交直流互串導(dǎo)致滅磁開關(guān)誤動原因分析及防范措施

周國平 ，張 炯 ，李辰龍 ，蔣 琛

(1.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇南京211102；2.上虞市電力公司，浙江上虞312300)

直流系統(tǒng)是電力系統(tǒng)控制保護(hù)的重要組成部分，直流系統(tǒng)的正常運(yùn)行是繼電保護(hù)正確動作的基本保證。然而實(shí)際運(yùn)行中，直流系統(tǒng)的故障時(shí)有發(fā)生，直流電源的主要故障有直流接地、短路，交流串入直流等，這些都對繼電保護(hù)的正確運(yùn)行造成了很大的影響，給系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來威脅。隨著大型電廠（變電站）容量的不斷擴(kuò)大，各個(gè)保護(hù)控制室之間的距離也越來越大，相互間的控制電纜很長，電纜對地的分布電容也不斷增大。一旦發(fā)生直流系統(tǒng)接地或交流電源串入直流系統(tǒng)，將會引起保護(hù)誤動作。如何防止交流竄入直流及減少其給系統(tǒng)帶來的危險(xiǎn)，是各運(yùn)行生產(chǎn)單位需要解決的實(shí)際問題。某電廠就發(fā)生了一起交流竄入直流回路導(dǎo)致滅磁開關(guān)誤跳閘的事故。

1事故情況介紹

2012年12月，某電廠1號機(jī)組跳閘，發(fā)變組保護(hù)跳出口開關(guān)5011、5021，機(jī)組停機(jī)，中央信號顯示為滅磁開關(guān)跳閘全停機(jī)組。電廠主接線圖見圖1。

圖1電廠電氣主接線

2事故原因分析

2.1現(xiàn)場檢查情況

事故發(fā)生后，保護(hù)人員迅速對1號發(fā)變組二次設(shè)備進(jìn)行檢查。電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)ECS動作記錄如下：13∶07∶35.732， 滅磁開關(guān)分閘；13∶07∶35∶733，C 循泵跳閘；13∶07∶35.774，發(fā)變組保護(hù)“滅磁開關(guān)跳閘全停機(jī)組”動作；13∶07∶35.830，主變高壓側(cè)開關(guān) 5011、5012 跳閘。

滅磁開關(guān)與發(fā)變組保護(hù)的動作邏輯如圖2所示。滅磁開關(guān)動作后，其常閉接點(diǎn)閉合，使發(fā)變組保護(hù)“滅磁開關(guān)跳閘全停機(jī)組”直跳回路動作，只要此直跳回路動作，發(fā)電機(jī)將停機(jī)。由此可知，滅磁開關(guān)跳閘是造成該次事故的最直接原因。而滅磁開關(guān)跳閘之前保護(hù)并沒有任何動作信號。

圖2滅磁開關(guān)與保護(hù)動作邏輯

通過勵磁調(diào)節(jié)器報(bào)文，發(fā)現(xiàn)滅磁開關(guān)跳閘原因?yàn)檎{(diào)節(jié)器收到了“外部跳閘”命令，此信號只有保護(hù)至勵磁調(diào)節(jié)器的跳閘回路導(dǎo)通后才會發(fā)，而同一時(shí)間保護(hù)沒有任何動作信號。

對保護(hù)至勵磁調(diào)節(jié)器的跳閘回路進(jìn)行了絕緣測試，結(jié)果正常，絕緣滿足要求?？紤]到保護(hù)至勵磁調(diào)節(jié)器的跳閘回路控制電纜較長，而且在停機(jī)的同一時(shí)間，C循泵在沒有任何保護(hù)的情況下也發(fā)生了跳閘，由此重點(diǎn)懷疑是直流電源發(fā)生了瞬時(shí)正接地或交流串入了直流，從而引起了滅磁開關(guān)跳閘。

