变电站二次系统交流串入直流回路对继电器的影响试验研究

冀北电力有限公司检修分公司 马迎新 田建光冀北电力有限公司 徐忱

0 引言

2011年国务院颁布了《电力安全事故应急处置和调查处理条例》[1]（以下简称《条例》），《条例》的颁布在法律责任、事故监管和电网风险等方面对电力企业产生了较大的影响。《条例》颁布后，电力企业着手开展了安全事故风险分析。在归纳出的诸多变电安全事故风险中，“变电站交流串入直流系统”（简称“交直流混电”）因其可能造成变电站多元件跳闸、电网破坏力大、负荷损失率高、防范难度大等特点，被列为重大风险。

近年来，变电站交流串入直流系统事件时有发生，这些案例影响重大、后果严重。某330kV变电站，断路器机构箱进水，机构箱内温控器烧毁，温控器上交流回路与直流回路导通，交流串入直流系统，导致330kV系统多台开关跳闸，变电站2台联变全停，110kV母线失压，地区电网受到严重影响。某重要电厂，接线人员在端子箱连接电焊机电源线时，将交流A相和直流负极接入电焊机电源输入端，交流串入直流系统，造成该电厂500kV双回送出线路跳闸。某500kV变电站，检修人员在主变非电量保护传动过程中，误将主变冷却器交流电源与直流正极短接，造成该变电站一台500kV开关跳闸，测控单元开入误导通，测控单元个别开入光隔烧毁。

专业人员对变电站交流串入直流系统的机理进行了深入研究，并制定了一系列防范措施[2-4]。国网公司十八项反措规定，对经长电缆跳闸的回路要采取防止长电缆分布电容影响和防止出口继电器误动的措施。特别是在变电站主变保护、母线保护的直跳回路加装了大功率（5W）继电器，对直跳回路跳闸增设电流判据，这些措施的实施有效降低了交直流混电对保护开入回路的影响[5]。

变电站交流串入直流系统对断路器操作回路继电器影响程度如何？尚缺乏试验证明。本文在理论分析的基础上设计了简单、直观的试验方案，对这一问题进行了研究。

1 控制电缆的分布电容及其测试方法

变电站中控制电缆大多采用铠装屏蔽电缆，其结构从内到外由导体、绝缘层、填充层、隔离层、铜带屏蔽层、引流线、内衬层、钢带铠装层、阻燃外护层等组成（见图1）。

参照平行板电容的概念，控制电缆分布电容C的大小与介质（介电常数）有关，与相对面积S(2πR1L)成正比，它们的空间距离d（R2-R1）成反比（见图2）。当控制电缆达到一定长度（L较大）的时候，导体线芯对屏蔽层的分布电容C不可忽略。

在电缆屏蔽层和电缆芯线之间加交流电源，根据测量到的交流电压（U）电流（I）计算电缆芯线对屏蔽层的等效电容，公式为：X总=U/I,C总=1/(2πf X总）。笔者对1000m控制电缆（ZR-KVVP4×4 mm2）进行了电容量测试，电缆的芯线对屏蔽层的等效电缆约为：0.28uF，每100m电缆分布电容约28nF。测试记录见表1。

图1 控制电缆结构示意图

图2 控制电缆分布电容示意图

表1 ZR-KVVP4×4 mm2控制电缆分布电容测试记录

2 交流串入直流电源系统试验经过及数据分析

2.1 试验接线

在变电站交流串入直流电源系统有3种形式，形式1为直流电源正极串入交流电，形式2为直流电源负极串入交流电，形式3为继电器启动端串入交流电。

为了验证变电站交流串入直流电源系统继电器的影响，在北京超高压公司变电实训基地进行了试验，对应3种串入形式分别设计试验接线见图3、4、5。

2.2 试验设备及元件参数

图3 直流电源正极串入交流电

为更好完成本次试验，依据试验接线图2、3、4选定相关试验设备（见表2），并比照变电站实际运行参数确定了相关试验元件参数（见表3）。

图4 直流电源负极串入交流电

图5 继电器启动端串入交流电

2.3 试验数据及分析

（1）在交流火线（L）与直流电源正极之间加空开，空开闭合后，交流系统和直流系统混接。直流电源选用DC220V，交流电源从AC220V开始以10V步长上调。当交流电源调至240V时，继电器有蜂鸣，但输出接点不闭合；当交流电源调至270V时，继电器两端电压为190V，继电器输出接点闭合。测试数据见表4，录波图见图6。

