交流电源串入直流电源回路导致断路器跳合闸原因分析

赵永生,庄洪波

(湖南省电力公司试验研究院,湖南长沙 410007)

电厂或变电站的电气继电保护、安全自动装置和断路器控制回路都是采用直流电源供电,直流回路分布广、数量多。在电厂或变电站,常常出现运行与基建施工、设备改造同时并存,由于工作不慎,极易造成交流电源串入直流回路。由于直流回路存在分布电容,可能出现交流电源经分布电容起动相应继电器,导致多台断路器同时跳闸或合闸,造成极其严重的事故。

1 湘潭电厂 500 kV升压站断路器全部跳闸事故

1.1 事故经过

2006-03-16T09∶43,湘潭电厂 500 kV 5011,5012,5022断路器同时跳闸,500 kV开关站全站失压,3号主变及 3号机组厂用电、4号主变失电。当时 3号机未开机,4号机未投产,湘云Ⅰ线5012、湘云Ⅱ线 5022负荷很小,2条线路带 3号机组部分厂用负荷运行。

事故发生后,所有保护均无动作信号,断路器保护记录中有多次 “断路器保护启动,断路器保护复归”记录,断路器操作箱第 1组跳闸红色信号灯和第 2组跳闸红色信号灯均亮。从录波图看,当时电流、电压无任何异常,亦无保护动作启动录波的开关量记录。

据运行人员反映,当时曾听到 3个断路器操作箱内继电器高频率异常响动。

1.2 现场试验检查

3个断路器同时跳闸,对 3/2主接线来说,没有哪个保护可以做到,实际上也没有保护动作信号。

对回路进行了全部清理检查,发现有 1个端子接线错误,即 5022断路器保护柜的 101b(Ⅱ路电源 +)本应接到 4D8端子,但实际接到了备用端子 BD8,然后通过短接线引至 4D8;而南自厂家根据设计院的修改图,也将送至3号发变组的 “5022断路器保护动作联跳”回路在 BD8端子上中转了一下。这样,导致主厂房内发变组保护的直流 +与网控直流 +并列运行。

升压站设备都在运行状态,没有人施工;但主场房有大量的施工作业,极有可能将交流电源串入直流电源回路中。

将交流电源火线经调压器接入直流 +极,零线接地。调节调压器,当交流量达到 120 V左右时,断路器突然跳闸,操作箱跳闸红灯亮,同时操作箱中不断有高频率异响,现象同故障时运行人员观察到的一样。

2 长沙电厂启备变开关 650跳闸、1号机开关 610合闸事故

2.1 事故经过

2009-06-04T01∶51,长沙电厂启备变断路器650跳开,1号机断路器 610合上,没有保护动作信号。

故障前一次设备运行方式:1号机断路器 610分;华威Ⅰ线断路器 602,华威Ⅱ线断路器 604,母联断路器 600,启备变 650断路器合。

2.2 现场试验检查

经核实,1号机断路器 610和启备变 650断路器的保护控制回路直流电源使用集控室直流电源系统;华威Ⅰ线断路器 602,华威Ⅱ线断路器 604的保护控制回路直流电源使用 220 kV升压站直流电源系统。

经落实,事故发生时正好在空预器有工作,其工作内容为:把空预器的控制回路由原来 220V交流电源改接为直流电源。

初步判断为空预器改造作业时将交流串入直流,引起了该次事故。

因 650断路器已经合上运行,仅针对 610断路器进行以下模拟试验 (610,650断路器操作箱型号相同,都由 GE公司提供):

(1)为安全起见,单独用 1组蓄电池对 610断路器操作箱供电进行试验。

(2)交流电源零线接地,火线经调压器输出,搭接 610断路器操作箱直流电源的负极,调节调压器,加交流电压为 80～100 V左右时,610断路器操作箱继电器及电压切换箱继电器开始抖动。

(3)为安全起见,不通过调压器,直接用交流电源的火线直接瞬时点到 610断路器操作箱直流电源的负极,610断路器由分开直接合上。再次重复试验,610断路器跳闸。

3 断路器同时跳闸或合闸原因分析

以交流电源串入直流电源负极回路,引起断路器跳闸为例,定性分析断路器跳闸原因。

直流回路对地有分布电容,当交流电源的火线搭接到直流的负极时,通过接地点,与电容、手合继电器 STJ形成回路。因继电器采用 +24 V固体继电器,动作速度快 (一般约 2～5 ms)、动作功率小 (继电器动作功率≤0.2 W,回路串电阻后≤2 W),在对电容的充放电过程中可能使 STJ动作,在断路器处于合闸位置时 (其辅助接点 DL闭合),将造成断路器跳闸。如图 1所示。

图 1 交流电源串入直流电源负极回路示例

同样,当断路器处于跳闸位置时,由于手合继电器 SHJ可能动作,将造成断路器合闸。

4 建 议

交流电源串入直流电源负极回路,将引起小型固态继电器抖动,造成严重后果,如断路器跳闸、合闸、保护装置失压 (电压切换继电器抖动)等。必须采取措施杜绝这种严重事故的发生。

(1)对经屏外电缆起动的出口或有重要影响的继电器应采用强电启动、大功率 (动作功率≥5 W)、慢速 (动作时间≥10 ms)的继电器。

《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》第14.7.5条要求:“对经长电缆跳闸的回路,应采取措施防止长电缆分布电容影响和防止出口继电器误动的措施”。国家电网公司新企标 《线路保护及辅助装置标准化设计规范》4.2.2条要求:“对于可能导致多个断路器同时跳闸的直跳开入,应采取措施防止直跳开入的保护误动。例如:在开入回路中装设大功率重动继电器,或采取软件防误措施 。”。

从以上措施来看,本意都是为防止交流电源经分布电容串入直流回路,使继电器或光耦开入(其动作功率更小、动作速度更快)误动而采取的措施。对于变压器非电量保护,《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》第 14.2.5条明确要求:“非电量保护开关场部分的中间继电器,必须由强电直流起动且应采用起动功率较大的中间继电器,其动作速度不宜小于 10 ms”,这在实际装置上已得到了落实和运用。

但操作箱及电压切换箱中许多继电器或一些光耦开入,如手合继电器 SHJ,手跳继电器 STJ,三跳继电器 TJR,电压切换继电器 YQJ,外部联跳开入,断路器非全相接点开入等,其启动回路来自本屏外 (甚至来自开关场),存在一定的分布电容。如果采用的继电器或光耦动作功率小、动作速度快,就易受交流电源干扰而动作。因此也应采用大功率 (动作功率 ≥5W)、 慢速 (动作时间 ≥10 ms)的继电器,从能量和延时 2个方面使继电器躲开交流电源的干扰。

(2)直流系统应分段运行。为尽量避免交流电源串入直流电源回路导致装置不正常或发生严重事故,应将负荷合理地分配到不同的直流蓄电池组。发电厂集控与网控直流系统要独立,有 2组直流系统的应分段运行。

(3)在已有设备运行的发电厂或变电站进行安装和检修工作,应采取有效的安全措施,严禁交流电源串入直流电源回路。

(4)将直流电源电压 (正极—地和负极—地)送入录波装置,在有交流分量时起动录波,并发出告警,以便及早发现交流电源串入直流电源回路故障,及时进行处理,也便于事故后的分析处理。