接地故障電流干擾母線保護導致誤動作分析

李書元，潘向華，蘇治

（1.神華國能山東建設集團，山東濟南250101；2.國網山東省電力公司，山東濟南250001；3.山東理工大學，山東淄博255003）

接地故障電流干擾母線保護導致誤動作分析

李書元1，潘向華2，蘇治3

（1.神華國能山東建設集團，山東濟南250101；2.國網山東省電力公司，山東濟南250001；3.山東理工大學，山東淄博255003）

某發電廠220 kV石平線出口處發生接地短路，在線路保護動作跳閘的同時II母差保護動作，跳開所有聯接的元件，造成電力系統混亂。分析認為，線路接地短路電流在243斷路器失靈起動母差保護的開關量通道中產生了干擾信號，干擾信號起動母差保護并導致其誤動作；根據故障現象并結合現場試驗確定保護動作跳閘的條件，短路產生的沖擊電流信號源出現并且干擾信號容量充足、分布電容太大、開入量起動的母線保護動作速度太快三方面因素造成保護動作。采取了相應的防范措施，問題得到徹底解決。

接地短路；故障電流干擾；開關量保護；誤動作

0 引言

某電廠出現變壓器瓦斯、壓力釋放、溫度等保護誤動問題，也有發電機組的電跳機、機跳電保護不正確動作的紀錄，也出現過失靈起動母線保護誤起動問題。

這些故障共同的特點是：起動環節是接點，重動環節是光耦元件，即所謂光耦起動的開關量保護，且保護起動時間快；起動接點有長電纜連接，即雜散電容數值較大；保護遭受到干擾信號的影響。以失靈起動的母線保護誤動的問題為例，對開關量保護的誤動問題進行分析。

1 故障現象

發電廠的正常運行方式：220 kV I、II段母線運行，各串斷路器并串運行，機組與線路均并列運行。發電廠升壓站部分系統接線見圖1［1］。

故障情況：發電廠213、223、233、242、243、253、 263斷路器跳閘，220 kV II母線停電，石平I線跳閘。

圖1 電廠一次系統接線

石平I線線路保護動作信號，方向高頻、距離高頻保護動作，C相跳閘，重合不成功后加速跳開242斷路器，石平I線故障測距4.7 km，故障電流26 kA；II母線差動保護的報文顯示，243斷路器失靈保護動作，起動II母線保護跳開所有斷路器；243斷路器失靈保護無動作指示信號。

值得分析的疑點是為何220 kV線路接地短路時II母線差動保護誤動作，也就是說接地短路電流是如何干擾開關量保護導致其誤動作的。

2 檢查過程

2.1 母差保護的檢查

對220 kV II母線所有失靈保護起動母差的回路進行絕緣測試，結果在200 MΩ以上。

對220 kV II母線所有斷路器控制回路進行了絕緣測試，結果在200 MΩ以上。

對保護的靜態特性進行了檢查，并模擬了失靈保護起動母線保護的動作行為，結果正常。

2.2 分布電容的測試

243斷路器失靈起動母差保護的回路有長電纜連接，對相關系統的分布電容進行測試，關鍵指標如下。

失靈出口接點之間電容：C=22 nF

+48 V電源對地電容：C+=360 nF

-48 V電源對地電容：C-=470 nF

2.3 錄波電流的檢查

對故障錄波進行檢查，故障時的錄波圖形如圖2所示。圖中：iC為C相故障電流；ua、ub、uc分別為220 kV II段母線三相電壓。可見故障電流中存在明顯的直流分量。

圖2 故障時的錄波圖形

3 失靈保護簡介

斷路器失靈保護起動有兩個條件，一是有保護對該斷路器發跳閘命令，即相應的保護出口繼電器接點閉合；二是在一段時間里該斷路器有電流，即斷路器任意一相有相電流，或者零序電流或負序電流，如此才能判斷斷路器的失靈。斷路器失靈后，以t1時間重跳本斷路器，以t2時間切除II母線以及中間斷路器。243斷路器失靈起動II母線保護的邏輯如圖3所示［2-4］。

圖3 243斷路器失靈起動II母線保護的邏輯

4 原因分析

根據保護的原理與檢查結果可知，母線差動保護誤動行為與其靜態特性無關，與回路絕緣無關。母線差動保護的報文顯示，243斷路器失靈保護動作跳閘，但243斷路器失靈保護尚未動作，這是矛盾的，問題的關鍵是找出起動母線保護的根源。

