发电厂GIS站交流串入直流回路分析与处理

肖海鹏

（中山嘉明电力有限公司）

0 引言

某燃气轮机发电厂装备两台S109FA燃气-蒸汽联合循环发电机组，每套机组由一台燃气轮机、一台汽轮机、一台余热锅炉、一台发电机同轴布置组成，标准工况下额定出力390 MW。发电机出口电压为19kV，经发电机出口断路器GCB与主变压器相连接，以单元制形式接入220kV系统，电厂220 kV GIS站采用双母线接线方式，厂用电正常运行状态下由主变压器-高压厂用变压器倒送，并与邻机互做备用。

发电厂GIS站内的直流系统由充电装置、蓄电池组和直流配电屏等设备组成。它的主要任务就是给继电保护装置、自动装置、断路器分合闸操作以及各类信号回路提供电源。直流系统的正常运行与否，关系到继电保护装置及断路器能否正确动作，直接影响发电厂电气设备的安全可靠运行。

直流系统的故障主要有直流接地、短路、交流电串入直流回路等。微机继电保护装置由于其完善、灵活、合理的保护原理，动作功率小、低电位下工作动作速度快的工况，在电力系统中得到了广泛的应用。然而，由于直流回路的电缆比较长，对地分布电容较大，一旦发生直流回路中串入交流电源，可能会引起继电保护误动作、开关误跳闸等事故［1］。

本文结合一起由于工作人员接线错误，将交流电误接入直流系统，导致发电机组跳闸的事故案例，对机组跳闸的原因进行查找分析验证，进行了交流电串入直流回路的危害分析介绍，并提出相应的防范措施，以提高发电厂电气设备的运维管理水平。

1 交流电串入直流事件概况

1.1 事件前运行方式

发电厂220kV系统GIS站为双母线接线方式，出线两回（甲线、乙线），在建一回出线XX联线。事件发生前，220kV系统5M、6M母线并列运行，3号主变挂5M，机组有功负荷300MW，乙线、4号主变挂6M，机组负荷25MW，母联2056开关运行，甲线检修。

1.2 事件发生的经过

某日9∶38∶22，发电厂GIS站内110V直流系统发出Ⅰ、Ⅱ母线正极接地报警。

9∶38∶26，GIS站内3号主变及4号主变变高开关同时跳闸，乙线开关、母联开关保持正常运行状态。

两台主变跳闸后，对应的3号及4号机组由于其MARKⅥ控制系统无孤岛运行方式，逻辑联跳发电机出口开关使两套机组跳闸。机组由主变-高厂变倒送的6kV厂用电正常工作电源失去，又因临机的主变也同时发生跳闸，导致互为备用的6kV厂用电备用电源失去，发生了6kV厂用电失去事故。运行人员紧急处理，立即启动直流润滑油泵和直流密封油泵，确保机组的润滑油及密封油系统不中断，避免发生机组大轴断油烧瓦事故。检查启动柴油发电机组正常运行，确保机组保安电源正常供应，使机组在厂用电失去的情况下安全停运。

2 事件的原因查找与危害分析

2.1 事件的原因查找

2.1.1 事故现象分析

整理机组和主变跳闸的先后时间顺序，两台主变压器比机组先跳闸，因此，查明两台主变压器同时跳闸的原因是关键。

根据事故发生的现象，分别挂在不同母线上的两台主变同时跳闸。正常情况下能同时跳两台主变变高开关的只有母线差动保护和失灵保护动作。立即对GIS站母线差动及失灵保护进行检查，发现保护正常未动作，而且GIS站线路开关和母联开关仍保持正常运行状态未跳闸，因此判断非母线差动及失灵保护动作引起。

事故发生前，GIS站内的110V直流系统有母线正极接地报警发出。正常情况下，直流系统发生一点接地故障不可能引起开关跳闸，即使出现极端情况下直流系统发生两点接地，也只会造成单一开关跳闸，而不会造成多个开关同时跳闸的情况，从两台主变同时跳闸的现象分析，直流系统接地并不是造成事故的原因。

