直流系統故障造成開關誤動的原因分析及解決方法

邵建強

光大環保能源（宜興）有限公司，江蘇 宜興 214200

0 引言

電力系統中，直流系統故障造成的事故很多，而在《防止電力生產重大事故的二十五項重點要求》、《繼電保護實施細則》和《國家電網公司十八項電網重大反事故措施》（試行）中對直流系統故障的反措也比較少，只規定了出口繼電器的動作功率和部分管理手段來減少直流故障的影響，沒有其他更有效的技術防范措施。

經過理論分析和試驗，針對直流系統中串入交流造成開關或保護誤動的問題進行了專題研究，提出了新的技術防范措施，并已在實際生產中進行了實施。

1 出現故障的背景

直流系統故障主要有接地、串入交流和短路等故障，統計發現直流系統串入交流電源，造成保護或開關誤動甚至全站停運的事故比較多，影響也比較大。

例如，2008年6月25日，某電廠由于交流電源誤接至直流負極，造成3臺60萬kW機組同時停運和2臺主變跳閘的重大事故；某電廠60萬kW機組因直流系統中串入交流，造成ABB勵磁系統滅磁開關誤跳和機組停運事故。由此可見，直流系統中串入交流造成重大事故發生的概率比較大。

為此，我們提出了新的問題：當直流系統中串入交流電源時，對直流二次回路如何防范，才能保證開關和保護不誤動？針對此問題進行了原因分析和提出了技術防范措施。

2 交流串入直流系統造成開關誤動的原因分析

圖1 正常直流的電路原理圖

圖2 串交流繼電器誤動的電路原理圖

如圖1：假設的直流電源支路11和支路12均正常運行，支路11遠控接點CKJ11未通，支路11中的繼電器線圈ZJ11不動作，支路11出口跳閘接點CKJ11的電纜分布電容等效為C11。

如圖2：某時刻支路12的負電源串交流電源E12故障，按如圖交流電流所示流向，此交流電源E12必然經過支路12的開關QFK12和直流母線-KM11、支路11開關QFK11到繼電器線圈ZJ11的一端（負電源端），線圈ZJ11的另一端（正電源端）經電纜的分布電容C11與地連接，構成交流電源E11的閉環回路。

如果交流故障電源E12在分布電容C11上產生的電流比較大，即流過繼電器線圈ZJ11的交流電流大于繼電器線圈ZJ11的動作電流時將造成繼電器線圈ZJ11的誤動作（接點CKJ11未通，繼電器線圈ZJ11不該動而誤動），造成主設備誤跳閘。

3 防止交流串入直流系統造成開關誤動的技術防范措施

防范措施一：在易于誤動的重要出口繼電器線圈的兩端并聯分流電阻，如圖3，在繼電器線圈ZJ11的兩端并聯一個阻值適當的電阻R11。

圖3 并聯電阻解決串交流繼電器誤動的原理圖

圖4 并聯電阻等效 電路的原理圖

等效電路圖如圖4，繼電器線圈ZJ11由于是感性線圈，其交流阻抗Z都比較大，大于并聯電阻R11的阻值R約10倍以上，當發生上述串交流電源E12（或接地）故障時，分布電容C11上的電流IC，經過電阻R11的分流(IR) ，使流過繼電器線圈ZJ11的電流(IZ)小于動作值，繼電器ZJ11不會誤動作，消弱了故障源E12的影響，從技術上解決了當直流系統中串入交流電源時也不會造成開關誤動問題。

并聯分流電阻R11的阻值可以通過實驗選取，一般以繼電器線圈的直流電阻值參考選取，保證繼電器在65%額定操作電源下可以可靠動作，保證直流電源中加入交流220V繼電器不誤動，保證電阻有足夠的功率。

實例：我公司已在勵磁系統保護跳閘的出口繼電器（-K03、-K04）線圈上并聯電阻（R03、R04，10W，1KΩ線饒電阻），如下圖，解決了滅磁開關在串入交流時誤動問題。

防范措施二：在直流系統中各支路開關串接二極管作為隔離措施，如圖5，當發生串入交流故障時，利用二極管的單方向性，隔離并削弱了故障電源對二次回路上出口繼電器的影響。

圖5 整流二極管隔離措施解決串交流

圖6 E12與直流合成 的電壓波形圖

如圖5，假如正負直流母線對地正常電壓為+55V和-55V，在直流電源支路11和支路12的開關QFK11和QFK12下口各串兩個隔離二極管（容量適當）D111、D112、D121、D122，對于支路11和支路12的直流電源不受任何影響。當發生如圖5所示支路12直流負極串入交流電源E12（如交流220V電源）時，假設b點電位110V，交流干擾電源E12經過二極管D122時，只有E12的電壓（a點）大于直流母線電壓-KM11（b點，110V）才能通過，當E12的電壓（a點）小于直流母線電壓-KM11（b點，110V）時（圖6中110V直線下部分，即虛線的部分）由于二極管D122的單方向性被消去，在直流母線-KM11上，只有圖6中110V直線上部分的波形，母線電壓為直流電壓與交流的正脈動合成電壓，有比較大的紋波系數。

圖7 E12與直流合成的電壓波形圖

圖8 在電容濾波作用下 的電壓波形圖

如圖5的d點，直流母線-KM11上的電源再經過二極管D112的同樣的作用，二極管D112的負端（d點）正常最高對地電壓220V，即當二極管D112的母線端的電壓（c點）小于二極管D112的負載端（d點）電壓時（圖7中220V直線上部分，即虛線的部分）也由于二極管D112的單方向性被消去，在d點也為脈動合成電壓，紋波系數相對較小，無交流分量。

d點脈動合成電壓在電纜分布電容C11的濾波作用下，形成如圖8的直流電壓波形，已基本上沒有了交流電壓的影子，紋波系數也很小，在電纜的分布電容C11上產生很小的交流電流，由于此交流電流很小，不足以使支路11的出口繼電器ZJ11誤動作。

上述方法理解起來比較難，換另外一種方法理解：對于d點對地電壓Ud用疊加原理，可以分解為蓄電池電源在d點對地電位Uz與交流干擾電源E12在d點對地電位Uj之和，即Ud=Uj+Uz。

如下圖10可以等效為圖9，對于交流E12電源對d點對地電位Uj由于二極管D122和D112的作用下基本等于0V，在繼電器ZJ11和分布電容C11上也就不產生交流電流，不會造成出口繼電器ZJ11誤動作，從技術上解決了當直流系統中串入交流電源時也不會造成開關誤動問題。

圖10 整流二級管隔離措施解決串交流

圖9 電路的疊加原理等效為Ud=Uj+Uz

實例：光大環保能源（宜興）有限公司外圍直流系統改造，已按此方案配置直流系統，并且應用效果很好，我宮司發變組保護出口繼電器也采取了同樣的技術措施。

4 結論

針對串入交流的直流系統故障造成電廠跳機或設備損壞等事故的難題，提出了在二次回路上采取技術防范措施，解決了因串入交流的直流系統故障造成設備事故擴大的技術難題，將大大降低直流系統故障造成重大設備事故和經濟損失的概率，提高機組的安全穩定性。

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