅整流器停运维护时，适用条件比较局限;二回路直流I、II段由同一台硅整流器供电，虽可以采用分网法切换至备用电源一回路直流B母供电，但在故障范围没有查清之前有将接地故障扩大至1E级直流系统的潜在风险;

（2）瞬停法：对直流母线上的非重要设备的馈电分路，可用该方法。依次短时断开这些支路（一般不超过3秒），若断开某一支路时，接地信号消失，测正、负对地电压恢复正常，则接地故障点就在此支路范围内。但核电厂直流系统设计为直流电源段下的多个直流小母线向同类设备供电（如6KV安全II段全部开关柜的控制电源均来自一回路直流B母下的同一条直流小母线），短时停电仅能确定某一类设备有接地，并不能找出具体的故障位置。而且，核电厂设备间联锁多，设备短时停电的风险难以识别，该方法风险较高，机组运行期间不适用;

（3）转移负荷法：将故障所在母线上的较重要分路，依次转移切换到另一段直流母线上，监视“直流母线接地”信号是否消失，正、负对地电压是否恢复正常，查出接地点在哪个分路。核电厂1E级电力系统设计上要求A、B两个通道独立且可运行，如果采取转移负荷的方法则破坏了通道的独立性，导致主动进入技术规格书;

因此，上述方法仅仅适用于常规电厂、变电站等大规模使用直流供电系统的设施。对于核电厂，由于保证核安全的要求，上述方法均有一定的局限性。

2.2 我厂常用的故障查找方法

2.2.1 报警信息初步判断

我厂三个部分直流系统均设有不同型号的绝缘监测装置，该装置在绝缘电阻下降至整定值后自动发出报警信号，操纵员可根据报警信息对故障作出初步判断，下面结合本人在当班期间碰到的两次直流接地故障（报警信息见表2），谈谈自己的一点经验：

两次报警极其相似，首先都是由10#/11#屏绝缘监测装置发出的主控室CB-531“-220V母线接地（上）”报警;其次，均为正极接地。但仔细比较，能够发现有多个不同之处。如：（1）第一次故障绝缘值较低且两台装置记录的绝缘值相同，而第二次故障绝缘值则在较大范围内波动;（2）报警次数不一致，2014年4月的接地报警频繁出现，绝缘监测装置共记录了四次;③2013年的接地报警不可复位，后一次故障则多次报警后又自动消报。

第一次接地故障发生时，操纵员熟知CB-531的“-220V母线接地（上）”报警由安装于10#、11#屏绝缘监测装置发出，容易误认为10#、11#屏发生接地。因直流系统接线的特殊性（如图1，二回路220V直流图），可以将系统是视为由一个电源供电，多个负荷并联的回路，回路中任意一点发生接地，报警信息由哪一台绝缘监测装置发出取决于绝缘电阻的大小、报警定值和装置灵敏度。因此，不能凭报警信息发出的位置简单判断为该位置（或配电屏）发生接地。实际上本次故障由646开关传动引起，该开关的直流由二回路220V直流II段下6KV公用II段直流小母線供电，与10#、11#屏无直接关系。故障范围的缩小应首先考虑是否有电气设备二次回路的工作，简单的仅根据报警信息界定故障范围，不利于快速定位故障点，相反容易朝相反的方向去查找。

其次，比较两次故障中的不同点。第一次故障发生时，绝缘值较低且没有大幅波动，报警仅出现一次且无法消除，可以初步判断为有金属性的接地;第二次故障中，绝缘值不断变化，报警频繁出现又自行消除，可以排除金属直接接地的可能，故障可能由线缆绝缘下降、设备振动导致误碰接地点，甚至可能是绝缘监测装置自身发生故障或干扰。

2.2.2 绝缘监测装置接地追忆（定位接地回路）

我厂直流系统均设有检测绝缘状况的装置，可以测量母线电压、母线对地电压，在正或负极绝缘下降到一定数值时自动发出信号。绝缘监测装置型号虽然不同，但功能和原理均比较类似。以二回路220V直流Ⅰ/Ⅱ段（包括主控10#/11#屏）装设的华星HY-DC2000直流绝缘在线检测装置为例，它是集直流电压监测、直流绝缘检测及选线功能为一体的数字式直流绝缘在线监测装置。当系统发生接地时，装置自动产生低压、低频交流信号，经电容耦合平衡注入母线，流经接地故障馈线，并从接地点返回，从而检测是哪一条支路接地。装置可通过接地追忆，显示接地支路编号，并与母线上的负荷开关编号对应。

接地追忆记录了故障点接地电阻小于接地电阻定值（我厂设置为20K）时的接地事件的起始时间和结束时间、接地电阻值、接地线路序号、一母还是二母、正接地还是负接地的报告

该方法能够成功实现不停电、不倒负荷查找故障回路，但是准确程度仍然受制于二次回路的接线方式和直流系统分布电容的影响，尤其在非金属性直接接地故障中准确度往往不高。

2.2.3 修改绝缘检测装置接地电阻定值

直流系统发生非金属性接地时，接地电阻往往在较大范围内波动。绝缘监测装置可能多次报警或消报，往往也会记录到多个回路发生接地，无法确定故障回路。这时可以采取修改接地电阻定值的方法，以便报警信号能够持续发出，便于确认绝缘异常的支路。

