交流竄入直流后引起斷路器誤跳閘的原因及對策

蘇江武

（晉控電力河津發(fā)電分公司，山西 河津043300）

0 引言

直流系統(tǒng)在電廠運(yùn)行中具有非常重要的地位，是發(fā)電廠及各類變電站和其他直流設(shè)備用戶為信號設(shè)備、保護(hù)、自動裝置、事故照明、應(yīng)急電源及斷路器分合閘操作提供直流電源而應(yīng)用的電源設(shè)備[1]。保證一個電廠長期安全運(yùn)行的環(huán)節(jié)有很多，但保證直流系統(tǒng)的正常運(yùn)行，保持直流絕緣的良好是其重要環(huán)節(jié)，一旦交流竄入直流系統(tǒng)引起直流系統(tǒng)接地就會引起斷路器設(shè)備誤跳閘，造成機(jī)組停機(jī)，影響發(fā)電廠的正常生產(chǎn)。

1 斷路器設(shè)備誤跳閘現(xiàn)象及原因

1.1 斷路器設(shè)備誤跳閘現(xiàn)象

某電廠400 V母線進(jìn)線斷路器型號為施耐德MT08 H1，額定電流為800 A，其跳閘線圈額定電壓為100～130 V（AC/DC）。斷路器正常運(yùn)行合閘期間，其跳閘方式分兩種，一種為保護(hù)跳閘，另一種為遠(yuǎn)方跳閘指令驅(qū)動跳閘線圈動作跳閘。斷路器安裝位置與遠(yuǎn)方跳閘指令發(fā)生處相距均大于200 m，使用的跳閘指令接線線徑為2.5 mm2。2020年7月，因運(yùn)行操作引起交流竄入直流回路，致使多臺400 V進(jìn)線斷路器在正常運(yùn)行合閘期間同時無故障跳閘，導(dǎo)致運(yùn)行母線失電引起機(jī)組非正常停機(jī)。

1.2 斷路器設(shè)備誤跳閘原因分析

1.2.1 原因初步分析

現(xiàn)場斷路器跳閘操作回路電源為直流110 V供電，具體跳閘回路接線如圖1所示。當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)打至遠(yuǎn)方位置時1、2接點(diǎn)通，分散控制系統(tǒng)DCS（distribute control system）發(fā)出分閘命令后，TQ跳閘線圈動作使開關(guān)分閘；當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)打至就地位置時3、4接點(diǎn)通，按動斷路器柜門上的分閘按鈕時，TQ跳閘線圈動作使開關(guān)跳閘。

圖1 斷路器開關(guān)跳閘回路接線圖

該型號斷路器正常跳閘共有4種方式，均未動作，具體分析如下。

a）斷路器柜門上分閘按鈕手動方式跳閘（切換開關(guān)為就地）。由于多臺斷路器同時跳閘，且調(diào)取配電室監(jiān)控視頻，跳閘時相關(guān)配電室內(nèi)無運(yùn)行操作人員，排除了這種可能（包括人為操作或誤操作）。

b）開關(guān)柜上機(jī)械按鈕跳閘。同上分析排除。

c）DCS指令跳閘。檢查DCS沒有任何相關(guān)操作記錄，故障時系統(tǒng)未發(fā)出任何分閘命令，排除了這種可能。

d）各種電氣保護(hù)動作跳閘?，F(xiàn)場檢查各臺跳閘的開關(guān)，面板上無保護(hù)動作記錄，調(diào)取故障錄波器查看跳閘斷路器母線電壓，檢查跳閘前后無波動，排除了這種可能。

1.2.2 斷路器誤跳閘要因確認(rèn)

