直流系统交流混入及接地引起保护装置误动分析及解决方案

韦 恒,汪军衡,郭怀东

(1广西省电力公司生产技术部,广西 南宁 530023;2湖北省孝感市供电公司生产技术部,湖北 孝感431600;3华北电力大学,河北 保定 071003)

直流系统交流混入及接地引起保护装置误动分析及解决方案

韦 恒1,汪军衡2,郭怀东3

(1广西省电力公司生产技术部,广西 南宁 530023;2湖北省孝感市供电公司生产技术部,湖北 孝感431600;3华北电力大学,河北 保定 071003)

分析了交流直流回路相互混入引起过电压,致使保护回路、控制回路、信号回路误动作,以及直流回路一点接地引起继电保护装置误动作的原因,认为其根本原因在于直流控制回路的电缆过长,分布电容过大。当直流回路发生一点接地或直流回路通过交流回路混入接地时,分布电容发生瞬时放电,形成干扰源,引起中间继电器动作是此类自动化装置误动作的根本原因。给出了针对此类干扰的几种解决方案：加强交流混入的监测、缩短直流控制电缆的长度或采用光缆代替电缆、提高出口中间继电器和断路嚣跳闸线圈电压、用直流继电器代替光电隔离元件。

直流回路;一点接地;交直流混入;保护误动作

0 引 言

近年来,电力系统多次发生由于直流回路一点接地,或交直流回路相互混入而引起过电压、致使保护装置误动作。此类现象出现时,往往保护装置没有动作信号 (即保护装置没有出口),而操作箱有时有动作信号,有时没有动作信号,很难查找误动原因。如2010年1月广西某变电站1号所用非电量保护误动造成所用变高压侧开关跳闸事件。此次事故最终查明到控制回路,现场使用的交、直流双输入开关电源造成交流电源系统经开关电源整流回路耦合到直流电源系统中时,直流系统中的分布电容电压通过大地能形成回路,造成直流系统中有交流分量。事故是由于交直流回路有混入,引起直流回路瞬时一点接地,操作回路中控制电缆较长引起的。这里对此类问题进行了系统的分析,进而提出了解决的措施以供参考。

1 误动作原因分析

1.1 直流回路一点接地问题分析

大、中型变电站、电厂使用的控制电缆较长,存在着一定的分布电容。这样,在直流系统正、负极对地之间将有 2个可观的电容。直流跳闸回路的简化等值电路图如图 1所示。图中电容为控制回路电缆分布电容的等值电容。电缆越长,此分布电容越大,其放电容量越大。

图中 K M2为电磁阀线圈,其他为直流监测系统设备。

图1 保护装置控制回路的电路图Fig.1 Control circuit of protection device

当在 A点发生接地时,绝缘监测装置启动选线对 K M2没有任何影响,当 B点发生接地时,绝缘监测装置启动选线,C3,C4通过 R,K M2线圈放电。由于电容两端电压不能突变,在接地的瞬间就会形成环流,此电流为分布电容的放电电流,不计线圈电感,其表达式为

式中：R∑为整个等值放电回路的等值电阻;C∑为等值分布电容。

电流波形如图 2所示。

图2 电容电流波形图Fig.2 Waveform of capacitance current

该电流为一典型的逐步衰减的直流波形,从式 (1)中可以看到,等值电容 C∑越大,即控制电缆越长,b电容的放电时间越长;回路电阻 R∑越小,该电流衰减就越慢。

1.2 交直流混入问题分析

交直流混入问题实质上也是直流回路一点接地问题。因直流系统是通过绝缘监察装置接地的,正常运行时正负极不允许接地。而交流系统有地线,一旦交直流发生混入,就会相应形成直流回路一点接地。由以上分析可知,是相同的原因引起保护装置误动作的。

图3为直流系统绝缘监察原理图,图 4为保护装置跳闸示意图。图中：R0,R为直流电源绝缘监察装置的电阻;R+,R-为正、负极对地绝缘电阻;KXJ为绝缘监察继电器;TXJ为跳闸信号继电器;TZJ为跳闸中间继电器。由于保护装置跳闸中间继电器控制电缆较长。电缆对地分布电容很大,当变电站直流电源一点接地时,很容易引起保护装置误跳闸。

图3 直流系统绝缘监察原理图Fig.3 Schematic of DC system insu lation m onitoring

图4 保护装置跳闸示意图Fig.4 Protector tripping schematic diagram

正常运行时,直流系统绝缘良好,单一的直流耦合在跳闸继电器中分压很小,不足以使跳闸回路误跳闸。但当绝缘降低时 R+可能会下降很多,由于绝缘下降而引起的跳闸,继电器 TXJ的电压如图 5(a)所示。如果绝缘完全损坏,有 R+=0,此时跳闸继电器两端有直流分压绝缘下降引起驱动电压 U。

图5 中间继电器的驱动电压Fig.5 Drive voltage of ralay

由于保护装置的动作信号继电器与中间继电器之间通常有二极管隔离,此二极管对交流电压起整流作用,如图 5(b)所示。由于交直流的混入将 220 V交流电压直接加入直流跳闸回路,而直流跳闸回路的二极管将对此交流电压进行半波整流,变成脉动电压 U2,交流电压对控制电缆分布电容 C的充放电过程将使脉动电压趋于连续的电压。此时跳闸中间继电器 TZJ的端电压为

