交流串入直流系统引起500 k V断路器跳闸分析

臧 斌，张建勋，王海英，寇凌岳，徐 忱

（冀北电力检修分公司，北京 102488）

0 引言

在变电站的二次系统中，交流串入直流回路导致的直流系统危害：一是直流系统出现金属性接地；二是引起保护出口继电器动作；三是直流段内电压周期性变化，损坏继电保护和自动装置［1－3］。2010 年某500 kV变电站内，发生了一起典型的交流串入直流系统故障，造成500 kV断路器跳闸的事故。

变电站500 kV一次接线为3／2接线，接线示意图如图1所示，图中虚线部分表示未带电设备。故障 前 ，2 号 母 线 、5013、5023、5033、5004、5042、5052断路器停电检修，3号、4号主变停电检修，5043、5053断路器为扩建工程调试，其它为正常运行方式。

图1 变电站500 kV一次系统接线示意图

1 故障概况

变电站500 kV 2号母线及相关设备停电检修期间，运行设备5011断路器操作箱FCX－22J跳A、跳B、跳C灯亮，故障录波器显示5011断路器三相出口跳闸，检查5011断路器三相分位。监控机信息显示直流电源一段发生直流接地；5022断路器非全相动作、SF6压力低闭锁、隔离开关分合频繁报警复归，断路器保护信号电源消失；5053断路器相关隔离开关频繁分合信号；4号主变非电量保护直流电源消失。大量SOE信息上送，报文时间持续约3 s。

初步检查发现，5011断路器保护未动作，操作箱三相出口跳闸；5022断路器未跳闸，隔离开关未动作，保护信号电源空气开关跳闸；5053断路器隔离开关未分合；4号主变非电量保护直流电源空气开关跳闸。

2 故障查找及原因分析

2.1 直流接地

根据监控信号和设备动作情况初步分析：直流电源I段存在接地点；4号主变非电量保护和5022断路器保护信号电源回路存在短路或设备元件损坏。针对空气开关跳闸回路进行绝缘检查发现，5022断路器SF6压力低闭锁信号J905绝缘低，其余回路正常。

2.2 空气开关跳闸

4号主变非电量保护电源与5022断路器保护信号电源同属于直流系统I段，如图2所示。 5022断路器保护信号电源负接地，而其空气开关跳闸，则可推断直流系统I段正电端也可能存在接地点。由于4号主变非电量保护电源空气开关跳闸，则重点检查4号主变非电量保护电源回路。

图2 空气开关跳闸回路示意图

2.3 SOE报文分析

通过分析SOE报文信息，发现各继电器动作复归呈周期性，如图3所示为SF6压力低闭锁信号故障波形。综合继电器动作情况和监控SOE报文周期性规律，可判断直流系统I段中混入交流。结合直流空气开关跳闸结论，则可确定4号主变非电量保护电源正电端发生短时交流串入直流系统。

图3 SF6压力低闭锁信号故障波形

综上所述，故障原因为：5022断路器SF6压力低闭锁信号回路负接地；4号主变非电量保护回路正电源端发生短时交流混入。

DL／T995－2006《继电保护和电网安全自动装置校验规程》规定，操作箱出口继电器动作电压值应在55%～70%额定电压之间，且交流混入受电缆对地耦合电容值影响。因此，针对5011断路器操作箱出口继电器进行了模拟试验，以验证其是否满足设计要求。

3 模拟试验

3.1 试验参数

模拟试验接线如图4所示。

图4 模拟试验接线图

具体参数如下。

直流电源：DC 220 V

交流电源：0～300 V（有效值）可调

R1／R2：25 kΩ

RLY继电器：选取1TJR继电器，内阻6kΩ（DC 220 V）

PR：继电器的动作接点

K：空气开关

跳闸电缆型号：ZR.KVVP 4 mm×4 mm

跳闸电缆长度：1000 m

测量其对地耦合电容值为280 μF。

3.2 交流混入直流正极

以交流混入直流系统正电端为例，不考虑直流、交流电源内阻，改变电缆长度，二次交流电压值大小等变量，以检测常用继电器及故障继电器动作特性。

（1）电缆长度对继电器动作特性的影响。

表1 试验结果

通过试验数据可以看出，电缆越长，其对地耦合电容越大，继电器承受电压值越大，反之则越小。

（2）工频交流电压值对继电器动作的影响。

以1000 m电缆长度为例，工频交流电压幅值大小对继电器承受电压的影响如图5、图6所示。通过两图对比，可以得出，工频交流幅值越大，则继电器承受电压越大，反之则越小，试验数据与分析结果一致。