另外全部10路失靈保護方式起動字均為0，即不可能有正常的失靈起動母差保護的信號輸入。II母差保護A柜復位后“失靈起動母差保護”的指示信號消失，表明失靈起動信號已消除。失靈起動母差保護的邏輯電路見圖4。

圖4 失靈啟動母差保護的邏輯電路

根據上述分析可以判定，II母差保護動作跳閘的原因是石平I線路C相接地故障電流產生的干擾信號起動了母差保護的失靈起動邏輯而使其跳閘。

4.1 產生干擾信號源

石平I線路C相接地故障電流進入升壓站的地網、經變壓器的中性點形成回路，該地電流成為干擾信號源，其故障電流的通路見圖5。

當系統正常運行或發生對稱接地短路時，由于系統對稱，三相電流迭加后剩余不平衡電流，因此，地網中的電流為［5-6］

此時，三相電流產生的磁場基本可以抵消。

當系統故障時，尤其是不對稱接地短路時，電流在接地網中流通，形成強勢的干擾源。值得注意的是短路沖擊電流，由于其暫態過程的突變性，造成的影響更為嚴重。對短路產生的沖擊電流分析［7］。

短路沖擊電流

式中：iimp為短路瞬時電流；Iperm為短路穩態電流；Ta為電路時間常數。

沖擊電流最大值出現在短路半個周期后，即t=

0.01 s時

式中：Iper為穩態短路電流有效值；Kimp為沖擊系數，，Ta從0到無限大時1≤Kimp≤2。

可見，短路沖擊電流最大值為穩態短路電流最大值的2倍，數值很大。

圖5 系統對地放電回路

4.2 地電流信號耦合

一次系統的短路電流經過電磁感應耦合到二次系統，會對二次系統產生嚴重的影響，不僅會影響到其暫態特性，甚至會影響到其動作行為。

針對某電廠的線路發生的接地故障，當地網中出現強電流時，電磁感應形成的“流控電壓源”將電源信號耦合到失靈起動母差保護的開關量通道，并在保護回路形成干擾電壓信號源，地電流干擾光耦開入量保護邏輯電路示意見圖6。圖6中，R1、R2、R3為電阻，D為光電耦合器，i為故障電流，i1為故障電流的分流值。

圖6 干擾信號入侵母差起動回路原理結構

4.3 分布電容

干擾信號的入侵離不開分布電容，干擾信號入侵母差與失靈保護連接通道后，是分布電容為干擾信號入提供了路徑，使干擾信號跨過了失靈保護的接點進入母差保護直接起動了跳閘邏輯，并通過出口導致其誤動作，見圖6。

4.4 邏輯判斷電路

母差保護邏輯輸入通道采用的是光耦電路，干擾信號下光耦電路能夠起動跳閘的原因是動作速度太快。試驗表明，信號脈沖幅度24 V、寬度5 ms的干擾電壓即可起動保護，試驗起動母差保護的波形見圖7。可見，失靈保護的起動母差動作的速度太快。并且，干擾信號入侵母差保護輸入通道后，直接進入邏輯判斷環節，由于其他的閉鎖條件已滿足，容易起動出口跳閘。

圖7 試驗啟動母差保護的波形

4.5 參數估算

對于干擾電壓［8］

式中：r為耦合系數；i1為接地故障電流的分流值。

干擾電壓產生的對光耦二極管的放電電流直流分量［8］

式中：R為回路電阻，R=R1+R2=4.8 kΩ；U0為電磁感應產生的電壓直流分量。

一般設計光耦二極管輸入10 mA可以正常工作，但只要i＞5 mA，即u＞24 V，光耦輸出能夠可靠翻轉，這與試驗結果一致。如此再測算r與i1的具體數值意義不大。

對于分布電容，在時間上，只要電容充電導通t＞5 ms，母差保護即可動作。根據以往的現場測試數據表明，一般分布電容C＞20 nF，干擾電壓信號則很容易通過。此地實測的分布電容，也在范圍之內。

在上述RC電路中，電阻電容時間常數τ=RC= 4.8×20≈0.1 ms。顯然，0.1 ms的時間常數，在干擾電壓的作用下光耦邏輯輸出能夠可靠翻轉。

值得注意的是干擾電壓u、分布電容C以及回路電阻R等參數都能影響到光耦二極管輸入干擾電流與導通時間，在分析問題時應統籌考慮，不可單獨強調某一個物理量的作用。

4.6 光耦執行電路與重動繼電器

開關量輸入的執行元件有光耦電路與重動繼電器，兩者的區別在于光耦電路動作速度快，動作功率很低，甚至可以不必用動作功率來描述其性能；至于重動繼電器則恰好相反，動作功率較高，動作速度慢，動作功率與動作時間均可用來描述其性能。

