一種新型核電廠DCS直流接地故障查找模擬系統的設計

劉建忠 魏祖榮

摘? ?要：DCS作為核電站的“中樞神經”，承擔著核電機組實現監視和控制功能的重要角色。DCS直流供電系統出現接地故障，會給電站DCS系統的正常運行帶來極大的潛在風險。DCS直流接地故障定位對人員技能和專業知識有著極高的要求，本文主要介紹一種功能完整、冗余供電的新型核電廠DCS直流接地故障查找模擬系統，通過人為模擬直流接地故障點，為人員提供一個直流接地故障定位的平臺。此模擬系統作為DCS供電相關知識和直流接地查找技能培訓的實驗平臺，也可作為設備功能性測試、故障分析和解決方案驗證的實驗測試平臺。

關鍵詞：直流接地? DCS系統? 核電廠? 冗余? 故障定位

中圖分類號：TM62? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）09（c）-0106-03

1? 背景介紹

DCS（集散控制系統）作為以通信網絡為紐帶的數字化控制系統，是核電機組不可缺少的重要組成。對于DCS的直流電源供電系統，如果出現單點直流接地，會給核電機組DCS安全穩定運行帶來極大的潛在風險。如果同時存在兩點直流接地的缺陷，有可能引起信號裝置、繼電保護及自動裝置、斷路器的誤動作或拒絕動作，造成直流電源短路，引發DCS系統嚴重故障。例如，在福清核電站，DCS系統直流接地故障會被定義為紅色緊急故障報警，會立即要求維修儀控部門檢查處理，如果儀控部門未能在規定時間內定位并消除故障，核電站運行部門則要執行相關的安全性評估試驗。

DCS直流接地故障的定位對工作人員的直流供電理論和人員技能有著極高的要求。

2? 設計方案

2.1 整體設計

整體設計如圖1所示，220V交流電通過直流48V電源模塊轉變為48V直流電。48V直流電的其中一路為DCS供電機柜001TB、002TB供電，另外一路為DCS供電機柜003TB、004TB供電。相鄰兩個DCS供電機柜互為冗余設計，每一個DCS負載機柜由兩個DCS供電機柜進行供電。DCS負載機柜001AR、002AR均由一號DCS供電機柜001TB和 002TB進行冗余供電。DCS負載機柜003AR、004AR、005AR、006AR均由DCS供電機柜003TB和004TB進行冗余供電。

電氣絕緣監測儀的作用： 電氣絕緣監測儀分別與四個電氣絕緣監測儀附屬傳感器單獨連接電氣絕緣監測儀安裝在供電母線上，每個電氣絕緣監測儀附屬傳感器安裝在DCS供電機柜001TB、002TB、003TB、004TB上游供電支路上。通過安裝在各個支路上的傳感器，提供對各個支路對地絕緣性能的監測。

2.2 DCS供電機柜的內部設計

DCS供電機柜001TB、002TB、003TB、004TB的內部設計如圖2所示，直流母線端子排由48V直流電進行供電，共有8條支路，分別為001UP、002UP、003UP、004UP、005UP、006UP、007UP、008UP，用于給下游的DCS機柜進行供電，可以根據需求選擇使用部分或全部支路。48V直流電的母線上，設計有一個直流接地故障查找儀供電端子（一個供電正極和一個供電負極），用于給直流接地故障查找儀供電。塑殼式斷路器的作用：（1）控制作用：開關按鈕可以對下游設備進行供、斷電操作;（2）保護作用：斷開異常回路調節（包括短路條件）下的電流。

2.3 DCS供電機柜和DCS負載機柜之間的冗余供電設計

對于兩個相互冗余的供電機柜，比如001TB和002TB，那么001TB的001UP和002TB的001UP是互為冗余的關系，這兩個支路會給同一個DCS負載機柜的同一個端子排進行48V直流冗余供電。以003TB和004TB為例，圖3為DCS供電機柜003TB、004TB供電單線圖，那么003TB的001UP供電支路和004TB的001UP供電支路是互為冗余的關系，均是給DCS負載機柜003AR內的500BN進行供電，003TB的002UP和004TB的002UP、003TB的003UP和004TB的003UP、003TB的004UP和004TB的004UP也是互為冗余的供電關系。

2.4 DCS負載機柜的內部供電設計

如圖4所示，每個DCS負載機柜的內部設置有接受DCS供電機柜冗余供電的端子排，接受DCS供電機柜供電的端子排為帶有刀閘的供電端子排100BN，可以控制下游電路的得、失電。

選通模塊在兩路冗余48V電源之間選擇穩定的一路48V電源輸出，并阻斷不穩定的另一路電流輸出。經過選通模塊選擇后，分成兩條支路，經過供電端子排給負載進行供電。

供電端子排101BN采用“雙輸入，單輸出”的設計，將兩路電源的兩個正極相互短接，兩個負極相互短接，從而保證供電的冗余性。

兩個供電開關100JA和101JA均是單刀雙擲開關，100JA不動端連接負載，動端連接供電端子排的供電正極或者接地端。當動端與接地端相連時會產生正極接地故障，可用于人為模擬正極接地故障。101JA的不動端連接負載，動端連接供電端子排的供電負極和接地端。當與接地端相連時會產生負極接地故障，可用于人為模擬負極接地故障。

3? 直流接地故障故障查找儀在本模擬系統的使用

直流接地故障查找儀共需要三個接口，分別是48V直流電的供電正、負極以及接地線接口，如圖2（DCS供電機柜內部設計圖）所示，在DCS供電機柜內部48V直流母線上設置有一個端子排，為直流接地故障查找儀提供48V直流電的供電正、負極接口;由于整個實驗平臺的外部結構均與接地線相連，所以可以提供接地線接口，滿足直流接地故障查找儀的使用條件。

直流接地故障查找儀的基本原理是利用接地點的漏電流信號，當直流系統中某條饋線回路發生絕緣異常后，該支路中對地絕緣阻抗中即會產生與阻值大小相關的漏電流大小，直流接地故障查找儀通過對系統對地電壓及各個支路漏電流大小進行分析，并將測試結果用絕緣量化指標表示出來，絕緣量化指標越高表示絕緣情況越差，越低表示絕緣情況越好。

4? 結語

本文詳細介紹了此新型核電廠DCS直流接地故障查找模擬系統的設計結構和工作原理。作為一個功能完整的新型核電廠DCS直流接地故障查找模擬系統，采用“冗余供電，選通模塊進行優選”的供電設計，整個系統主要包括DCS供電機柜、DCS負載機柜、電氣絕緣監測儀、直流接地故障查找儀等主要結構部件。此模擬系統作為DCS供電相關知識和直流接地查找技能培訓的實驗平臺，也可作為設備功能性測試、故障分析和解決方案驗證的實驗測試平臺。

參考文獻

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