2.2開關(guān)跳閘原因分析

該次滅磁開關(guān)誤跳事故可從以下2種情況分析。

（1）直流正接地，由于保護(hù)室至勵磁小室電纜較長，電纜對地有一定分布電容。如圖3所示，正常情況下，勵磁調(diào)節(jié)器中勵磁跳閘回路A點(diǎn)對地電位為-55 V，對地電容電流也較小。當(dāng)+KM接地時(shí)（即直流正接地），則+KM對地電位變?yōu)?，-KM對地電位變?yōu)?110 V，由于電容兩端的電壓是不能突變的，因此A點(diǎn)對地電位不能突變，在剛開始接地的瞬間仍為-55 V。這樣剛開始接地的瞬間在繼電器線圈的兩端就產(chǎn)生了55 V的電壓，此時(shí)會有較大的充電電容電流流過繼電器線圈，當(dāng)繼電器的動作功率較小時(shí)，有可能會誤動。

（2）交流電源串接到直流電源母線上，如圖4所示，串入交流電源流向如圖中虛線所示，當(dāng)交流電源串接到直流電源母線上時(shí)，流過出口繼電器的電流I如式（1）所示：

式中：U為串入交流電電壓；R為出口繼電器K03在交流等效回路中的電阻值；C為電纜對地分布電容。電纜越長，電容值C越大，流過出口繼電器線圈的電流就越大，當(dāng)其大于繼電器動作電流時(shí)，繼電器就會動作[1]。

圖4直流電源串入交流電

檢查相關(guān)設(shè)備發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)遠(yuǎn)動裝置電源模塊被擊穿，可初步確認(rèn)該次事故原因是交流串入了直流。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，400 V廠用電源測控屏直流空開處于跳閘位置，測量其直流開入回路中含有交流分量，經(jīng)檢查，此交流分量來自400 V電源配電柜的事故音響小母線，為報(bào)警接點(diǎn)碰到了交流電（原因?yàn)閳?bào)警接點(diǎn)與交流電端子排距離過近，后將此報(bào)警接點(diǎn)與交流電源進(jìn)行隔離。發(fā)電機(jī)組再次并網(wǎng)后，運(yùn)行良好，沒再出現(xiàn)過該類事故），交流電串入直流后測控屏直流空開跳閘，交流串入電源隨即從直流中被切除，所以當(dāng)時(shí)在勵磁跳閘回路中并沒有測量到交流分量。

由以上分析可知，滅磁開關(guān)跳閘的原因是，交流電壓通過400 V測控裝置直流回路疊加到直流母線上，又經(jīng)勵磁系統(tǒng)直流空開QFK11及滅磁開關(guān)跳閘繼電器K03、電纜對地電容C與地連接，構(gòu)成交流電源的閉環(huán)回路，如圖5所示。由于保護(hù)至滅磁開關(guān)的跳閘電纜較長，電纜對地分布電容比較大，由式（1）可知，分布電容C越大，則產(chǎn)生的電流也越大，一旦大于繼電器K03的動作電流，將導(dǎo)致K03動作，滅磁開關(guān)跳閘。經(jīng)現(xiàn)場檢測，滅磁開關(guān)跳閘繼電器K03動作功率僅為0.5 W（動作電流約為8 mA），遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于反措所規(guī)定大于5 W的要求[2]。循泵跳閘原因同滅磁開關(guān)一樣，同樣存在著電纜過長、繼電器動作功率偏小的問題。

圖5直流串交流后繼電器誤動電路

3防范措施

交流電源串入直流電源，此類事件的隨機(jī)性強(qiáng)，涉及全廠幾乎所有的交直流二次系統(tǒng)，造成的后果往往很嚴(yán)重。針對此類事故采取下列措施。

3.1提高中間繼電器K03動作功率

在勵磁柜跳閘繼電器K03線圈上并聯(lián)接入2組1.5 kΩ、功率為10 W的電阻，經(jīng)校驗(yàn)，繼電器動作功率大于5 W，達(dá)到了反措要求。對于6 kV偱泵，更換中間跳閘繼電器，使其功率大于5 W。

