因防雷器損壞導致斷路器無故障跳閘原因分析及對策

陳鐵 唐娟 田芝華 費夕剛 曾春利 秦代春 蔣海軍 鄭建生 孫星

摘 要：分析了防雷器因老化或雷擊等原因損壞所導致的直流系統(tǒng)一點接地問題，詳細介紹了直流系統(tǒng)正、負極接地致使斷路器無故障跳閘的原理，以及雷電流入地所引發(fā)的地電位反擊等問題。通過實驗分析了電容值與環(huán)境參數（溫、濕度）的關系，以及致使繼電器動作的臨界電壓與電容值的關系。并針對以上問題給出了相應的解決措施。

關鍵詞：直流系統(tǒng)一點接地；地電位反擊；分布電容；斷路器無故障跳閘

中圖分類號：TM77 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）02-0005-04

Abstract： This paper analyzes on the one-point grounding problem of DC system caused by the damage of lightning protector due to aging or lightning strike， and introduces in detail the principle of fault free trip of circuit breaker caused by positive and negative grounding of DC system， as well as lightning into the ground caused by the potential counterattack and other issues. The relationship between capacitance and environmental parameters （such as temperature and humidity）， as well as the relationship between the critical voltage of the relay and the capacitance are analyzed by experiments. In view of the above problems， the corresponding solutions are given.

Keywords： DC system one-point grounding； ground potential counterattack； distributed capacitance； fault free trip of circuit breaker

引言

直流系統(tǒng)是變電站二次系統(tǒng)中最為重要的公用設備之一，其作用是為斷路器分合閘操作、自動裝置、繼電保護等提供直流電源。直流系統(tǒng)幾乎遍布變電站的所有角落，且部分地方運行環(huán)境非常惡劣，因而直流系統(tǒng)一點接地、交流電源串入直流系統(tǒng)等異常情況時有發(fā)生；雷電侵擾、高壓開關操作、一次系統(tǒng)不對稱運行等暫態(tài)過程引發(fā)的干擾也會通過各種方式耦合到直流系統(tǒng)中。這些問題都極有可能引起中間繼電器的誤動作，進而導致斷路器無故障跳閘[1]。如2016年重慶某500kV變電站因負極母線上的防雷器損壞，導致直流系統(tǒng)負極接地，進而造成斷路器無故障跳閘。本文主要針對因防雷器損壞導致的斷路器誤動問題進行分析，并提出相應的解決措施以供參考。

1 誤動原因分析

1.1 直流系統(tǒng)因防雷器老化損壞導致接地故障

500kV變電站使用的控制電纜較長， 因此電纜對地的分布電容不可忽視[2]，而直流系統(tǒng)正、負極也存在相應的對地電容，其等效電路如圖1所示。當發(fā)生直流接地或交流電源竄入直流回路等情況時，一些靈敏繼電器可能會誤動作。這里主要介紹因防雷器自然老化損壞而導致的直流系統(tǒng)正極或負極接地問題。

其中C1為電源正極的等效對地電容；C2為長電纜的對地分布電容；C3為電源負極的等效對地電容。在500kV變電站中，由于直流系統(tǒng)正負極所接電纜很多，C1、C3應略大于C2，R1為長電纜等效電阻，R2為中間繼電器的等效電阻，R3、R4為直流電源正、負極對地絕緣電阻，R5為直流電源等效內阻。（R2、R3、R4要遠大于R1、R5）

正極或負極防雷器老化損壞可能會導致直流系統(tǒng)的正或負極直接接地，接地瞬間電路各點的電位會發(fā)生變化，C2、C3兩電容在暫態(tài)充放電過程中使得繼電器兩端產生電位差，即U45≠0，導致繼電器動作，詳細分析過程如下。

1.1.1 直流系統(tǒng)正母線防雷器老化損壞造成接地故障

直流系統(tǒng)正母線防雷器損壞造成正極接地時，接地0+時刻，U1=+110V、U4=U5=-110V、U45=0V。穩(wěn)態(tài)后，U1=0V，U4=U5=-220V、U45=0V。從圖1中可看出，電流經C2通過（R2+R5）流向接地點，經C3通過R5流向接地點，其中R2遠大于R5，C3略大于C2，但相差不大。由一階電路零輸入響應時間常數T=RC可知，C2的充電時間將遠大于C3的充電時間，即U4比U5變化慢很多。U45衰減過程的公式如下所示。

對該情況進行SIMULINK仿真計算，結果如圖2所示。繼電器兩端電壓（U45）在短暫上升過程后開始衰減，當U45維持在繼電器動作電壓以上的時間長于繼電器的動作時間時，繼電器有可能會動作。

1.1.2 直流系統(tǒng)負母線防雷器老化損壞造成接地故障

負極接地時，接地0+時刻，U1=+110V、U4=U5=-110V、U45=0V。接地穩(wěn)態(tài)后，U1=+220V，U4=U5=0V、U45=0V。從圖1中可看出，電流經C2通過R2流向接地點，經C3通過導線電阻RL流向接地點，顯然R2>>RL，因此C2的放電時間將遠大于C3的放電時間，即U4比U5變化慢很多，U45衰減過程的推導公式如下所示：