跳闸中间继电器的端电压 UTZJ波形如图 5(c)所示。这个电压一般情况下会远大于(0.55%～0.60%),即远大于中间继电器的动作电压,提高继电器的动作功率很难解决,因此对于直流控制回路严禁交流混接。

1.3 直流回路一点接地引起其他问题的分析

对于直流操作回路,电缆的分布电容或多或少总是存在的,电缆越长,其分布电容就越大。一旦发生直流回路一点接地或发生交直流混入,就会使分布电容放电,在直流操作回路中形成干扰。实际上在此类情况下,很多用于防止干扰、隔离直流电源的光电隔离元件是挡不住这种干扰的。目前,系统中广泛使用的 220 V/24 V光电隔离元件,最灵敏的导通电流仅 1.4 mA。此类光电隔离实际上起不到多大的抗干扰作用。在直流回路发生一点接地时很容易误导通,此类问题保护装置的操作回路都存在,现场通常发生由此引起的保护装置误动作。

2 交流混入的事故监察与解决措施

这类问题的直接原因是控制电缆较长,线路复杂,引起分布电容较大造成的。直流回路发生一点接地在运行中有时是难以避免的,直流回路发生交直流混入引起装置误动作,只要在设计和运行时加以注意是可以避免的。为了及时有效地检测交流混入直流回路的事故,直流绝缘监察装置应增加交流混入检测功能,准确报警事故线路,防止事故扩大。HY-DC300直流绝缘监察装置及交流混入检测选线装置采用交直流选线综合原理技术,在完成直流接地选线的同时,也可以实现工频混入直流母线检测选线功能,当混入直流母线的对地工频电压大于 10V时可准确选出混入母线及混入线路,为及时发现故障、排除故障隐患提供了可靠依据。

直流系统因此对于新设计的变电所和发电厂,应尽量避免在控制回路中使用过长的直流控制电缆。实践证明,当直流控制电缆大于 200 m时,很容易引起类似问题。在加大检测预防力度同时增加易受干扰的继电器的工作功率,其启动电压应大于直流额定电压的 55%(包括断路器跳闸电压),或者增加光隔的导通功率,其启动电压亦大于直流额定电压的 55%～60%,实践证明也是一个行之有效的措施。对于旧的变电站或发电厂,或许也是唯一可行的解决办法。建议与跳、合闸回路相关的光隔元件最好改用直流继电器予以隔离。对于某些变电站或电厂,由于受一次设备及二次设备布置的限制,控制电缆较长,现场曾出现过 500～600 m的情况。这种情况,简单地依靠提高受干扰继电器的动作功率,也不能彻底解决问题。此时一种行之有效的解决方案是采用光缆代替电缆来传递信号,如图 6所示。

图6 采用光缆代替电缆Fig.6 Replace the long cab les by optical fiber

采用光缆代替电缆,将保护装置电信号转换为光信号,以光信号的形式传递到开关站后,再经光电转换装置转换成电信号,以驱动 220 V的控制回路。这种方式完全克服了长电缆分布电容的影响,当然也就不存在分布电容的放电问题了,只是需要增加一对电/光和光/电转换装置。这种解决问题的方法在现场中是切实可行的。

3 结 论

针对近年来频繁出现的直流回路一点接地、交直流混入引起保护装置误动作的原因进行了详细的分析,认为其直接原因是由于直流控制回路中电缆的分布电容过大,当发生直流回路一点接地或交直流混入时,分布电容对跳闸出口元件发生瞬间放电,此放电电流是引起此类干扰的根本原因。解决这类干扰行之有效的措施是对于新建变电所或发电厂尽量缩短直流控制电缆的长度,并按 “反措要点”的要求,提高出口中间继电器和断路器跳闸线圈电压,用继电器代替光隔。对于控制电缆过长的情况。可以考虑采用光缆代替电缆,达到防止误动的目的。

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Malfunction of Protection Device and Solutions of AC Mixed with DC System and Grounding

WeiHeng1,Wang Junheng2,Guo Huaidong3
(1.Guangxi Power Grid Corporation Production Technology Department,Nanning 530023,China;2.Hubei Xiaogan Power Supply Company Production Technology Department,Xiaogan 431600,China;3.North China Electric Power University,Baoding 071003,China)

The protection circuit,control circuit and signal circuitmisoperations due to over-voltage caused by single-point grounding of DC circuit or AC-DC interference,as well as the protection equipmentmisoperations caused by single-pointgrounding of DC circuit,are analyzed in this paper.It ismainly because the cable of DC control circuit is too long and its distributed capacitance is too large.When single-pointgrounding happens in DC circuit or the severemutual interference between DC and AC circuits effects as DC grounding,the sudden discharge of distributed capacitance,as a disturbance source,activates the output relay.Countermeasures are suggested as below,exchange the detection of ACmixed,shorten the length of DC control cables or replace the long cables by optical fiber,increase the voltageof intermediateoutput relay and breaker tripcoil,use DC relays instead of optoelectronic isolated components.

DC circuit;single-pointgrounding;AC-DC interference;protection misoperation

T M712

A

2010-05-10。

韦恒 (1972-),男,高级工程师,E-mail：guohuaidong 111@yahoo.com.cn。