厂站直流系统接地故障引起开关误跳闸的仿真与研究

金海望，董杰，张金祥，胡尊张，麻震烁，陈习文，王玉强，卢德均

（冀北电力检修分公司，北京 102488）

在厂站运行过程中，会发生由直流系统引起的开关误跳事故，有必要在技术措施及组织措施上作进一步的改进防范。一般情况下，直流系统发生单点接地时保护并不会误动，但由于直流系统中的对地电容尤其是长电缆的电容效应，存在着发生保护误出口，进而引发开关误跳的可能性，应充分重视并研究这一安全隐患。

1 直流系统的构成

直流系统包含有蓄电池、充电装置、告警装置、绝缘监测仪、空气开关、保险等，其接线简图见图1。

图1 直流系统接线简图Fig.1 Wiring diagram of the DC system

图2为直流系统的等效电路图，可以简单直观地了解直流系统的供电原理。

图2 直流系统等效电路Fig.2 Equivalent circuit of the DC system

C+为正极所有设备对地分布总和，C－为负极所有设备对地分布电容总和，R+为正极所有设备对地等效绝缘电阻，R－为负极所有设备对地等效绝缘电阻，R1、R2是绝缘监测装置内部人工接地回路的接地电阻[1]。

继电保护装置、自动装置在厂站中被广泛应用，为直流系统引入的大量的对地分布电容，这些分布电容提高了继电器误动作的可能性[2-3]。另外，直流回路中的线路复杂度不断增加，线路及电缆的使用引入了大量对地分布电容，构成了安全隐患[4]，如长电缆的电容效应是导致直流系统单点接地时开关误跳主要原因之一。

2 直流系统引起开关误跳的原因

2.1 分合直流电源

拉合直流电源的等值回路图如图3所示，图中用集中参数电容来表示直流系统中的对地分布电容，C1∑为直流系统的正极对地分布电容，C2∑为长电缆分布电容。

图3 拉合直流回路电源Fig.3 Equivalent circuit of the pull control DC circuit power source

拉合电源开关DK，正负电源将通过C1∑、C2∑和中间继电器的串联回路形成通路。

在电源开关DK拉合之前，电容有储能，故而继电器两端的初始电压值即为直流母线电压220 V，因C1∑>>C2∑，由电容串联公式得：

按一阶电路零状态响应分析来计算继电器两端电压：

式中，时间常速τ=R·C∑，R为跳闸中间继电器ZJ的电阻。

由仿真结果图4可知，继电器两端电压数型衰减，出口时间10 ms之后电压仍高于中间继电器动作电压80 V，在此故障区间内继电器将误动作。

图4 加在中间继电器两端的衰减电压Fig.4 Attenuation voltage diagram added on the intermediate relay

所以，在直流电源的检验时，应进行分合试验，检查拉合过程中开关是否跳闸，保护装置上和监控后台上无保护动作信号。

2.2 直流电源正极接地

直流电源正极接地的等效电路如图4所示，保护接点在主厂房继电保护小室保护柜，跳闸中间继电器ZJ到保护接点之间的电缆分布电容使用集中参数C表示，R为跳闸中间继电器ZJ的电阻。

进一步得到等效电路图6，图5与图6中都忽略了电缆电感和电阻的影响。

图5 直流正极接地等效回路图Fig.5 Ground loop of the DC positive electrode grounding

图6 直流正极接地的等效电路图Fig.6 Equivalent circuit of the DC positive electrode grounding

直流正极接地前后，保护接点始终为打开状态。长电缆的分布电容C在直流接地时已储有充电电压U0=110 V，等效电路中开关D闭合表示直流正极发生了接地故障，继电器两端电压将出现衰减，用三要素法计算加在继电器J上的电压：

式中，时间τ=RC。

由仿真结果图7可知，继电器两端电压数型衰减，出口时间10 ms之后电压仍高于中间继电器动作电压80 V，在此故障区间内继电器将误动作。在实际中，可减小对地电容来减小时间常速τ，使加在继电器上电压值尽快衰减，继电器就不会动作。

图7 加在中间继电器两端的衰减电压Fig.7 Attenuation voltage diagram added on the intermediate relay

2.3 直流电源负极接地

同理，直流负极接地回路如图8所示，等效电路如图9所示，计算中间继电器ZJ两端的电压。

图8 直流负极接地等效回路图Fig.8 Ground loop of the DC negative electrode grounding

图9 直流负极接地的等效电路图Fig.9 Equivalent circuit of the DC negative electrode grounding

其中，τ=RC

由仿真结果图10可以看出加在继电器J上两端的电压在出口时间10 ms时高于动作电压80 V，但与保护接点闭合施加于继电器线圈上的电压方向相反，若继电器的出口电压不具备方向性，可能导致保护拒动，使得断路器跳闸，也应引起重视[5]。

图10 加在中间继电器上的衰减电压图Fig.10 Attenuation voltage diagram added on the intermediate relay

2.4 继电器线圈接地

继电器线圈接地也是引起开关误动的原因之一，其原因也与直流系统的对地分布电容有关（见图11）。

图11 继电器线圈正电源侧接地等效图Fig.11 Grounding equivalent circuit of the intermediate relay coil on the positive power source side