现场检查110V直流系统正极接地故障，查询110V直流系统的绝缘监测装置，发现3号及4号主变变高开关汇控柜支路发出接地报警，显示电阻值为0。同时测量110V直流系统的正极，发现有220V交流电，因此判断直流系统接地是由于系统中串入了交流电引起。

由于事故发生时机组处于正常运行状态，GIS站内电气设备未开展任何的检修工作，现场GIS站内只有新建的220kV联线间隔正在施工，施工人员正在新间隔的汇控柜内进行电缆孔封堵。立即对新联线间隔的汇控柜进行检查，当断开新间隔汇控柜内的报警电源及指示灯电源开关后，GIS站110V直流系统的正极接地故障报警立即消失，同时测量110V直流系统正极也不再有交流电，由此确定220V交流电是从该汇控柜串入了直流回路。

2.1.2 交流电串入直流系统原因分析

对新建间隔汇控柜中的电气接线进行检查核对，发现I4端子排48、49端子的直流正极电源PL1中，接入了两根交流电缆。通过查询设计图纸，发现该交流电本应接入的是I5端子排的48、49端子接线，接线的工作人员接线时未认真核对端子排号而误接线。接线期间，监护人不在现场，施工人员擅自进入GIS站内进行接线，接线完成后也未对所接线路进行一一核对，合上汇控柜的指示灯电源（直流），导致交流电经该开关串入直流系统，引起GIS站110V直流系统正极接地。

2.1.3 两台主变变高开关同时跳闸原因分析

为确定交流电串入直流系统是导致两台主变变高开关同时跳闸的原因，在现场通过模拟220V交流电串入110V直流回路进行验证。在做好相关安全措施的情况下，模拟220V交流电电源串入110V直流正极，验证交流电串入直流回路，将导致两台主变变高开关的测控装置误动，还是发变组继电器屏主变保护跳闸出口继电器BCJ误动。对两台主变变高开关的保护出口继电器BCJ，以及两台主变变高开关的电力网络计算机监控系统（NCS）遥控开出信号的动作情况进行录波。试验录波如图1所示，当交流电串入直流系统3.2ms后，录波显示3号、4号主变变高开关的保护出口继电器BCJ均动作出口，而3号主变和4号主变的测控装置无误动现象。

图1 模拟试验录波图

验证试验表明，交流电串入直流系统，导致3号主变和4号主变保护出口继电器（BCJ）误动，最终导致了两台主变变高开关同时跳闸。

2.1.4 保护出口继电器误动作的原因分析

3号、4号发变组保护屏位于发电厂主厂房的11m层电子间内，而发变组继电器屏则位于GIS站二次电子间内，两者相隔约350m，同电缆内并排两电缆芯线正负间存在分布电容，主变保护出口电缆回路较长，对地分布电容较大。当交流电串入直流系统时，分布电容放电导致GIS站内发变组继电器屏保护出口继电器（BCJ）误动作。同时现场使用的保护出口继电器BCJ动作功率仅为1.2W，基建时未充分考虑保护跳闸出口继电器BCJ的动作功率在跳闸出口电缆回路长、电缆分布电容大的情况下应选用大启动功率（不小于5W）的跳闸出口继电器，也是造成保护出口继电器误动的原因之一。

图2为交流电串入直流系统的等效回路图，C1、C2分别为保护跳闸出口回路的电缆对地等效分布电容；C3为跳闸出口回路电缆正负极间的等效分布电容；C4为直流母线正负极间的等效分布电容；K1为继电保护跳闸节点；BCJ为保护跳闸出口继电器；AC为串入直流系统的等效交流电源。

图2 交流串入直流系统等效回路图

正常情况下，直流系统无交流电AC串入，当继电保护动作使K1闭合后，触发保护跳闸出口继电器BCJ动作，跳闸出口将断路器跳开。故障情况下交流电AC串入直流回路正极，由于回路的电缆较长等效对地分布电容较大，且保护跳闸出口继电器BCJ的工作功率偏小，交流电AC经过跳闸回路的等效分布电容C1、C2和C3后，使跳闸出口继电器BCJ动作。