2009-2-3，主控室直流10#/11#屏发直流接地报警，接地电阻显示在15KΩ-35KΩ之间。经分析，认为不是金属性直接接地，而是10#/11#屏内的某一支路存在对地绝缘电阻偏低的故障，且当天正值是阴雨天气。二回路直流绝缘监察装置的接地电阻的定值为低于20KΩ报警，该定值导致绝缘监测装置频繁报警又自行消报。为确认对地绝缘电阻有异常的支路，采取了将直流10#/11#屏的绝缘监察装置的接地电阻的定值临时修改为低于60KΩ报警的方法，以便报警信号能够持续发出，便于确认绝缘异常的支路。

2.3 小结

综上所述，可以归纳出以下方法：

（1）不能仅凭报警信息界定故障范围，应充分考虑直流系统接线的特殊性;

（2）可根据母线对地电压值、报警频度等判断出哪一极接地，是否为金属性接地;

（3）若为金属性接地，应优先考虑是否有二次回路的检修工作，是否有新设备投运;

（4）非金属性接地可利用绝缘监测装置接地追忆功能确定接地回路，可根据报警信息临时修改报警定值，使接地报警能够持续发出，便于确定故障回路。

3 接地故障运行风险分析

3.1 导致接地故障不能及时处理的原因

（1）上述方法仍不能准确找出接地点，必须轮停负荷查找故障点;

（2）不具备设备停役条件：一回路220V、24V直流的负荷多为安全相关设备、仪表的控制和保护电源，停运相应直流将直接导致一次设备不可用，进而受到技术规格书的限制;二回路直流系统又涉及220KV设备，一方面可能导致厂外电源不满足技术规格书要求，另一方面220KV设备的停运、缺陷处理需要省调的计划窗口;

（3）需要大范围停役直流供电系统，风险较高：即使故障点能准确定位，在处理故障时安措可能需要大范围停运直流供电回路，前文已说明核电厂的同类设备往往由一条直流小母线供电，该小母线不一定能满足单独停运的要求。直流小母线停运后，可能导致同类设备的开关、联络开关及部分负载无法操作，且电动保护功能被切除。

3.2 故障不能处理的运行风险

接地点不能准确定位，或者定位后又不具备处理的条件时，只能将故障留至合适的窗口（如：大修期间）处理，系统和设备将会一直处于接地故障中运行。

直流系统发生一点接地时，并没有严重的后果，但潜在的风险极高。如果系统中另外一点再发生接地时，则构成两点接地短路。而两点接地，除可能造成继电保护、信号、自动装置误动或拒动外，还可能造成直流熔丝熔断，使保护、控制回路失去电源。在继电保护回路中同极两点接地还可能将继电器或线圈短接，且使其不能正常得失电，不能动作跳闸，由失灵保护启动相应断路器跳闸，造成事故扩大。

（1）当发生直流正极接地时，可能会引起保护、自动控制误动。因为断路器的跳合闸线圈（继电器）一般与直流电源负极接通，如果在这些回路上在发生另一点直流接地，就可能引起误动，且误动后辅助触点一直处于短接状态，动作线圈处于得电状态将导致操纵员无法手动干预;

（2）直流负极接地，可能造成保护、自动控制拒动。因为断路器合闸及保护继电器在负极有两点接地的情况下，线圈将被短接而不能动作，且操纵员无法干预。同时，短路电流将烧毁熔丝，导致失去控制电源，断路器成为死开关，如果开关装设失灵保护将致使越级跳闸，造成故障扩大。

4 总结及探讨

直流系统负荷多，且长期处于带电状态导致了直流系统非常容易发生接地故障。而接地故障发生后，复杂的二次回路接线网络导致了故障难以查找和处理。本文在分析了常规查找接地方法的适用性后，结合了中核运行320MWe历史运行和检修经验，归纳了适用于核电厂直流系统的判断和查找接地故障方法，针对故障不能处理的情况分析了潜在的运行风险，并大胆提出了以下提高直流系统可靠性的设想，以供探讨：

（1）对二回路直流系统进行改造，在现有基础上增加一组蓄电池，2台硅整流器，每一段直流母线由一台硅整流器单独供电，另一台硅整流器备用，蓄电池处于浮充状态，使得发生接地时故障范围能够限制在一段直流母线内;两段母线之间增加联络线，并取消来自一回路直流B母的备用电源，杜绝了故障范围扩大至1E级直流系统的可能性;

（2）寻找合适的窗口（如大修或一次设备隔离期间）对与转动设备二次直流电缆相接触的支撑、固定部分进行绝缘处理：用电缆外皮、热缩套管等绝缘材料包裹在支架外层，防止因设备长期振动导致绝缘皮磨损引发间歇性接地;

（3）完善直流系统预维规程，例如：定期清扫直流设备;梅雨季节检查设备是否有受潮、绝缘下降现象;根据设备说明书制定设备更换频度等;

（4）提高检修作业水平，嚴防检修工作中误碰线缆，检修结束后工作现场清理干净，减少间歇性接地故障发生的几率。

【参考文献】

[1]秦山核电厂最终安全分析报告.

[2]HY-DC2000绝缘监测装置说明书.

[3]换料检修期间直流系统母线停运规程.

[4]主控室直流屏直流接地报警检修方案.