核电厂直流系统绝缘监测装置的改进研究

尚 强

（中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴 314300）

0 引言

直流系统作为电力系统和通信系统中自动控制、继电保护和信号装置的供电电源，其工作状况的好坏直接影响到电力和通信系统的安全稳定运行[1,2]。由于绝缘破损等造成的直流接地是直流系统最为常见的故障，必须立即查找出故障点予以排除，否则容易造成负载装置的误动作，引发重大事故，造成重大的经济损失[3,4]。因此，对直流系统的绝缘状态进行在线监测具有重要的意义。

核电厂直流系统绝缘监测仪主要用于直流回路及220V交流回路的绝缘故障检测。如果发生绝缘故障，极可能发生线路的短路故障，从而导致馈线断路器跳闸，负载失电；对于核岛，如LBA、LNE 等核安全相关系统尤为重要，极可能造成核安全事故。

某电厂1 号机组主控室出现“1LCA015KA 接地故障报警—危急”，现场检查发现绝缘监测仪显示的报警支路均为下游1KCP 机柜，经过绝缘监测仪的支路巡检发现，1LCA系统下游1KCP 机柜的支路（一共涉及15 个KCP 机柜）绝缘值始终处于波动之中。

针对以上出现的问题，对现有直流系统绝缘监测装置技术缺点提出了改进措施，支路绝缘监测采用程控放大及分频滤波法，有效地解决电源双路环供设计及电容滤波的影响，消除了接地故障的漏报和误报问题，并完善了直流系统绝缘监测装置的功能。

1 微机绝缘监测装置技术原理

直流系统是一个多段多级母线联合供电的多分支网络，因此装置一般采用母线绝缘监测与支路绝缘监测相结合方式[5,6]。母线绝缘监测有平衡电桥和开关电阻两种方法[7,8]，支路绝缘监测最常用的两种方法为交流小信号注入法[9,10]和直流漏电流测量法[11,12]。下面介绍核电厂常用的基于信号注入技术的支路巡线原理。

超低频信号发生器产生4Hz 的超低频信号，由母线对地注入直流系统。电流传感器安装在支路回路上，当支路回路上有电阻与电容接地时，超低频信号电流经支路回路、接地电阻与接地电容形成电流回路，装在支路上的电流传感器上产生感应电流。感应电流的大小与接地电阻和接地电容构成的阻抗成反比，电抗越小，电流传感器所产生的感应电流越大。由于所要求的是支路接地电阻值，而电流互感器中的感应电流所对应的是接地电阻与接地电容相并联的电抗值。为了求得支路回路中的接地电阻，感应电流经放大、带通滤波后进入相位检波器，在相位检波器中与来自超低频信号源的同步信号进行相位比较与检波。如果是纯电阻，其相位差为零，则相位检波器所输出的波形为全波整流波形，其电阻值对应全波整流波形的平均值；如果既有电阻接地，又有电容接地，则感应信号与同步信号有相位差，相位检波器输出的波形不是全波整流波形，而是有正有负的非正弦的脉冲波形，正负波形差值的平均值对应支路回路的接地电阻值。利用上述方法，从而克服了接地电容对测量接地电阻值的影响。

但由于电路元器件参数的变化，会引起信号相位的变化，此相位变化称为相位漂移，相位漂移会引起测量精度变差。特别是较大电容与较大电阻同时接地时，测量精度较差。因此，仪器支路检测电阻范围为0 KΩ ～25 KΩ，所允许的接地电容范围为0μF ～30μF。在上述范围内，可确保测量精度。

2 负荷支路绝缘波动报警机理分析及验证

图1 支路电阻值波动分析简图Fig.1 Analysis diagram of branch resistance fluctuation

直流母线正、负对地电阻同时进行实时检测，如果检测到直流母线正、负对地电阻其中有一极或两极同时低于设备设定的门限值时，绝缘监测仪主机发直流绝缘告警。绝缘监测仪发出报警后，主机停止对直流母线正、负对地电阻检测，从而启动支路巡查功能，支路巡检中如有发现支路接地阻值低于接地设定门限值时，主机发出支路接地报警并同时巡检，直到最后一条支路。支路巡检完后，低于接地门限值的回路则被列为存在接地报警的支路，而由于现场1KCP 机柜负荷支路的多条支路存在显示绝缘阻值5 KΩ ～99.9 KΩ 不断变动，所以这些支路均被列为存在接地报警的支路。