2.2 交流串入直流回路的危害

一般情况下，交流系统与直流系统之间不会有直接联系。发生交流电串入直流回路的常见原因一般有以下几种：

（1）交直流回路共用电缆，或交流回路电缆与直流回路电缆布置在同一电缆槽内，当电缆发生绝缘老化、破损时，使交直流的线芯之间发生连接导致交流电串入直流回路［2］。

（2）配电柜的端子排潮湿凝露、雨水侵入、端子排绝缘老化等原因，导致接线端子邻近的交直流电接通。

（3）设备接地网络靠近直流回路，设备发生接地故障时，故障接地电流经过直流回路的电缆分布电容串入直流系统［3］。

（4）工作人员失误，误碰、误接线，错将交流电短接至直流接线端子。

本次事故的发生就是由于工作人员接错线导致。在发电厂中直流电源作为主要电气设备及控制信号的电源，由于电缆分支和接线头较多，容易发生直流接地故障，从而对继电保护装置的误动、拒动等产生较大的影响。而交流串入直流回路除了具有金属性直流接地所具有的危害之外，还对继电保护装置、自动装置等直流系统接入的设备具有很大的破坏作用，容易导致继电保护装置产生错误的动作，使断路器误跳闸而引发事故。此次交流电串入直流，就导致了两台主变、两套发电机组跳闸，且引发了机组厂用电失去的事故，若处理不得当，直流油泵未及时正常联启动，将导致机组大轴断油烧瓦的事故发生，给电厂造成重大的经济损失。

3 交流串入直流回路的处理措施

3.1 处理原则

运行人员要加强对设备异常信号的监视力度，发现问题及时处理。当发生直流系统接地故障时，要注意先暂停操作，查找原因。在排查直流系统接地故障过程中，应先考虑是否发生了交流串入直流系统，若有则应先查找交流电的接入点，切断对应的交流电源。在处理直流系统异常时，若有直流空开跳闸，必须先测量空开两侧的电压是否正常，是否存在交流电，避免因交流电串入直流回路导致直流空开跳闸后，贸然试合上直流开关，导致扩大事故。

3.2 管理措施

加强电源管理工作，电源的使用及接入必须有严格的审批流程。在设备改造或扩建期间，要明确各部门管理职责，理顺生产运行与工程建设的关系，明确管理责任、清晰工作界面，加强不同部门间的沟通联系和协调配合。改造扩建项目完成相关设备调试工作、二次接线完成并确认回路正确，绝缘良好，具备验收条件需接入电源时，应提出申请，经电气专业人员验收合格后，方可接入电源开关，严禁施工人员擅自接入电源开关。

3.3 反事故措施

事故由交流电串入直流回路引起，交流电经过跳闸回路的等效分布电容，使跳闸出口继电器BCJ动作。针对这一问题，将主厂房内的主变保护屏至GIS站的发变组继电器屏同电缆内并排正负两电缆芯线分布到不同的电缆，减少同一条长电缆线路并排正负芯线间的电缆分布电容。

同时将主变保护出口跳闸继电器（BCJ）换型，选用大动作功率（不小于5W）的跳闸出口继电器。

通过减少电缆间的分布电容，增大跳闸继电器的工作功率，防止交流电串入直流回路引起跳闸继电器误动作，导致开关跳闸。

4 结束语

本文介绍了发电厂内施工人员将交流电错误接入直流回路而引起的主变全跳、机组全停、厂用电全停事故。通过分析事故发生的原因及危害，提出解决交流电串入直流回路的处理措施，以保证电厂机组的安全稳定运行。为此提出以下建议：

（1）加强直流系统异常情况的处理能力，防止处理直流系统一点接地时，引起两点接地或交流串入直流，导致事故扩大。

（2）加强工程建设期间交直流电源的管控，严格审批流程，禁止施工人员擅自接入运行电源开关。

（3）项目建设期间强化管理，提高安全责任心，加强工作监护，拆接线后应核对回路正确，避免工作人员接线错误，将交流电接入直流回路中。

（4）核查跳闸继电器的工作功率，将小功率的跳闸动作继电器更换为大功率继电器，防止交流电串入直流回路引发跳闸继电器误动作。