變電站二次系統(tǒng)交流串入直流回路對繼電器的影響試驗(yàn)研究

冀北電力有限公司檢修分公司 馬迎新 田建光冀北電力有限公司 徐忱

0 引言

2011年國務(wù)院頒布了《電力安全事故應(yīng)急處置和調(diào)查處理?xiàng)l例》[1]（以下簡稱《條例》），《條例》的頒布在法律責(zé)任、事故監(jiān)管和電網(wǎng)風(fēng)險等方面對電力企業(yè)產(chǎn)生了較大的影響?！稐l例》頒布后，電力企業(yè)著手開展了安全事故風(fēng)險分析。在歸納出的諸多變電安全事故風(fēng)險中，“變電站交流串入直流系統(tǒng)”（簡稱“交直流混電”）因其可能造成變電站多元件跳閘、電網(wǎng)破壞力大、負(fù)荷損失率高、防范難度大等特點(diǎn)，被列為重大風(fēng)險。

近年來，變電站交流串入直流系統(tǒng)事件時有發(fā)生，這些案例影響重大、后果嚴(yán)重。某330kV變電站，斷路器機(jī)構(gòu)箱進(jìn)水，機(jī)構(gòu)箱內(nèi)溫控器燒毀，溫控器上交流回路與直流回路導(dǎo)通，交流串入直流系統(tǒng)，導(dǎo)致330kV系統(tǒng)多臺開關(guān)跳閘，變電站2臺聯(lián)變?nèi)＃?10kV母線失壓，地區(qū)電網(wǎng)受到嚴(yán)重影響。某重要電廠，接線人員在端子箱連接電焊機(jī)電源線時，將交流A相和直流負(fù)極接入電焊機(jī)電源輸入端，交流串入直流系統(tǒng)，造成該電廠500kV雙回送出線路跳閘。某500kV變電站，檢修人員在主變非電量保護(hù)傳動過程中，誤將主變冷卻器交流電源與直流正極短接，造成該變電站一臺500kV開關(guān)跳閘，測控單元開入誤導(dǎo)通，測控單元個別開入光隔燒毀。

專業(yè)人員對變電站交流串入直流系統(tǒng)的機(jī)理進(jìn)行了深入研究，并制定了一系列防范措施[2-4]。國網(wǎng)公司十八項(xiàng)反措規(guī)定，對經(jīng)長電纜跳閘的回路要采取防止長電纜分布電容影響和防止出口繼電器誤動的措施。特別是在變電站主變保護(hù)、母線保護(hù)的直跳回路加裝了大功率（5W）繼電器，對直跳回路跳閘增設(shè)電流判據(jù)，這些措施的實(shí)施有效降低了交直流混電對保護(hù)開入回路的影響[5]。

變電站交流串入直流系統(tǒng)對斷路器操作回路繼電器影響程度如何？尚缺乏試驗(yàn)證明。本文在理論分析的基礎(chǔ)上設(shè)計了簡單、直觀的試驗(yàn)方案，對這一問題進(jìn)行了研究。

1 控制電纜的分布電容及其測試方法

變電站中控制電纜大多采用鎧裝屏蔽電纜，其結(jié)構(gòu)從內(nèi)到外由導(dǎo)體、絕緣層、填充層、隔離層、銅帶屏蔽層、引流線、內(nèi)襯層、鋼帶鎧裝層、阻燃外護(hù)層等組成（見圖1）。

參照平行板電容的概念，控制電纜分布電容C的大小與介質(zhì)（介電常數(shù)）有關(guān)，與相對面積S(2πR1L)成正比，它們的空間距離d（R2-R1）成反比（見圖2）。當(dāng)控制電纜達(dá)到一定長度（L較大）的時候，導(dǎo)體線芯對屏蔽層的分布電容C不可忽略。

在電纜屏蔽層和電纜芯線之間加交流電源，根據(jù)測量到的交流電壓（U）電流（I）計算電纜芯線對屏蔽層的等效電容，公式為：X總=U/I,C總=1/(2πf X總）。筆者對1000m控制電纜（ZR-KVVP4×4 mm2）進(jìn)行了電容量測試，電纜的芯線對屏蔽層的等效電纜約為：0.28uF，每100m電纜分布電容約28nF。測試記錄見表1。

圖1 控制電纜結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 控制電纜分布電容示意圖

表1 ZR-KVVP4×4 mm2控制電纜分布電容測試記錄

2 交流串入直流電源系統(tǒng)試驗(yàn)經(jīng)過及數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗(yàn)接線

在變電站交流串入直流電源系統(tǒng)有3種形式，形式1為直流電源正極串入交流電，形式2為直流電源負(fù)極串入交流電，形式3為繼電器啟動端串入交流電。

為了驗(yàn)證變電站交流串入直流電源系統(tǒng)繼電器的影響，在北京超高壓公司變電實(shí)訓(xùn)基地進(jìn)行了試驗(yàn)，對應(yīng)3種串入形式分別設(shè)計試驗(yàn)接線見圖3、4、5。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備及元件參數(shù)

圖3 直流電源正極串入交流電

為更好完成本次試驗(yàn)，依據(jù)試驗(yàn)接線圖2、3、4選定相關(guān)試驗(yàn)設(shè)備（見表2），并比照變電站實(shí)際運(yùn)行參數(shù)確定了相關(guān)試驗(yàn)元件參數(shù)（見表3）。

圖4 直流電源負(fù)極串入交流電

圖5 繼電器啟動端串入交流電

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

（1）在交流火線（L）與直流電源正極之間加空開，空開閉合后，交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)混接。直流電源選用DC220V，交流電源從AC220V開始以10V步長上調(diào)。當(dāng)交流電源調(diào)至240V時，繼電器有蜂鳴，但輸出接點(diǎn)不閉合；當(dāng)交流電源調(diào)至270V時，繼電器兩端電壓為190V，繼電器輸出接點(diǎn)閉合。測試數(shù)據(jù)見表4，錄波圖見圖6。

