一种新型核电厂DCS直流接地故障查找模拟系统的设计
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摘 要：DCS作为核电站的“中枢神经”，承担着核电机组实现监视和控制功能的重要角色。DCS直流供电系统出现接地故障，会给电站DCS系统的正常运行带来极大的潜在风险。DCS直流接地故障定位对人员技能和专业知识有着极高的要求，本文主要介绍一种功能完整、冗余供电的新型核电厂DCS直流接地故障查找模拟系统，通过人为模拟直流接地故障点，为人员提供一个直流接地故障定位的平台。此模拟系统作为DCS供电相关知识和直流接地查找技能培训的实验平台，也可作为设备功能性测试、故障分析和解决方案验证的实验测试平台。
关键词：直流接地 DCS系统 核电厂 冗余 故障定位
中图分类号：TM62 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）09（c）-0106-03
1 背景介绍
DCS（集散控制系统）作为以通信网络为纽带的数字化控制系统，是核电机组不可缺少的重要组成。对于DCS的直流电源供电系统，如果出现单点直流接地，会给核电机组DCS安全稳定运行带来极大的潜在风险。如果同时存在两点直流接地的缺陷，有可能引起信号装置、继电保护及自动装置、断路器的误动作或拒绝动作，造成直流电源短路，引发DCS系统严重故障。例如，在福清核电站，DCS系统直流接地故障会被定义为红色紧急故障报警，会立即要求维修仪控部门检查处理，如果仪控部门未能在规定时间内定位并消除故障，核电站运行部门则要执行相关的安全性评估试验。
DCS直流接地故障的定位对工作人员的直流供电理论和人员技能有着极高的要求。
2 设计方案
2.1 整体设计
整体设计如图1所示，220V交流电通过直流48V电源模块转变为48V直流电。48V直流电的其中一路为DCS供电机柜001TB、002TB供电，另外一路为DCS供电机柜003TB、004TB供电。相邻两个DCS供电机柜互为冗余设计，每一个DCS负载机柜由两个DCS供电机柜进行供电。DCS负载机柜001AR、002AR均由一号DCS供电机柜001TB和 002TB进行冗余供电。DCS负载机柜003AR、004AR、005AR、006AR均由DCS供电机柜003TB和004TB进行冗余供电。
电气绝缘监测仪的作用： 电气绝缘监测仪分别与四个电气绝缘监测仪附属传感器单独连接电气绝缘监测仪安装在供电母线上，每个电气绝缘监测仪附属传感器安装在DCS供电机柜001TB、002TB、003TB、004TB上游供电支路上。通過安装在各个支路上的传感器，提供对各个支路对地绝缘性能的监测。
2.2 DCS供电机柜的内部设计
DCS供电机柜001TB、002TB、003TB、004TB的内部设计如图2所示，直流母线端子排由48V直流电进行供电，共有8条支路，分别为001UP、002UP、003UP、004UP、005UP、006UP、007UP、008UP，用于给下游的DCS机柜进行供电，可以根据需求选择使用部分或全部支路。48V直流电的母线上，设计有一个直流接地故障查找仪供电端子（一个供电正极和一个供电负极），用于给直流接地故障查找仪供电。塑壳式断路器的作用：（1）控制作用：开关按钮可以对下游设备进行供、断电操作;（2）保护作用：断开异常回路调节（包括短路条件）下的电流。
2.3 DCS供电机柜和DCS负载机柜之间的冗余供电设计
对于两个相互冗余的供电机柜，比如001TB和002TB，那么001TB的001UP和002TB的001UP是互为冗余的关系，这两个支路会给同一个DCS负载机柜的同一个端子排进行48V直流冗余供电。以003TB和004TB为例，图3为DCS供电机柜003TB、004TB供电单线图，那么003TB的001UP供电支路和004TB的001UP供电支路是互为冗余的关系，均是给DCS负载机柜003AR内的500BN进行供电，003TB的002UP和004TB的002UP、003TB的003UP和004TB的003UP、003TB的004UP和004TB的004UP也是互为冗余的供电关系。
2.4 DCS负载机柜的内部供电设计
如图4所示，每个DCS负载机柜的内部设置有接受DCS供电机柜冗余供电的端子排，接受DCS供电机柜供电的端子排为带有刀闸的供电端子排100BN，可以控制下游电路的得、失电。
选通模块在两路冗余48V电源之间选择稳定的一路48V电源输出，并阻断不稳定的另一路电流输出。经过选通模块选择后，分成两条支路，经过供电端子排给负载进行供电。
供电端子排101BN采用“双输入，单输出”的设计，将两路电源的两个正极相互短接，两个负极相互短接，从而保证供电的冗余性。
两个供电开关100JA和101JA均是单刀双掷开关，100JA不动端连接负载，动端连接供电端子排的供电正极或者接地端。当动端与接地端相连时会产生正极接地故障，可用于人为模拟正极接地故障。101JA的不动端连接负载，动端连接供电端子排的供电负极和接地端。当与接地端相连时会产生负极接地故障，可用于人为模拟负极接地故障。
3 直流接地故障故障查找仪在本模拟系统的使用
直流接地故障查找仪共需要三个接口，分别是48V直流电的供电正、负极以及接地线接口，如图2（DCS供电机柜内部设计图）所示，在DCS供电机柜内部48V直流母线上设置有一个端子排，为直流接地故障查找仪提供48V直流电的供电正、负极接口;由于整个实验平台的外部结构均与接地线相连，所以可以提供接地线接口，满足直流接地故障查找仪的使用条件。
直流接地故障查找仪的基本原理是利用接地点的漏电流信号，当直流系统中某条馈线回路发生绝缘异常后，该支路中对地绝缘阻抗中即会产生与阻值大小相关的漏电流大小，直流接地故障查找仪通过对系统对地电压及各个支路漏电流大小进行分析，并将测试结果用绝缘量化指标表示出来，绝缘量化指标越高表示绝缘情况越差，越低表示绝缘情况越好。
4 结语
本文详细介绍了此新型核电厂DCS直流接地故障查找模拟系统的设计结构和工作原理。作为一个功能完整的新型核电厂DCS直流接地故障查找模拟系统，采用“冗余供电，选通模块进行优选”的供电设计，整个系统主要包括DCS供电机柜、DCS负载机柜、电气绝缘监测仪、直流接地故障查找仪等主要结构部件。此模拟系统作为DCS供电相关知识和直流接地查找技能培训的实验平台，也可作为设备功能性测试、故障分析和解决方案验证的实验测试平台。
参考文献
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