對該情況進行SIMULINK仿真計算，仿真結果如圖3所示。直流負極接地時U45的衰減過程與正極接地情況類似，只是極性相反，即繼電器兩端的電壓為負值。通常直流繼電器兩端都會反向并聯一續(xù)流二極管，負極性的電流流經二極管，與電容（C2）和地構成回路，此時U45一般不會作用在繼電器上，因此單純的電源負極接地故障，導致繼電器發(fā)生誤動的可能性很小。

1.2 防雷器因雷擊損壞造成繼電器誤動

研究雷電沖擊電位變化之前應明確了解遠處接地裝置和本地接地裝置的區(qū)別，即“遠地”與“本地”的區(qū)別。在沒有雷電活動時，兩點的地電位都為零，不存在電位差。而當雷電流通過“本地”接地裝置泄放時，情況便會發(fā)生變化。在雷電流作用下，單元接地體可由電阻、電感和電容組成，雷電流會在“本地”接地裝置上產生電壓降。而就“本地”接地裝置相對于“遠地”接地裝置而言具有不同的電位。即“本地”與“遠地”之間存在著電位差[3]。

（1）當有雷擊引起正極接地點電位急劇變化時，將造成“遠地”與“本地”電位不同。由于接地體不同點之間存在電阻，當雷電流通過2、6兩點時，如果兩點間接地電阻相對較大，則認為U26之間存在較大的電位差，可用電壓源串聯電阻模型來等效2、6兩點間的雷擊干擾源。其等效電路如圖4所示，R6為地網兩點之間的等效電阻。此時C1、直流電源、繼電器（或續(xù)流二極管）、C2、R6和干擾源構成回路，當雷擊等效干擾源通過該回路對電容C1、C2進行充電時，將造成C1、C2兩端電壓升高，一旦防雷器因兩端電壓過高而被擊穿（實際情況中正極防雷器接地點與C1的接地點離得很近，可將兩者視為同一接地點，因而C1兩端電壓與正極防雷器兩端電壓相等），會使得電源正極接地，當電流流向為4→5時，C2通過繼電器放電，此時的繼電器兩端電壓變化情況與1.1.1中分析的情況類似，但由于在之前C2被充電，會造成繼電器兩端電壓峰值變大，因此當防雷器被擊穿造成直流電源正極接地時，繼電器動作的可能性大大增加。當直流系統(tǒng)正極接地，電流流向為5→4時，由于繼電器兩端并有續(xù)流二極管，此時二極管導通，故繼電器兩端不會有過高電壓，此時繼電器不會動作。

（2）當有雷擊引起負極接地點電位急劇變化時，即U23之間存在較大的電位差，可用電壓源串聯電阻模型來等效2、3兩點的雷擊干擾源。其等效電路如圖5所示，R6為地網兩點之間等效電阻。此時R6、C3、繼電器（或續(xù)流二極管）、C2和干擾源構成回路，當雷擊等效干擾源通過該回路對電容C2、C3進行充電時，將造成C2、C3兩端電壓升高，而當防雷器因兩端電壓過高而被擊穿（與正極分析時相同，C3兩端電壓即負極防雷器兩端電壓），使得電源負極接地，當電流流向為4→5時，C2通過繼電器向接地點放電，此時繼電器兩端電壓變化情況與1.1.1中類似，同理由于之前C2被充電，所帶電能更大，放電時加在繼電器兩點的峰值電壓升高，繼電器動作可能性大大增加。當電流流向為5→4時，同樣由于續(xù)流二極管的存在，繼電器動作可能性很小。

2 實驗分析

由1.1分析可知，僅當防雷器老化損壞而導致直流系統(tǒng)一點接地時，中間繼電器兩端的電壓峰值不會很大，且電纜對地分布電容較小，電壓衰減速度很快，這種情況下導致斷路器誤跳閘的可能性很小。但發(fā)生雷擊時，如果防雷器因兩端電壓過大被擊穿，從而引發(fā)直流系統(tǒng)一點接地，由1.2分析可知，此時中間繼電器兩端的瞬態(tài)電壓非常高，即使分布電容很小，中間繼電器仍有可能動作，這種情況下斷路器誤跳閘的可能性很大。因此，我們需要研究在某一分布電容值下可使繼電器動作的臨界電壓值。

此外，由Wc=0.5CU2可看出，分布電容儲存的能量與電容值成正比關系，實際上分布電容的大小會隨著環(huán)境參數（溫、濕度）的變化而變化，因此我們也需要考慮環(huán)境參數改變對繼電器動作的影響。

基于以上分析，我們有必要實際測試以下兩項數據：（1）在不同電容大小情況下，可以使繼電器動作的臨界電壓值；（2）當環(huán)境參數（溫、濕度）發(fā)生變化時，電容值的變化情況。

為此，我們進行了以下兩個實驗：

2.1 實驗研究繼電器動作與電容、電壓的關系

實驗使用的是許繼DZY-208中間繼電器（其額定電壓為220V，額定值下功率消耗不超過5W），在不同電壓值下對不同電容值的電容充電，再通過充滿電的電容向繼電器放電，記錄使繼電器動作的臨界電壓值，得到的部分實驗數據如表1。繼電器動作與電容、電壓關系曲線見圖6。