表2 試驗(yàn)設(shè)備明細(xì)表

表3 試驗(yàn)元件參數(shù)明細(xì)表

表4 DC220V直流正電源中串入交流情況試驗(yàn)記錄表

圖6 DC220V直流正電源中串入交流電壓波形記錄圖

（2）在交流火線（L）與直流電源負(fù)極之間加空開，空開閉合后，交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)混接。直流電源選用DC220V，交流電源從AC220V開始以10V步長上調(diào)。當(dāng)交流電源調(diào)至230V時，繼電器有蜂鳴，但輸出接點(diǎn)不閉合；當(dāng)交流電源調(diào)至270V時，繼電器兩端電壓為195V，繼電器輸出接點(diǎn)閉合。測試數(shù)據(jù)見表5，錄波圖見圖7。

（3）在交流火線（L）與直流電源負(fù)極之間加空開，空開閉合后，交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)混接。直流電源選用DC110V，交流電源從AC220V開始以10V步長上調(diào)。交流電源一直調(diào)至280V，繼電器兩端電壓僅為76V，繼電器輸出接點(diǎn)不閉合。測試數(shù)據(jù)見表6，錄波圖見圖8。

表5 DC220V直流負(fù)電源中串入交流情況試驗(yàn)記錄表

圖7 DC220V直流負(fù)電源中串入交流電壓波形記錄圖

表6 DC110V直流負(fù)電源中串入交流情況試驗(yàn)記錄表

圖8 DC110V直流負(fù)電源中串入交流電壓波形記錄圖

（4）在交流火線（L）與繼電器啟動端之間加空開，空開閉合后，交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)混接。直流電源選用DC220V時，交流電源從0開始以10V步長上調(diào)，當(dāng)交流電源調(diào)至80V時，繼電器兩端電壓高達(dá)190V，繼電器輸出接點(diǎn)短時閉合。測試數(shù)據(jù)見表7，錄波圖見圖9。

（5）在交流火線（L）與繼電器啟動端之間加空開，空開閉合后，交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)混接。直流電源選用DC110V時，交流電源從0開始以10V步長上調(diào)，當(dāng)交流電源調(diào)至60V時，繼電器兩端電壓高達(dá)105V，繼電器輸出接點(diǎn)短時閉合。測試數(shù)據(jù)見表8，錄波圖見圖10。

3 結(jié)論

表7 DC220V直流繼電器啟動端串入交流情況試驗(yàn)記錄表

圖9 DC220V直流繼電器啟動端串入交流電壓波形記錄圖

表8 DC110V直流繼電器啟動端串入交流情況試驗(yàn)記錄表

圖10 DC110V直流繼電器啟動端串入交流電壓波形記錄圖

（1）試驗(yàn)驗(yàn)證了ZR.KVVP4×4mm2控制電纜每100m的分布電容約28nF；

（2）試驗(yàn)中模擬的是單根、1000m長度跳閘電纜，而在變電站實(shí)際應(yīng)用中存在多根跳閘電纜并聯(lián)的情況，此時可近似根據(jù)并聯(lián)的跳閘電纜的總長度考慮分布電容值；

（3）本文中數(shù)據(jù)均為使用為CZX-12R2型操作繼電器箱的測試結(jié)果。將被測操作箱更換為CZX-22R2型操作箱（跳閘繼電器參數(shù)與CZX-12R2一致），試驗(yàn)結(jié)果一致；

（4）試驗(yàn)表明直流負(fù)極串入交流電源比直流正極串入交流電源對跳閘繼電器的影響略嚴(yán)重；

（5）試驗(yàn)表明當(dāng)直流系統(tǒng)正、負(fù)極串入交流電源時，直流DC110V系統(tǒng)較DC220V系統(tǒng)具有更好的抗誤動能力；

（6）在試驗(yàn)設(shè)定條件下，直流電源正、負(fù)極中串入AC220V交流電壓，繼電器均不動作。也即說明在工頻AC220V交流電源從直流系統(tǒng)正、負(fù)極串入時，斷路器操作箱跳閘繼電器不會誤動作。針對變電站直流系統(tǒng)正、負(fù)極串入AC220V交流電源的情況下，無需考慮斷路器操作箱跳閘繼電器的防誤動措施；

（7）在跳閘繼電器啟動端串入AC220V交流電壓的情況下，斷路器操作箱跳閘繼電器必定動作。因此在變電站運(yùn)行、維護(hù)中，需要針對跳閘繼電器啟動端做好防誤碰措施（如加裝防誤碰罩等），防止跳閘繼電器啟動端接地或串入交流電源情況發(fā)生。

[1]中華人民共和國國務(wù)院令.電力安全事故應(yīng)急處置和調(diào)查處理?xiàng)l例.2011-07-07.

[2]唐文秀,直流回路一點(diǎn)接地和交直流串?dāng)_引起保護(hù)誤動及其對策[J].電力自動化設(shè)備,2007,(09).

[3]韋恒,汪軍衡,郭懷東.直流系統(tǒng)交流混入及接地引起保護(hù)裝置誤動分析及解決方案[J].電力科學(xué)與工程,2010,(07).

[4]馮辰虎,張志華,秦俊杰,劉海東.托電220kV升壓站聯(lián)變斷路器誤跳事故分析[J].華北電力技術(shù),2006,(08).

[5]國家電網(wǎng)公司.國家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施[M].北京:國家電網(wǎng)公司,2011.