直流系統交流混入及接地引起保護裝置誤動分析及解決方案

韋 恒,汪軍衡,郭懷東

(1廣西省電力公司生產技術部,廣西 南寧 530023;2湖北省孝感市供電公司生產技術部,湖北 孝感431600;3華北電力大學,河北 保定 071003)

直流系統交流混入及接地引起保護裝置誤動分析及解決方案

韋 恒1,汪軍衡2,郭懷東3

(1廣西省電力公司生產技術部,廣西 南寧 530023;2湖北省孝感市供電公司生產技術部,湖北 孝感431600;3華北電力大學,河北 保定 071003)

分析了交流直流回路相互混入引起過電壓,致使保護回路、控制回路、信號回路誤動作,以及直流回路一點接地引起繼電保護裝置誤動作的原因,認為其根本原因在于直流控制回路的電纜過長,分布電容過大。當直流回路發生一點接地或直流回路通過交流回路混入接地時,分布電容發生瞬時放電,形成干擾源,引起中間繼電器動作是此類自動化裝置誤動作的根本原因。給出了針對此類干擾的幾種解決方案：加強交流混入的監測、縮短直流控制電纜的長度或采用光纜代替電纜、提高出口中間繼電器和斷路囂跳閘線圈電壓、用直流繼電器代替光電隔離元件。

直流回路;一點接地;交直流混入;保護誤動作

0 引 言

近年來,電力系統多次發生由于直流回路一點接地,或交直流回路相互混入而引起過電壓、致使保護裝置誤動作。此類現象出現時,往往保護裝置沒有動作信號 (即保護裝置沒有出口),而操作箱有時有動作信號,有時沒有動作信號,很難查找誤動原因。如2010年1月廣西某變電站1號所用非電量保護誤動造成所用變高壓側開關跳閘事件。此次事故最終查明到控制回路,現場使用的交、直流雙輸入開關電源造成交流電源系統經開關電源整流回路耦合到直流電源系統中時,直流系統中的分布電容電壓通過大地能形成回路,造成直流系統中有交流分量。事故是由于交直流回路有混入,引起直流回路瞬時一點接地,操作回路中控制電纜較長引起的。這里對此類問題進行了系統的分析,進而提出了解決的措施以供參考。

1 誤動作原因分析

1.1 直流回路一點接地問題分析

大、中型變電站、電廠使用的控制電纜較長,存在著一定的分布電容。這樣,在直流系統正、負極對地之間將有 2個可觀的電容。直流跳閘回路的簡化等值電路圖如圖 1所示。圖中電容為控制回路電纜分布電容的等值電容。電纜越長,此分布電容越大,其放電容量越大。

圖中 K M2為電磁閥線圈,其他為直流監測系統設備。

圖1 保護裝置控制回路的電路圖Fig.1 Control circuit of protection device

當在 A點發生接地時,絕緣監測裝置啟動選線對 K M2沒有任何影響,當 B點發生接地時,絕緣監測裝置啟動選線,C3,C4通過 R,K M2線圈放電。由于電容兩端電壓不能突變,在接地的瞬間就會形成環流,此電流為分布電容的放電電流,不計線圈電感,其表達式為

式中：R∑為整個等值放電回路的等值電阻;C∑為等值分布電容。

電流波形如圖 2所示。

圖2 電容電流波形圖Fig.2 Waveform of capacitance current

該電流為一典型的逐步衰減的直流波形,從式 (1)中可以看到,等值電容 C∑越大,即控制電纜越長,b電容的放電時間越長;回路電阻 R∑越小,該電流衰減就越慢。

1.2 交直流混入問題分析

交直流混入問題實質上也是直流回路一點接地問題。因直流系統是通過絕緣監察裝置接地的,正常運行時正負極不允許接地。而交流系統有地線,一旦交直流發生混入,就會相應形成直流回路一點接地。由以上分析可知,是相同的原因引起保護裝置誤動作的。

圖3為直流系統絕緣監察原理圖,圖 4為保護裝置跳閘示意圖。圖中：R0,R為直流電源絕緣監察裝置的電阻;R+,R-為正、負極對地絕緣電阻;KXJ為絕緣監察繼電器;TXJ為跳閘信號繼電器;TZJ為跳閘中間繼電器。由于保護裝置跳閘中間繼電器控制電纜較長。電纜對地分布電容很大,當變電站直流電源一點接地時,很容易引起保護裝置誤跳閘。

圖3 直流系統絕緣監察原理圖Fig.3 Schematic of DC system insu lation m onitoring

圖4 保護裝置跳閘示意圖Fig.4 Protector tripping schematic diagram

正常運行時,直流系統絕緣良好,單一的直流耦合在跳閘繼電器中分壓很小,不足以使跳閘回路誤跳閘。但當絕緣降低時 R+可能會下降很多,由于絕緣下降而引起的跳閘,繼電器 TXJ的電壓如圖 5(a)所示。如果絕緣完全損壞,有 R+=0,此時跳閘繼電器兩端有直流分壓絕緣下降引起驅動電壓 U。

圖5 中間繼電器的驅動電壓Fig.5 Drive voltage of ralay

由于保護裝置的動作信號繼電器與中間繼電器之間通常有二極管隔離,此二極管對交流電壓起整流作用,如圖 5(b)所示。由于交直流的混入將 220 V交流電壓直接加入直流跳閘回路,而直流跳閘回路的二極管將對此交流電壓進行半波整流,變成脈動電壓 U2,交流電壓對控制電纜分布電容 C的充放電過程將使脈動電壓趨于連續的電壓。此時跳閘中間繼電器 TZJ的端電壓為