表2 试验设备明细表

表3 试验元件参数明细表

表4 DC220V直流正电源中串入交流情况试验记录表

图6 DC220V直流正电源中串入交流电压波形记录图

（2）在交流火线（L）与直流电源负极之间加空开，空开闭合后，交流系统和直流系统混接。直流电源选用DC220V，交流电源从AC220V开始以10V步长上调。当交流电源调至230V时，继电器有蜂鸣，但输出接点不闭合；当交流电源调至270V时，继电器两端电压为195V，继电器输出接点闭合。测试数据见表5，录波图见图7。

（3）在交流火线（L）与直流电源负极之间加空开，空开闭合后，交流系统和直流系统混接。直流电源选用DC110V，交流电源从AC220V开始以10V步长上调。交流电源一直调至280V，继电器两端电压仅为76V，继电器输出接点不闭合。测试数据见表6，录波图见图8。

表5 DC220V直流负电源中串入交流情况试验记录表

图7 DC220V直流负电源中串入交流电压波形记录图

表6 DC110V直流负电源中串入交流情况试验记录表

图8 DC110V直流负电源中串入交流电压波形记录图

（4）在交流火线（L）与继电器启动端之间加空开，空开闭合后，交流系统和直流系统混接。直流电源选用DC220V时，交流电源从0开始以10V步长上调，当交流电源调至80V时，继电器两端电压高达190V，继电器输出接点短时闭合。测试数据见表7，录波图见图9。

（5）在交流火线（L）与继电器启动端之间加空开，空开闭合后，交流系统和直流系统混接。直流电源选用DC110V时，交流电源从0开始以10V步长上调，当交流电源调至60V时，继电器两端电压高达105V，继电器输出接点短时闭合。测试数据见表8，录波图见图10。

3 结论

表7 DC220V直流继电器启动端串入交流情况试验记录表

图9 DC220V直流继电器启动端串入交流电压波形记录图

表8 DC110V直流继电器启动端串入交流情况试验记录表

图10 DC110V直流继电器启动端串入交流电压波形记录图

（1）试验验证了ZR.KVVP4×4mm2控制电缆每100m的分布电容约28nF；

（2）试验中模拟的是单根、1000m长度跳闸电缆，而在变电站实际应用中存在多根跳闸电缆并联的情况，此时可近似根据并联的跳闸电缆的总长度考虑分布电容值；

（3）本文中数据均为使用为CZX-12R2型操作继电器箱的测试结果。将被测操作箱更换为CZX-22R2型操作箱（跳闸继电器参数与CZX-12R2一致），试验结果一致；

（4）试验表明直流负极串入交流电源比直流正极串入交流电源对跳闸继电器的影响略严重；

（5）试验表明当直流系统正、负极串入交流电源时，直流DC110V系统较DC220V系统具有更好的抗误动能力；

（6）在试验设定条件下，直流电源正、负极中串入AC220V交流电压，继电器均不动作。也即说明在工频AC220V交流电源从直流系统正、负极串入时，断路器操作箱跳闸继电器不会误动作。针对变电站直流系统正、负极串入AC220V交流电源的情况下，无需考虑断路器操作箱跳闸继电器的防误动措施；

（7）在跳闸继电器启动端串入AC220V交流电压的情况下，断路器操作箱跳闸继电器必定动作。因此在变电站运行、维护中，需要针对跳闸继电器启动端做好防误碰措施（如加装防误碰罩等），防止跳闸继电器启动端接地或串入交流电源情况发生。

[1]中华人民共和国国务院令.电力安全事故应急处置和调查处理条例.2011-07-07.

[2]唐文秀,直流回路一点接地和交直流串扰引起保护误动及其对策[J].电力自动化设备,2007,(09).

[3]韦恒,汪军衡,郭怀东.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[J].电力科学与工程,2010,(07).

[4]冯辰虎,张志华,秦俊杰,刘海东.托电220kV升压站联变断路器误跳事故分析[J].华北电力技术,2006,(08).

[5]国家电网公司.国家电网公司十八项电网重大反事故措施[M].北京:国家电网公司,2011.