綜上所述，當發生接地故障時，電流進入升壓站的地網成為干擾信號源。1）由于干擾信號源的出現，并且電磁感應形成的干擾信號容量充足；2）由于分布電容存在，而且電容量充足；3）由于母差保護沒有延時，動作的速度太快。3個條件同時存在的條件下，則是分布電容為干擾信號入提供了路徑，使干擾信號跨過了失靈保護的接點進入母差保護直接起動了跳閘邏輯，并通過出口導致其誤動作。

同樣，不僅母線差動保護會在如此的條件下誤動作，其他開入量保護，包括發電機、變壓器的開入量保護；發電機組的電跳機、機跳電等保護；還有其他原理相同的開入量信號，也會在如此的條件下誤動作。

5 防范措施

對于上述導致保護誤動作的3種因素，只要其中的任何一項不存在，則母差保護不會誤動作，因此確定了以下措施［8-9］。

1）屏蔽措施。將母差保護邏輯輸入的連線采用屏蔽電纜，并實施兩端接地措施，以擬制干擾信號的傳播或降低干擾信號的強度。

2）增加邏輯延時時間。在母差保護的動作邏輯中設置10 ms的延時，使母差保護邏輯判斷躲過干擾信號脈沖的影響。

3）增加重動繼電器。增加動作功率大于5 W的重動繼電器，將入侵母差保護邏輯通道的干擾信號脈沖吸收。

4）增加抗干擾電容。利用電容兩端電壓不能突變的特性，在母差保護開入量通道的入口處增加抗干擾電容電路。并聯C=10 μF的電容，可吸收掉暫態干擾脈沖信號。

以上措施在現場只實施了1）、2）項，發電廠的問題就得到了解決，如果只實施1）、3）項或1）、4）項，效果也會一樣。

運行結果表明，關于母差保護起動量是接點信號的一類誤動問題得到了解決。同時，以上措施的實施也解決了系統的設備無故障而停電的問題。由此有效地避免了保護誤動、開關誤跳、信號誤發、機組誤停的一系列問題。

6 結語

當電力系統發生接地故障時光耦起動的開入量保護誤動作，即出現所說的地電流干擾開關量保護導致其誤動作的問題時，應從檢測回路的分布電容、檢測執行元件的動作時間、以及動作功率等動態指標入手，來確定故障原因，制定防范措施，以使問題得到及時解決。

［1］何永華，閻曉霞，陳霞.發電廠及變電站的二次回路［M］.北京：中國電力出版社，2004.

［2］國家電力調度通信中心.電力系統繼電保護實用技術問答［M］.北京：中國電力出版社，1997.

［3］朱聲石.高壓電網繼電保護原理與技術［M］.北京：中國電力出版社，2005.

［4］王維檢.電氣主設備繼電保護原理與應用［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［5］高春如.大型發電機組繼電保護整定計算與運行技術［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［6］國家電力調度通信中心.繼電保護培訓教材［M］.北京：中國電力出版社，2009.

［7］邱關源.電路［M］.北京：高等教育出版社，2010.

［8］蘇文博，李鵬博，張高峰.繼電保護事故處理技術與實例［M］.北京：中國電力出版社，2002.

［9］國家電力調度通信中心.電力系統繼電保護典型故障分析［M］.北京：中國電力出版社，2001.

Earth Fault Current Lead to Bus Differential Protection Maloperation

The earthed fault took place at the end of Shiping transmission line in a power plant，which caused the trip of line protection and bus differential protection.The maloperation of the bus differential protection tripped all the units and caused confusion in the power system.We analyzed that the earth short-circuit current generated interference signals in the channel of breaker 243 fail protection，which caused the maloperation of the bus differential protection.It was determined by fault phenomenon and experiments that the trip conditions include the appearance of the impulse current signal source，the enough capacity of interference signals，the large stray capacitances and the high velocity of bus differential protection.The precautionary measure was suggested in the paper to solve the problem thoroughly.

earthed faults；fault current invasion；switching quantity protection；maloperation

TM773

：B

：1007－9904（2014）04－0049－04

2014-05-19

李書元（1974—），男，工程師，研究方向為電力系統及其自動化；

潘向華（1976—），男，高級工程師，研究方向為電力系統及其自動化；

蘇治（1991—），男，研究方向為電力系統繼電保護故障分析。