浅论电气设备控制系统操作过电压

杨承明

引黄工程电气设备控制系统包括控制、操作、信号、继电保护及自动控制等回路。一般情况下,电气设备控制系统不论其工作电压大小,控制回路元件多少,都会出现工作电压振荡和波动等现象,虽然这些振荡电压很少引起设备绝缘的破坏,但却经常引起继电保护、自动装置的误动作,给电气设备日常运行管理工作带来不便。下面通过几个工程现场事故案例,着重对电气设备控制系统过电压的成因及防范措施等进行分析和论述。

1 案例分析

2009年 7月 16日,在引黄工程泵站 2#排水泵进行启动操作过程中,现地控制盘柜瞬时出现“直流系统故障”和“直流接地”信号。从现场现地控制单元LCU信号和数据记录得出,事故发生时排水泵控制回路发生了电流、电压波动。在随后进行的故障排查和检修中,检修人员发现排水泵控制电源合闸线圈绝缘破坏。通过故障判断分析事故发现,由于 2#排水泵日常渗漏排水工作量大,电机启停频繁,且电源操作机构振动较大,导致线圈绝缘破坏,从而造成直流系统接地故障。当直流系统发生接地故障时,该排水泵电源操作机构切断接地的感性电流,而发生直流系统操作过电压,使排水泵保护回路中负序保护动作,并发出“直流电源故障”信号。

2010年 5月,下土寨变电站间断性地发出“直流系统故障”、“直流接地”等信号。随后值班人员巡回检查发现,10 kV配电室有焦糊味,并伴有轻微放电声,进一步检查发现一个接地端子在断续放电。通过事故分析判断,是由于某些端子松动,造成电流互感器CT回路断续开路,而发生过电压使开路端子击穿,导致直流母线电压检测继电器动作,并发出“直流系统故障”、“直流接地”等信号。在经过检修人员对 CT回路端子检修、紧固后,“直流系统故障”、“直流接地”信号再未出现。

2 设备操作过电压的产生过程

操作过电压是由于系统内部参数发生变化时电磁能量的振荡和积累所引起的,当系统由一种稳定状态过渡到另一种稳定状态时,在转变过程中由于系统内部电磁能量的振荡、互换及重新分布就可能在某些设备上产生很高的过电压。

1)直流控制回路发生直接接地故障引起的操作过电压。一般情况下,直流电源控制系统是通过蓄电池组和浮充电设备为全厂所有直流负荷供电,并且直流系统对地绝缘水平较弱,这样可以将直流控制系统正、负极对地等效为 2个电容器,当其中一极发生金属接地时,其通过故障点对地放电,而产生操作过电压。直流系统操作过电压的强度,往往与其对地绝缘水平强弱、直流系统回路多少成正比,即直流电源控制系统对地绝缘水平愈高、直流系统回路愈多,其储存的能量就越大,发生接地故障时产生的过电压也愈高。

2)在设备控制回路中,电磁型操作机构动作(开、合)引起的过电压。当进行开关操作时,通常电磁型操作机构线圈中流过电流,小的达到几 A,大的可到几百 A,操作机构的辅助接点在切断感性电流的瞬间,直流系统中会产生操作过电压。

3)直流伺服机构操作引起的过电压。直流伺服机构动作过程中,在进行开合回路感性负荷时,会引起直流系统过电压,但直流伺服机构操作时所用功率一般较小,其所产生的过电压也较电磁型操作机构过电压低。

4)在二次保护回路中,由于 CT二次负荷突变引起的操作过电压。在电气设备继电保护接线回路中,当CT回路中串联接入某些仪表时,且被接入的仪表、仪器阻抗值较大,就造成回路负荷与阻抗值不匹配,产生突变过程。这一暂态过程虽不引起很高的过电压,但使灵敏度较高的继电保护会产生误动作。例如在引黄工程总干线一级泵站曾经出现过因CT二次回路接入测量仪表,而导致负序闭锁装置误发信号的情况。

3 措施

1)在直流母线上正负极之间安装容量较大的电容器,当发生接地故障时,以吸收正负电荷,从而抑制直流控制系统操作过电压的幅值。

2)控制回路设计时,CT、PT(电压互感器)、直流回路不应合用同一根电缆。在现场设备设施更新改造时,当需使用原电缆的备用电缆芯时,应尽量避免与CT、PT回路合用一条电缆。

3)在继电保护二次回路中,当保护装置距离跳闸继电器较远时,最好采用单独的电缆,与其他电缆分开使用,以减小分布电容。

4)在工作现场,当进行保护、测量、控制等二次回路进行试验,需要在 CT回路串接其他仪器、仪表时,应防止阻抗的突然变化,导致过电压的发生。

5)在进行保护、测量、控制等二次回路工作时,检修人员要使用专用工具,尽量防止直流系统接地的发生。

6)在泵站或动力车间的设计和安装时,应尽可能使动力直流电源与控制操作直流系统分别布置,减少直流系统电源负荷和回路,从而降低操作过电压的发生。

[1] 李光琦.电力系统暂态分析[M].第 2版.北京：中国电力出版社,2007：75-92.