跳閘中間繼電器的端電壓 UTZJ波形如圖 5(c)所示。這個電壓一般情況下會遠大于(0.55%～0.60%),即遠大于中間繼電器的動作電壓,提高繼電器的動作功率很難解決,因此對于直流控制回路嚴禁交流混接。

1.3 直流回路一點接地引起其他問題的分析

對于直流操作回路,電纜的分布電容或多或少總是存在的,電纜越長,其分布電容就越大。一旦發生直流回路一點接地或發生交直流混入,就會使分布電容放電,在直流操作回路中形成干擾。實際上在此類情況下,很多用于防止干擾、隔離直流電源的光電隔離元件是擋不住這種干擾的。目前,系統中廣泛使用的 220 V/24 V光電隔離元件,最靈敏的導通電流僅 1.4 mA。此類光電隔離實際上起不到多大的抗干擾作用。在直流回路發生一點接地時很容易誤導通,此類問題保護裝置的操作回路都存在,現場通常發生由此引起的保護裝置誤動作。

2 交流混入的事故監察與解決措施

這類問題的直接原因是控制電纜較長,線路復雜,引起分布電容較大造成的。直流回路發生一點接地在運行中有時是難以避免的,直流回路發生交直流混入引起裝置誤動作,只要在設計和運行時加以注意是可以避免的。為了及時有效地檢測交流混入直流回路的事故,直流絕緣監察裝置應增加交流混入檢測功能,準確報警事故線路,防止事故擴大。HY-DC300直流絕緣監察裝置及交流混入檢測選線裝置采用交直流選線綜合原理技術,在完成直流接地選線的同時,也可以實現工頻混入直流母線檢測選線功能,當混入直流母線的對地工頻電壓大于 10V時可準確選出混入母線及混入線路,為及時發現故障、排除故障隱患提供了可靠依據。

直流系統因此對于新設計的變電所和發電廠,應盡量避免在控制回路中使用過長的直流控制電纜。實踐證明,當直流控制電纜大于 200 m時,很容易引起類似問題。在加大檢測預防力度同時增加易受干擾的繼電器的工作功率,其啟動電壓應大于直流額定電壓的 55%(包括斷路器跳閘電壓),或者增加光隔的導通功率,其啟動電壓亦大于直流額定電壓的 55%～60%,實踐證明也是一個行之有效的措施。對于舊的變電站或發電廠,或許也是唯一可行的解決辦法。建議與跳、合閘回路相關的光隔元件最好改用直流繼電器予以隔離。對于某些變電站或電廠,由于受一次設備及二次設備布置的限制,控制電纜較長,現場曾出現過 500～600 m的情況。這種情況,簡單地依靠提高受干擾繼電器的動作功率,也不能徹底解決問題。此時一種行之有效的解決方案是采用光纜代替電纜來傳遞信號,如圖 6所示。

圖6 采用光纜代替電纜Fig.6 Replace the long cab les by optical fiber

采用光纜代替電纜,將保護裝置電信號轉換為光信號,以光信號的形式傳遞到開關站后,再經光電轉換裝置轉換成電信號,以驅動 220 V的控制回路。這種方式完全克服了長電纜分布電容的影響,當然也就不存在分布電容的放電問題了,只是需要增加一對電/光和光/電轉換裝置。這種解決問題的方法在現場中是切實可行的。

3 結 論

針對近年來頻繁出現的直流回路一點接地、交直流混入引起保護裝置誤動作的原因進行了詳細的分析,認為其直接原因是由于直流控制回路中電纜的分布電容過大,當發生直流回路一點接地或交直流混入時,分布電容對跳閘出口元件發生瞬間放電,此放電電流是引起此類干擾的根本原因。解決這類干擾行之有效的措施是對于新建變電所或發電廠盡量縮短直流控制電纜的長度,并按 “反措要點”的要求,提高出口中間繼電器和斷路器跳閘線圈電壓,用繼電器代替光隔。對于控制電纜過長的情況。可以考慮采用光纜代替電纜,達到防止誤動的目的。

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Malfunction of Protection Device and Solutions of AC Mixed with DC System and Grounding

WeiHeng1,Wang Junheng2,Guo Huaidong3
(1.Guangxi Power Grid Corporation Production Technology Department,Nanning 530023,China;2.Hubei Xiaogan Power Supply Company Production Technology Department,Xiaogan 431600,China;3.North China Electric Power University,Baoding 071003,China)

The protection circuit,control circuit and signal circuitmisoperations due to over-voltage caused by single-point grounding of DC circuit or AC-DC interference,as well as the protection equipmentmisoperations caused by single-pointgrounding of DC circuit,are analyzed in this paper.It ismainly because the cable of DC control circuit is too long and its distributed capacitance is too large.When single-pointgrounding happens in DC circuit or the severemutual interference between DC and AC circuits effects as DC grounding,the sudden discharge of distributed capacitance,as a disturbance source,activates the output relay.Countermeasures are suggested as below,exchange the detection of ACmixed,shorten the length of DC control cables or replace the long cables by optical fiber,increase the voltageof intermediateoutput relay and breaker tripcoil,use DC relays instead of optoelectronic isolated components.

DC circuit;single-pointgrounding;AC-DC interference;protection misoperation

T M712

A

2010-05-10。

韋恒 (1972-),男,高級工程師,E-mail：guohuaidong 111@yahoo.com.cn。