1LCA 系统报警过程中发现，被查出来的6 条支路均为正极通过高通二极管、负极直接并接的双电源供电回路，都存在单电源双路环供现象，经过对该接线原理的分析发现：在单电源双路环供，会造成P+支路正极的电流流出，与P-同支路电流不相等，而支路绝缘监测就是监测正负母馈线对地漏电流原理，而在支路1 与支路2 形成环路时，就会出现非平衡电流流动。当正负极流出和流入的电流差距越大，则绝缘检测仪显示的绝缘阻值越低，随着电流的波动导致的绝缘监测仪显示的支路电阻阻值不良，且始终处于波动之中。如图1 所示。

从图1 直流系统支路供电方案中可以看出，为了提高支路供电的可靠性，通常设计会采用双供电方案，该方案在提高负载供电可靠性的时候，会增加支路绝缘检测的难度。因直流漏电流法检测仪采用的都是微小电流传感器，而采用双支路供电方案时，两条支路中每一条支路都会存在较大差流，该差流远大于传感器的量程，从而导致微机绝缘监测告警。

现场选1KCP567TB 进行断电试验验证，在断开1KCP567TB 内所有开关，实现1KCP567TB 和1KCP568TB的负极不并联时，1KCP567TB 和1KCP568TB 的支路绝缘显示由断电前的不断波动变为一致显示99.9KΩ，从而验证了绝缘监测仪上显示的1KCP 机柜支路绝缘电阻值波动并非真实绝缘阻值的波动，绝缘监测仪显示的母线绝缘良好（100KΩ 左右）为真实情况。

综上分析，直流漏电流检测原理对双支路供电方案中存在弊端，无法真实反映支路绝缘值，干扰值明显大于漏电流检测真实值，同时对直流系统安全运行造成严重影响。

图2 接地检测模块原理方框图Fig.2 Diagram of the principle of the ground detection module

图3 数字程控放大电路设计Fig.3 Digital program-controlled amplification circuit design

支路绝缘波动对直流系统造成的影响主要有3 点：1）根据负荷支路绝缘波动报警机理，只有在母线绝缘报警后，绝缘监测仪才能启动支路绝缘巡检功能。因此，支路绝缘波动情况未被察觉而埋下隐患；2）支路绝缘误报占用报警通道，这些存在波动的支路真实发生绝缘接地或异常时无法被定位出来；3）支路绝缘波动异常报警，造成检修人员对故障点排查难度增大且收效甚微，直接危及到直流系统及下游负荷的运行安全。因此，有必要采用低频交流法检测绝缘接地，该技术适用于双支路供电方式，但其支路互感器中同时存在有效低频信号和高频干扰信号，需要通过滤波去除干扰信号。

3 技术方案

设计一种核电厂用直流系统支路接地检测模块，包括：输入通道选择电路、前级放大电路、带通滤波电路、后级放大电路、电平转换电路、微处理器和通信接口。当监控主机检测到母线产生接地故障，并向母线注入4Hz 低频正弦电压信号后，模块依次检测每一个通道上的互感器信号。因互感器内部串接有电阻，其输出信号为电压信号，多路选择开关电路，选择其中一条支路的互感器信号，该信号首先进入前级放大电路，前级放大电路放大倍数由数字电位器控制，用于适配不同量程的电流互感器；前级放大器输出信号进入带通滤波器，带通滤波器由6 阶低通滤波器和2 阶高通滤波器组成。带通滤波器输出信号进入后级放大器，后级放大器增益系数由数字电位器控制，其主要作用是将不同幅值的输入信号放大不同的倍数，使不同输入信号均能输出较大幅值。后级放大器处理后的信号经过电压转换电路，将正负5V 的模拟信号转换至0V ～3.3V 的模拟信号，满足ADC 转换输入电压的要求。

模块对选定通道的信号，首先进行前级放大和带通滤波，并将信号通过后级程控放大电路放大至较大幅值，最后通过电压转换电路，将±5V 的信号转换成0V ～3.3V量程的信号，并输入单片机ADC 通道。