3.2其他措施及探討

（1）在設(shè)計(jì)制造環(huán)節(jié)上，防止交直流輔助接點(diǎn)混用；規(guī)范刀閘、斷路器輔助接點(diǎn)的使用，將保護(hù)用直流輔助接點(diǎn)和交流電氣閉鎖回路用輔助接點(diǎn)適當(dāng)隔離，電氣防誤與母差、線路保護(hù)用切換回路所用輔助接點(diǎn)之間以空端子隔離；開關(guān)端子箱中的交、直流端子分區(qū)布置；取消保護(hù)屏內(nèi)的交流照明、加熱器回路，打印機(jī)電源獨(dú)立布置；二次設(shè)備禁止采用交、直流混合模式供電。對于變壓器保護(hù)啟動風(fēng)冷回路，禁止將保護(hù)出口接點(diǎn)直接接入變壓器風(fēng)冷交流回路，需加一中間繼電器，由中間繼電器輔助接點(diǎn)啟動變壓器風(fēng)冷交流回路。

（2）合理規(guī)范二次電纜的路徑，避免和減少電纜的迂回，有效控制電纜對地分布電容。對不同用途的電纜分開布置也可減少分布電容效應(yīng)[3]。

（3）對于各個(gè)電廠（變電站），如果廠站內(nèi)遠(yuǎn)跳、遠(yuǎn)傳回路、失靈啟動回路、失靈聯(lián)跳、機(jī)變聯(lián)跳回路、變壓器非電量跳閘回路控制電纜較長，應(yīng)避免使用直接啟動光耦的方式，應(yīng)采用大功率繼電器傳輸方式[4]，其動作功率應(yīng)達(dá)到大于5 W的要求。目前江蘇600 MW以上的大部分大型機(jī)組使用ABB公司的勵磁調(diào)節(jié)器，但是其滅磁開關(guān)跳閘回路普遍存在繼電器動作功率偏小的問題，之前已經(jīng)有電廠出現(xiàn)過由于此種原因造成滅磁開關(guān)誤跳的事故。因此建議各廠根據(jù)實(shí)際情況增加中間繼電器的動作功率，可以采用更換繼電器或在原有繼電器跳閘線圈中并聯(lián)電阻的方法，使其動作功率大于5 W。對于DCS至勵磁系統(tǒng)的開入量，其裝置開入電源為24 V，由于改為強(qiáng)電開入存在一定難度，對于重要的開入量，如“勵磁投入”、“勵磁退出”等，應(yīng)采用大功率中間繼電器傳輸方式。

（4）由于直流繼電器動作是具有方向性的，當(dāng)交流串入直流后，繼電器會在交流電的半周波動作，而在另一半周波返回，因此在不影響保護(hù)性能的前提下對于某些可能引起誤動的關(guān)鍵開入量，可以增設(shè)動作延時(shí)來降低靈敏度，以躲避工頻交流量串入時(shí)帶來的干擾。為了提高保護(hù)輸入光耦在直流接地、交流串入直流等情況下的抗干擾能力，從2006年起華東調(diào)度就采用在分相電流差動保護(hù)遠(yuǎn)方跳閘輸入光耦中增加20 ms延時(shí)以躲過干擾。

4結(jié)束語

針對直流系統(tǒng)故障造成電廠（變電站）開關(guān)誤跳或設(shè)備損壞等事故，通過對事故檢查、分析和處理解決，提出了相應(yīng)的防范措施。一方面從設(shè)計(jì)源頭、管理方面下工夫，減少交流串入直流回路的源頭；另一方面在技術(shù)層面上重點(diǎn)解決交流串入直流后如何防止誤跳閘。這樣將大大降低直流系統(tǒng)故障造成重大設(shè)備事故的概率，提高設(shè)備的安全穩(wěn)定性。

[1]陸 榛，黃 巍，任曉輝，等.廠站交直流互串跳閘分析及防范措施[J].福建電力與電工，2008，28(1)：29-31.

[2]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：中國電力出版社，2005.

[3]馬世燕.控制電纜分布電容對繼電器控制系統(tǒng)的影響[J].建筑電氣，2012，31(3)：4-8.

[4]丁曉兵，趙曼勇，皮顯松，等.防止交流串入直流導(dǎo)致母線保護(hù)誤動的措施[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2008，36(22)：97-99.