图5 继电器承受电压（220 V交流）

图6 继电器承受电压（270 V交流）

（3）数学计算模型。

根据图4可得等值电路图，如图7所示。经推导，得出继电器的交流分压有效值为

图7 等值电路图

综上所述，工频交流混入直流系统中，影响继电器动作的主要因素有电缆长度、工频交流幅值、继电器内阻。本文所提故障中，操作箱继电器内阻元件损坏，致使继电器动作功率减小。

4 防范措施

目前，防止工频交流混入直流系统造成误动作的主要措施是提高出口继电器等动作功率、削减工频交流幅值大小。

4.1 比较分析

提高继电器动作功率［4］。优点是提高了继电器的抗干扰能力，缺点是降低了继电器的灵敏性，而且应用面较窄。

降低工频交流幅值。目前，降低工频交流幅值的方法主要有在直流母线正负与地之间串入滤波电容［5］。经试验证明，串入电容越大，直流母线感应电压越小，这种方法可大大降低直流系统中的交流分量。缺点是增大了直流系统的分布电容。

通过对比分析可以看出，两种方法均存在局限。针对扩建和检修预试间隔直流支路，提出了防止交流混入直流系统的方法，具体操作方法是在扩建或保护校验直流回路正负极串入滤波电容，基本原理是在直流系统中人为制造最薄弱环节，从而阻止了交流串入直流系统影响运行设备。

4.2 解决方案

利用电容元件特性和直流系统绝缘监测的基本原理，在检修间隔的直流支路正负与地之间串入滤波电容，安装灵敏继电器于电容与地之间，并将灵敏继电器动作接点串入直流回路，具体接线如图8所示。

图8 快速隔离交流串入直流系统接线图

该方法的优点是，将直流系统中运行设备与检修设备快速隔离，防止由于人为操作不当使工频交流串入直流母线影响运行设备。由于在直流系统正负对地之间加入滤波电容，为减小分布电容的影响，电容大小应与电缆最长支路进行校核，使本支路成为交流串入最易干扰支路。

5 结语

交流串入直流系统时，二次设备承受直流分量与交流分量的电压叠加值，容易引起二次设备误动作或损坏。分析了影响继电器动作承受交流电压分量的主要因素有电缆长度、继电器内阻值和交流电压幅值，从技术角度出发，对比了提高继电器动作功率和降低直流母线的交流幅值等防范措施的优势和缺点。针对运行变电站扩建或检修预试间隔直流支路，提出了防范交流分量由此回路串入直流母线的措施，设计了快速隔离交流与直流运行回路的装置。

变电站直流系统与交流系统应从设计、施工、作业等各环节进行隔离，文中由运行变电站扩建或检修预试角度出发，设计了快速隔离交流串入直流系统装置，完善了防止交流串入直流系统的防范措施，具有一定的实际应用价值，如何将此装置扩展应用还需进一步研究。

［1］GB／T14285－2006 继电保护和安全自动装置技术规程［S］.北京：中国标准出版社，2006.

［2］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：中国电力出版社，2005.

［3］王梅义.高电压电网继电保护技术［M］.北京：中国电力出版社，1988.

［4］孟凡超，高志强，杨东.交流串入直流回路引起开关跳闸的原因分析［J］.继电器，2007，35（14）：77－78.

［5］丁晓兵等.防止交流串入直流导致母线保护误动的措施［J］.电力系统保护与控制，2008，36（22）：97－99.