由圖6可知，電容兩端電壓越高，使繼電器動作所需的電容值便越小。可將曲線上方視為繼電器動作區(qū)，曲線下方可視為安全區(qū)。實際在變電站中1000m電纜芯線對地分布電容約0.3μF。當雷電流入地時，地電位差使得分布電容兩端的電壓隨之升高，如果電壓升高到一定程度，即使很小的電容值也會使得繼電器動作。

2.2 實驗研究不同環(huán)境參數對分布電容的影響

電容介質的介電常數會隨著環(huán)境溫、濕度的變化而變化，因此我們選用平板電容器（極板間的介質為空氣）和電纜與極板組成的電容器（之間的介質為電纜絕緣橡膠和空氣）作為實驗模型。將其放入恒溫恒濕箱中，改變箱內溫濕度，記錄實驗模型的電容值。（1）為測試溫度對平板電容器電容值的影響?？刂葡鋬葷穸葹?0%RH，改變箱內溫度（13℃-35℃），利用阻抗測試儀測得不同溫度的電容值，得出其與溫度關系曲線，如圖7所示。（2）為測試濕度對平板電容器電容的影響，控制箱內溫度為30℃，改變箱內濕度（30%RH-90%RH），利用阻抗測試儀測得不同濕度的電容值，得出其與濕度的關系曲線，如圖8所示。（3）為測試溫度變化對電纜與極板之間電容的影響，首先將一定長度的電纜分散開放在極板上，一起放入恒溫恒濕箱后，控制箱內濕度為70%RH，改變箱內溫度（10℃-45℃），利用阻抗測試儀測得不同溫度的電容值，得出其與溫度的關系曲線，如圖9所示。（4）為測試濕度變化對電纜與極板之間等效電容的影響，控制箱內溫度為30℃，改變箱內濕度（35%RH-95%RH），利用阻抗測試儀測得不同濕度的電容，得出其與濕度的關系曲線，如圖10所示。

由圖7可知，當濕度為70%RH，平板電容器的容值隨溫度的升高而減小，但明顯可見容值隨溫度變化的程度非常小，變化范圍約0.4%。

由圖8可知，當溫度為30℃，平板電容器的容值隨濕度的升高而升高，變化范圍約3.1%。

由圖9可知，當濕度一定時，分散電纜與極板之間的電容隨著溫度的升高而升高，變化范圍約5.3%。

由圖10可知，當溫度一定時，分散電纜與極板之間的電容隨著濕度的升高而升高，變化范圍約3.5%。

因此，在因防雷器老化導致的直流系統(tǒng)一點接地時，僅當溫、濕度改變時，電容值的變化使繼電器動作的可能性很小。

3 解決措施

為實現變電站直流系統(tǒng)穩(wěn)定運行，降低繼電保護裝置誤動概率，可以從以下三個方面入手：提高二次設備抗干擾能力、抑制干擾源、降低干擾源與二次回路間耦合程度。

3.1 提高出口繼電器動作可靠性的措施

為防止暫態(tài)干擾電壓引起的繼電器誤動作，可以使用動作功率較大的中間繼電器，同時提高繼電器的動作電壓。

3.2 雷電流的應對措施

從上文分析可知，應盡量減小接地電阻，避免發(fā)生雷擊時，造成不同接地點之間的電位差過大。

（1）使二次回路接地點盡量遠離避雷器的接地點。

（2）通過增設人工垂直接地體，降低變電站接地系統(tǒng)的接地電阻，同時可有效減少在水平導體上的散流量，降低其他接地點的電位。

（3）避雷器的接地點盡可能架設在靠近地網中心的位置，令雷電流從接地網（正方形）的中心入地，使入地點地電位減半。

3.3 地電位差的抑制

（1）通過補充銅排以連接各接地點，使各接地點的電位差盡量降低。

（2）保證二次回路良好的對地絕緣性能，確保因雷擊等原因導致地電位差較大時，二次回路絕緣不會被擊穿。

（3）保證有電氣連接的回路中只有一個接地點，防止因同時存在兩個接地點使電纜芯線與接地網之間形成閉合回路，地電位差產生的電流會穿入該閉合回路，從而導致繼電保護裝置誤動[2]。

4 結束語

本文通過仿真和實驗得出以下結論：

（1）因防雷器自然老化損壞所導致的直流系統(tǒng)一點接地問題，僅當環(huán)境參數（溫、濕度）發(fā)生變化時，電容值的變化致使斷路器誤跳閘的可能性很小。

（2）通過實驗驗證了在分布電容較小的情況下，較大的電壓也可使繼電器動作，因而當雷擊造成地網電位急劇變化，致使防雷器被擊穿，從而引發(fā)直流系統(tǒng)一點接地時，斷路器跳閘的可能性很高。

（3）據以上分析給出了相應解決措施，主要圍繞提高繼電器動作的可靠性、雷電流的應對措施和地電位差的抑制三方面。

參考文獻：

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