依然使用三要素法计算继电器两端电压值：

V_（0）为接地瞬间负极对地电压，V_（∞）为接地后负极对地的稳态电压，故而电容C-上的电压初始值和稳态值为：

所以，继电器线圈上的电压为：

其中，τ=（C-+C+）·（R1//R2//R-//R+//RJ）

加在继电器线圈的电压为反向负极对地电压，与保护接点闭合施加在继电器线圈两端的电压极性相同。

由仿真结果可知，继电器两端电压数型衰减，出口时间10 ms之后电压仍高于中间继电器动作电压80 V，在此故障区间内继电器将误动作（见图12）。

图12 线圈接地时继电器上的电压衰减图Fig.12 Voltage attenuation diagram of the relay with the coil is grounded

上面所述的4个引起继电器误动的原因分析与仿真，都只考虑了静态响应，在实际中，还存在一些动态因素，包括电容的分布参数；直流接地大多是从断续接触到逐步接牢的，电路参数会交变波动；为简化运算，忽略了电缆电感、导线电阻与继电器电感等。在这些动态因素的综合作用下，提高继电器动作的可能性，增大开关误动概率，所以在对中间继电器选择时，应充分考虑动态因素的影响，留有裕量。

2.5 系统串电

上面所述的直流系统接地都属于无源接地范畴，另一种为有源接地，分为两种接地类型，分别为交直流系统串电和直流系统串电。这两种串电都可能会引起开关误跳，并对直流系统构成一定危害[7]。

2.5.1 交直流系统串电

图13为某发电厂保护柜中一个出口继电器的一端串入了220 V交流电，另一端接向室外母联开关柜的单芯长电缆，ZJ为出口继电器，C为电缆对地电容。

可见交流电进入直流系统，通过长电缆的对地电容形成通路，使继电器带电误动作。所以应注意，交直流回路要实现有效隔离，不能共用一条电缆，以免交流降低直流回路的绝缘电阻，导致交—直流串电，影响保护。

2.5.2 直流系统串电

直流系统串电主要发生在直流供电回路较多的变电站与电厂，分为异极性串电与同极性串电，等效电路如图14、15所示。

图13 交流对长电缆保护的影响试验图Fig.13 Test chart of the effect of AC on the long cable protection

图14 异极性串电Fig.14 Heteropolarity mixed connection

图15 同极性串电Fig.15 Likepolarity mixed connection

当直流系统发生异极性串电时，两套直流系统将同时告接地故障，并有很大的接地电流，直接影响到蓄电池的寿命[8]；当直流系统发生同极性串电时，针对不同电压等级时，也会产生较大的对地电流，引起直流系统告警，针对同电压等级时，也许不会告警接地故障，但如果任何一套直流系统发生接地故障，两套直流系统对地电压同步变化，将增加保护误动和拒动的可能性[9]。

3 直流系统的改进措施

3.1 中间继电器

通过改变参数t、R、τ的数值，达到防止保护误动的目的，有以下几种方案：

1）加装大功率启动继电器，保证跳闸中间继电器的出口电压满足55%VN≤VJ≤70%VN，即留有裕量保证了直流系统在电压降低时能可靠动作，又保证在直流系统发生单点接地时不会发生保护误动；

2）采用并联电阻或者继电器的方法，增加跳闸回路的驱动功率，提高可靠性[10]。并联电阻或继电器可降低暂态分量与时间常数，有效防止单点接地误动，而且改造成本较小。

3）增加继电器的出口动作时间，可明显降低在出口时间上线圈两端的电压[11]。这种措施保证了动作可靠性，但牺牲了快速性，所以动作时间必须设置在保护的允许范围内。

3.2 装设多套独立直流系统

电厂、变电站继电保护小室的直流系统中接有大量直流负载，它们之间的互相联结需要大量线路，这些直流设备与线路出现接地故障的可能性很高。

由于升压站内直流系统负载较少，使用的线路也减少，在升压站装设独立的直流系统，可较大程度降低直流系统的接地故障概率。

3.3 改变电缆敷设方式及接线方式

改变交、直流电缆敷设方式，采取交、直流电缆分开敷设的办法，可有效实现交直流回路的隔离，实现交直流回路的独立，以免交流电窜入直流事故。

另外，将多根电缆并联接入跳闸中间继电器，分布电容很大，若采用采用分根电缆启动出口继电器，将大大减少分布电容C值。

如图16所示，大功率中间继电器接点通过长电缆与跳闸中间继电器相连，采用分根电缆接线方式，接点通过独立电缆启动跳闸继电器，此方案效果明显。图中，大功率中间继电器、大功率中间继电器接点都在发变组保护柜、起备变保护柜内，跳闸中间继电器在断路器操作箱内。

图16 分根电缆启动出口继电器Fig.16 Starting exit relay of the separate cable

3.4 其他

1）在直流系统设计时，在满足可靠供电的前提下，直流系统接线应尽可能简单，设备尽可能简化，减少线缆、设备发生接地的机会，重视由于大量使用线缆所带来分布电容效应构成的安全隐患。

2）在调试、施工、检修中应注意直流回路的安全措施，从组织措施方面防范直流单点接地、交流窜入直流引起开关误跳的安全隐患。

3）对直流系统的设计、电缆长度、二次设备配置、跳闸继功率选择等技术措施安排到位后，直流系统发生一点接地时，保护并不会误动，而且由于没有短路电流流过，熔断器不会熔断，直流系统仍能继续运行。但当有另一点接地时，跳闸回路仍有可能发生不正确动作，所以，必须实时监测直流系统，及早得发现单点接地故障。

4 结语

在直流系统分合电源、单点接地故障及串电时，会引起继电器出口，开关误跳。本文详细分析了由直流系统引起开关误跳的原因，进行了仿真研究，并提出了几项改进措施，优化直流系统，为直流系统的设计、管理，及解决由直流系统引起开关误跳的问题提供了方案与借鉴。

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