開關(guān)在沒有指令、沒有操作的情況下自行跳閘，包括跳閘線圈自行帶電跳閘和機(jī)械機(jī)構(gòu)自行跳閘2種情形，具體分析、排查了7種可能，并進(jìn)行了要因確認(rèn)，分析結(jié)果如下。

a）開關(guān)機(jī)械機(jī)構(gòu)內(nèi)部故障，脫扣跳閘?？紤]到多個開關(guān)不可能同時故障，排除此種可能。

b）配電室區(qū)域機(jī)械振動，引起開關(guān)機(jī)械脫扣跳閘?？紤]到各開關(guān)不在同一配電室內(nèi)，排除此種可能。

c)強(qiáng)烈的電磁干擾，激發(fā)跳閘線圈動作。檢查當(dāng)天操作、作業(yè)及周邊區(qū)域，無引起該種條件的工作、設(shè)備等。查閱配電室視頻監(jiān)控系統(tǒng)，確認(rèn)事發(fā)時配電室內(nèi)無人進(jìn)入，排除此種可能。

d）檢查所有跳閘開關(guān)均處在同一直流母線，若直流系統(tǒng)發(fā)生兩點(diǎn)接地，兩個接地點(diǎn)將跳閘接點(diǎn)短接，接通跳閘線圈，引起開關(guān)誤跳。檢查直流系統(tǒng)電壓正常，正對地實(shí)測為+58.1 V左右，負(fù)對地實(shí)測為-58.7 V左右，查閱直流母線監(jiān)測裝置未見報(bào)警，用500 V搖表分段搖測直流系統(tǒng)各段母線對地絕緣正常，絕緣阻值均在50 MΩ以上。

e）DCS跳閘指令線接地或者出口繼電器故障，形成跳閘指令電流，引起開關(guān)誤跳。逐一搖測各臺開關(guān)的熱工遠(yuǎn)方跳閘命令至就地控制柜二次接線對地及芯間絕緣，測試結(jié)果均合格，絕緣阻值在50 MΩ以上。同時，所有跳閘開關(guān)分閘命令卡件分布于不同柜內(nèi)，排除了此種可能。

f）檢查集控故障錄波器故障時刻的發(fā)電機(jī)電流、電壓、相應(yīng)母線電壓、系統(tǒng)電壓均無明顯波動，判斷故障與電氣一次系統(tǒng)無關(guān)。

g）交流竄入直流系統(tǒng)導(dǎo)致開關(guān)無故障跳閘。如：直流控制系統(tǒng)中的某一點(diǎn)，以接觸或感應(yīng)方式瞬時竄入交流電壓，外來電流通過系統(tǒng)接線傳播，激發(fā)了多個開關(guān)的跳閘線圈，導(dǎo)致開關(guān)跳閘。

對現(xiàn)場備用MT開關(guān)進(jìn)行解體檢查、試驗(yàn)，確認(rèn)開關(guān)跳閘線圈內(nèi)含有驅(qū)動電路板，正常時C1、C3為電路板工作電源正常帶電，C2為觸發(fā)命令，且觸發(fā)命令的功率很?。ǖ陀? W），即當(dāng)電路板瞬時收到觸發(fā)命令后立即驅(qū)動跳閘線圈動作使開關(guān)跳閘。綜上所述，可判定交流電竄入直流回路是導(dǎo)致多個斷路器同時跳閘的主要原因。

2 斷路器誤跳閘要因的試驗(yàn)論證

正常運(yùn)行期間，交直流為2個獨(dú)立的系統(tǒng)，其中直流為絕緣系統(tǒng)，交流系統(tǒng)為接地系統(tǒng)，只有當(dāng)交流系統(tǒng)竄入直流系統(tǒng)時才會導(dǎo)致直流系統(tǒng)接地。運(yùn)行期間的電纜與地之間可形成一個電容器，電纜相當(dāng)于電容器的一極，大地相當(dāng)于電容器的另一極，空氣是絕緣介質(zhì)，由此可產(chǎn)生電容效應(yīng)，電纜越長，電容容量越大。交流竄入直流控制回路導(dǎo)致開關(guān)誤跳閘的原理如2圖所示，當(dāng)交流竄入直流系統(tǒng)后，不僅會造成直流負(fù)極接地，還會通過跳閘線圈、控制電纜對地電容、大地之間形成回路，當(dāng)控制電纜足夠長時，電纜對地電容將會足夠大，交流電源會對電容形成充電回路，電容越大充電電流也將越大，當(dāng)電流大至跳閘線圈動作值后將會使線圈動作跳閘。

