淺論電氣設備控制系統操作過電壓

楊承明

引黃工程電氣設備控制系統包括控制、操作、信號、繼電保護及自動控制等回路。一般情況下,電氣設備控制系統不論其工作電壓大小,控制回路元件多少,都會出現工作電壓振蕩和波動等現象,雖然這些振蕩電壓很少引起設備絕緣的破壞,但卻經常引起繼電保護、自動裝置的誤動作,給電氣設備日常運行管理工作帶來不便。下面通過幾個工程現場事故案例,著重對電氣設備控制系統過電壓的成因及防范措施等進行分析和論述。

1 案例分析

2009年 7月 16日,在引黃工程泵站 2#排水泵進行啟動操作過程中,現地控制盤柜瞬時出現“直流系統故障”和“直流接地”信號。從現場現地控制單元LCU信號和數據記錄得出,事故發生時排水泵控制回路發生了電流、電壓波動。在隨后進行的故障排查和檢修中,檢修人員發現排水泵控制電源合閘線圈絕緣破壞。通過故障判斷分析事故發現,由于 2#排水泵日常滲漏排水工作量大,電機啟停頻繁,且電源操作機構振動較大,導致線圈絕緣破壞,從而造成直流系統接地故障。當直流系統發生接地故障時,該排水泵電源操作機構切斷接地的感性電流,而發生直流系統操作過電壓,使排水泵保護回路中負序保護動作,并發出“直流電源故障”信號。

2010年 5月,下土寨變電站間斷性地發出“直流系統故障”、“直流接地”等信號。隨后值班人員巡回檢查發現,10 kV配電室有焦糊味,并伴有輕微放電聲,進一步檢查發現一個接地端子在斷續放電。通過事故分析判斷,是由于某些端子松動,造成電流互感器CT回路斷續開路,而發生過電壓使開路端子擊穿,導致直流母線電壓檢測繼電器動作,并發出“直流系統故障”、“直流接地”等信號。在經過檢修人員對 CT回路端子檢修、緊固后,“直流系統故障”、“直流接地”信號再未出現。

2 設備操作過電壓的產生過程

操作過電壓是由于系統內部參數發生變化時電磁能量的振蕩和積累所引起的,當系統由一種穩定狀態過渡到另一種穩定狀態時,在轉變過程中由于系統內部電磁能量的振蕩、互換及重新分布就可能在某些設備上產生很高的過電壓。

1)直流控制回路發生直接接地故障引起的操作過電壓。一般情況下,直流電源控制系統是通過蓄電池組和浮充電設備為全廠所有直流負荷供電,并且直流系統對地絕緣水平較弱,這樣可以將直流控制系統正、負極對地等效為 2個電容器,當其中一極發生金屬接地時,其通過故障點對地放電,而產生操作過電壓。直流系統操作過電壓的強度,往往與其對地絕緣水平強弱、直流系統回路多少成正比,即直流電源控制系統對地絕緣水平愈高、直流系統回路愈多,其儲存的能量就越大,發生接地故障時產生的過電壓也愈高。

2)在設備控制回路中,電磁型操作機構動作(開、合)引起的過電壓。當進行開關操作時,通常電磁型操作機構線圈中流過電流,小的達到幾 A,大的可到幾百 A,操作機構的輔助接點在切斷感性電流的瞬間,直流系統中會產生操作過電壓。

3)直流伺服機構操作引起的過電壓。直流伺服機構動作過程中,在進行開合回路感性負荷時,會引起直流系統過電壓,但直流伺服機構操作時所用功率一般較小,其所產生的過電壓也較電磁型操作機構過電壓低。

4)在二次保護回路中,由于 CT二次負荷突變引起的操作過電壓。在電氣設備繼電保護接線回路中,當CT回路中串聯接入某些儀表時,且被接入的儀表、儀器阻抗值較大,就造成回路負荷與阻抗值不匹配,產生突變過程。這一暫態過程雖不引起很高的過電壓,但使靈敏度較高的繼電保護會產生誤動作。例如在引黃工程總干線一級泵站曾經出現過因CT二次回路接入測量儀表,而導致負序閉鎖裝置誤發信號的情況。

3 措施

1)在直流母線上正負極之間安裝容量較大的電容器,當發生接地故障時,以吸收正負電荷,從而抑制直流控制系統操作過電壓的幅值。

2)控制回路設計時,CT、PT(電壓互感器)、直流回路不應合用同一根電纜。在現場設備設施更新改造時,當需使用原電纜的備用電纜芯時,應盡量避免與CT、PT回路合用一條電纜。

3)在繼電保護二次回路中,當保護裝置距離跳閘繼電器較遠時,最好采用單獨的電纜,與其他電纜分開使用,以減小分布電容。

4)在工作現場,當進行保護、測量、控制等二次回路進行試驗,需要在 CT回路串接其他儀器、儀表時,應防止阻抗的突然變化,導致過電壓的發生。

5)在進行保護、測量、控制等二次回路工作時,檢修人員要使用專用工具,盡量防止直流系統接地的發生。

6)在泵站或動力車間的設計和安裝時,應盡可能使動力直流電源與控制操作直流系統分別布置,減少直流系統電源負荷和回路,從而降低操作過電壓的發生。

[1] 李光琦.電力系統暫態分析[M].第 2版.北京：中國電力出版社,2007：75-92.