在单片机中，以1024Hz 的采样率对该通道进行数据转换，转换后的数据以每秒1 次的频率进行FFT 计算，并结合同步信号，可以计算出4Hz 频率分量中实部和虚部的幅值。其中，实部和虚部的幅值分别对应接地电阻和接地电容产生的漏电流分量，并根据实部和虚部电流幅值和注入信号电压，计算出接地电阻值和电容等效接地容抗，并根据公式计算出接地电阻值。

电容产生的等效电阻计算公式如下：

Xc 为电容等效容抗，单位：Ω。

f 为交流信号频率，单位：Hz。

C 为电容，单位：F。

在注入信号频率为4Hz 时，1uF 对地电容等效于39.79K 电阻。

4 装置的硬件优化设计

模块主要增加了数字程控放大功能，并优化了带通滤波器的电路设计。

4.1 数字程控放大电路设计

程控放大电路由运放和数字电位器组成，数字电位器采用100K 量程，256 抽头的MCP41100，通过SPI 接口控制其抽头位置，实现放大倍数控制。

4.2 带通滤波器设计

带通滤波器由6 阶低通和2 阶高通组成，主要用于滤除高频率干扰。

5 装置的软件优化设计

5.1 母线绝缘监测

装置在母线绝缘监测上增加了一些优化，母线对地电压采用多次采样和数字滤波，判断电压稳定后再进行母线绝缘值计算。同于采样和计算母线绝缘值需要一定的时间，如果在计算过程中，母线绝缘发生改变，可能会引起计算结果的不准确。因此，将母线绝缘值报警输出由原先的1次计算，修改为2 次计算，提高绝缘报警的准确率。

图4 带通滤波器电路设计Fig.4 Band-pass filter circuit design

5.2 故障支路接地电阻的计算

支路互感器信号在经过带通滤波和FFT 变换后，已经滤除了绝大多数的干扰，但也不能排除4Hz 信号存在波动或不稳定的可能性。因此，对FFT 计算得出的电阻和电容值，也经过一定的数字滤波，主要体现在去除波动极值和求平均值的方法，使得计算结果相对稳定。

6 装置的测试及分析

图5 为7A 模块CH39 无接地模拟滤波信号，其峰峰值在80mV 级别，主要频率集中在低频区。

图6 左边2 幅图是小抽屉20K 接地实验，右图是逆变支路15K 接地实验。

通过对左边两幅图片数据的分析，可以看到，当支路不存在干扰和对地电容时，计算结果非常稳定。

通过对右图数据的分析，逆变器存在6uF 对地电容，相当于7K 电阻，计算得到的15K 接地电阻相对稳定。这个结果相对于之前模块，已有很大地改善。

7 结束语

通过对核岛直流系统微机绝缘监测装置的设计优化与改进，彻底解决单电源双路环供由于差流导致的绝缘监测仪危急报警问题，绝缘监测仪工作的稳定性得到显著提高。同时，直流接地故障点查找作为核电厂重要紧急工作，需要立即响应查找，非常耗费人力，该技术的应用解决了长期困扰一线检修人员在抢修过程中经常定位不到故障点的问题，对减低维护成本、节能减排、促进安全生产，有着一定的推动作用。

图5 7A模块CH39无接地模拟滤波(200MS/DIV)Fig.5 7A module CH39 groundless analog filtering (200MS/DIV)

图6 7A模块CH41接地21K数字滤波AC档Fig.6 7A module CH41 Ground 21K digital filter AC

经对国内同行电厂调研，目前采用的接地检测技术在国内为首次应用，新接地检测模块相较于原装置，在采样速度、精度、灵敏度及抗干扰等性能指标均有很大的提升，所有通道的采样时间已缩短到35s 以内，同时解决了所有采用相控整流原理充电器的双支路供电差流而导致绝缘报警问题。

该项目作为集团自主研发课题，其成功应用为同行核电厂提供实践借鉴及经验参考，项目主要技术参数指标达到国内领先，对降低投资成本、节能减排、建设生态文明，实现经济可持续发展有着重要的推动作用，并具有一定的推广价值。