圖2 交流竄入直流系統(tǒng)造成的誤跳閘圖

對現(xiàn)場斷路器進(jìn)行了交流竄入直流模擬試驗(yàn)，模擬工況盡量還原現(xiàn)場實(shí)際，當(dāng)控制電纜長度大約為200 m時，直流控制電源中單邊竄入交流電源（220 V）開關(guān)瞬間跳閘（竄入的交流電壓低限值約為120 V），測量電纜對地電容約為95 nF，容抗Xc=1/2πfC=33.5×103Ω，回路電流I=U/Xc=0.006 5 A，P=1.43 W。

檢查運(yùn)行人員當(dāng)天操作設(shè)備，發(fā)現(xiàn)該設(shè)備柜內(nèi)留有絕緣片脫落痕跡，對該設(shè)備進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)其二次插頭設(shè)計(jì)存在交流誤竄入直流回路的隱患，開關(guān)同一片插頭上方接入為交流220 V電壓，而下方為直流110 V電源，若二次抽頭絕緣片破損或是插片扭曲時，極容易造成交流竄入直流系統(tǒng)。

同時運(yùn)維人員回憶當(dāng)操作此開關(guān)時，相鄰一斷路器無故障跳閘，由此可確認(rèn)交流竄入直流回路是造成此次事故的原因。至于絕緣監(jiān)測儀無故障記錄的原因，后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)不僅該絕緣監(jiān)測裝置無交竄直功能，而且由于檢修質(zhì)量原因，直流絕緣監(jiān)測儀接地線一直未恢復(fù)，導(dǎo)致此次絕緣檢測儀失去應(yīng)有功能。

3 預(yù)防斷路器誤跳閘的思路和對策

按照《繼電保護(hù)和電網(wǎng)安全自動裝置檢驗(yàn)規(guī)程》要求，直流絕緣監(jiān)測裝置應(yīng)具有交竄直監(jiān)測功能，遇到類似故障時便于故障分析。因此，我們首先要求生產(chǎn)廠家研究并優(yōu)化直流系統(tǒng)負(fù)荷分配和接線方案[2]，盡量做到分散，同類負(fù)荷接至不同的直流母線，減少電氣系統(tǒng)故障時的影響。其次，應(yīng)用單位要嚴(yán)格按照反故障措施中的要求來操作，交、直流設(shè)有明顯的可靠隔離措施，現(xiàn)場不將交、直流混裝，避免交、直流接線出現(xiàn)在同一段或串端子排上，嚴(yán)防交流竄入直流的現(xiàn)象出現(xiàn)。具體的對策如下。

a）聯(lián)系施奈德廠家更換MT斷路器跳合閘線圈，將原有的帶通信的線圈更換為標(biāo)準(zhǔn)線圈，即跳閘命令來后直接啟動跳閘線圈，無之前的觸發(fā)回路，這樣做可提升原跳閘線圈動作功率。

b）在跳閘回路中加入大功率直流繼電器（在就地開關(guān)柜中接入），即跳閘命令發(fā)出后，先啟動大功率直流繼電器，繼電器的常開接點(diǎn)開入開關(guān)柜內(nèi)的跳閘回路，同理可提高跳閘回路的功率。

c）利用停電機(jī)會對所有開關(guān)柜二次觸頭接線進(jìn)行換位，確保交直流接線不進(jìn)入同一個觸頭，避免因觸頭損壞導(dǎo)致交流竄入直流系統(tǒng)。

d）按照《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》反故障措施中的相關(guān)條文要求[3]，利用檢修機(jī)會對直流絕緣監(jiān)測裝置進(jìn)行升級改造，以增設(shè)直流接地選線、交竄直監(jiān)測選線及直流母線電壓監(jiān)視等功能。

4 結(jié)束語

發(fā)電廠的電氣設(shè)備比較多，在各類電氣設(shè)備投產(chǎn)運(yùn)行前，首先應(yīng)嚴(yán)格按照相應(yīng)的國標(biāo)、行標(biāo)等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)收，確保各類設(shè)備的選型、二次回路接線滿足《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》中的要求。其次，加強(qiáng)對運(yùn)行操作人員的管理，制定嚴(yán)格的操作規(guī)程[4]，避免因設(shè)備選型、二次回路接線及運(yùn)行人員的操作派生出新的問題或隱患。