关于核电厂直流系统绝缘监测装置的改进研究

摘要：直流系统绝缘监测装置对电力系统的安全稳定运行起着十分重要的作用。通过对现有直流系统绝缘监测装置存在的技术问题进行分析，提出一种利用信号注入及模拟、数字滤波技术相结合的新型直流系统绝缘监测装置设计方案。该设计增加数字程控放大电路及优化带通滤波器的电路设计，并研制成样机，在多种接地状态下验证了装置接地电阻测量、支路定位和故障报警的准确性及响应速度，为行业内核电机组提供良好的实践借鉴与经验参考。

关键词：直流系统；绝缘监测；程控放大；实时监测；绝缘监测装置

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。由于绝缘破损等造成的直流接地是直流系统常见的故障，须查找出故障点予以排除，否则容易造成负载装置的误动作，引发事故，造成经济损失。因此，对直流系统的绝缘状态进行在线监测具有意义。

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，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，可能造成核安全事故。

某电厂1号机组主控室出现“1LCA015KA接地故障报警一危急”，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，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旳。母线绝缘监测有平衡电桥和开关电阻两种方法,支路绝缘监测常用的两种方法为交流小信号注入法旳和直流漏电流测量法。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OKQ〜25KQ,所允许的接地电容范围为OyF〜30|iFo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

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，直到末端的一条支路。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5KQ~99.9KQ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99.9KO,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（100KQ左右）的情况。

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。

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变大且收效甚微，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，然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=l/(2x7rxfxC)

Xc为电容等效容抗，单位：Q。

f为交流信号频率，单位：Hz。

C为电容,单位：Fo

在注入信号频率为4Hz时，luF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。

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，已有很大地改变。

7绝缘监测及绝缘故障定位产品

7.1绝缘监测及绝缘故障定位产品

AIM-T系列工业用绝缘监测仪

AIM-T系列绝缘监测仪主要应用在工业场所IT配电系统中，主要包括AIM-T300、AIM-T500和AIMT500L三款产品，均适用于纯交流、纯直流以及交直流混合的系统。

其中AIM-T300适用于450V以下的交流、直流以及交直流混合系统，AIM-T500适用于800V以下的交流、直流以及交直流混合系。AIM-T500L相比AIM-T500增加了绝缘故障定位功能。

7.2绝缘故障定位产品

工业用绝缘故障定位产品配合AIM-T500L绝缘监测仪使用，主要包括ASG200测试信号发生器，AIL200-12绝缘故障定位仪，AKH-0.66L系列电流互感器，适用于出线回路较多的IT配电系统。

7.3绝缘监测耦合仪

绝缘监测耦合仪配合AIM-T500绝缘监测仪使用，主要包括ACPD100，ACPD200，适用于交流电压高于690V，直流电压高于800V的IT配电系统。

8技术参数

8.1绝缘监测仪技术参数

8.2测试信号发生器技术参数

8.3绝缘故障定位仪技术参数