交流電源串入直流電源回路導致斷路器跳合閘原因分析

趙永生,莊洪波

(湖南省電力公司試驗研究院,湖南長沙 410007)

電廠或變電站的電氣繼電保護、安全自動裝置和斷路器控制回路都是采用直流電源供電,直流回路分布廣、數量多。在電廠或變電站,常常出現運行與基建施工、設備改造同時并存,由于工作不慎,極易造成交流電源串入直流回路。由于直流回路存在分布電容,可能出現交流電源經分布電容起動相應繼電器,導致多臺斷路器同時跳閘或合閘,造成極其嚴重的事故。

1 湘潭電廠 500 kV升壓站斷路器全部跳閘事故

1.1 事故經過

2006-03-16T09∶43,湘潭電廠 500 kV 5011,5012,5022斷路器同時跳閘,500 kV開關站全站失壓,3號主變及 3號機組廠用電、4號主變失電。當時 3號機未開機,4號機未投產,湘云Ⅰ線5012、湘云Ⅱ線 5022負荷很小,2條線路帶 3號機組部分廠用負荷運行。

事故發生后,所有保護均無動作信號,斷路器保護記錄中有多次 “斷路器保護啟動,斷路器保護復歸”記錄,斷路器操作箱第 1組跳閘紅色信號燈和第 2組跳閘紅色信號燈均亮。從錄波圖看,當時電流、電壓無任何異常,亦無保護動作啟動錄波的開關量記錄。

據運行人員反映,當時曾聽到 3個斷路器操作箱內繼電器高頻率異常響動。

1.2 現場試驗檢查

3個斷路器同時跳閘,對 3/2主接線來說,沒有哪個保護可以做到,實際上也沒有保護動作信號。

對回路進行了全部清理檢查,發現有 1個端子接線錯誤,即 5022斷路器保護柜的 101b(Ⅱ路電源 +)本應接到 4D8端子,但實際接到了備用端子 BD8,然后通過短接線引至 4D8;而南自廠家根據設計院的修改圖,也將送至3號發變組的 “5022斷路器保護動作聯跳”回路在 BD8端子上中轉了一下。這樣,導致主廠房內發變組保護的直流 +與網控直流 +并列運行。

升壓站設備都在運行狀態,沒有人施工;但主場房有大量的施工作業,極有可能將交流電源串入直流電源回路中。

將交流電源火線經調壓器接入直流 +極,零線接地。調節調壓器,當交流量達到 120 V左右時,斷路器突然跳閘,操作箱跳閘紅燈亮,同時操作箱中不斷有高頻率異響,現象同故障時運行人員觀察到的一樣。

2 長沙電廠啟備變開關 650跳閘、1號機開關 610合閘事故

2.1 事故經過

2009-06-04T01∶51,長沙電廠啟備變斷路器650跳開,1號機斷路器 610合上,沒有保護動作信號。

故障前一次設備運行方式:1號機斷路器 610分;華威Ⅰ線斷路器 602,華威Ⅱ線斷路器 604,母聯斷路器 600,啟備變 650斷路器合。

2.2 現場試驗檢查

經核實,1號機斷路器 610和啟備變 650斷路器的保護控制回路直流電源使用集控室直流電源系統;華威Ⅰ線斷路器 602,華威Ⅱ線斷路器 604的保護控制回路直流電源使用 220 kV升壓站直流電源系統。

經落實,事故發生時正好在空預器有工作,其工作內容為:把空預器的控制回路由原來 220V交流電源改接為直流電源。

初步判斷為空預器改造作業時將交流串入直流,引起了該次事故。

因 650斷路器已經合上運行,僅針對 610斷路器進行以下模擬試驗 (610,650斷路器操作箱型號相同,都由 GE公司提供):

(1)為安全起見,單獨用 1組蓄電池對 610斷路器操作箱供電進行試驗。

(2)交流電源零線接地,火線經調壓器輸出,搭接 610斷路器操作箱直流電源的負極,調節調壓器,加交流電壓為 80～100 V左右時,610斷路器操作箱繼電器及電壓切換箱繼電器開始抖動。

(3)為安全起見,不通過調壓器,直接用交流電源的火線直接瞬時點到 610斷路器操作箱直流電源的負極,610斷路器由分開直接合上。再次重復試驗,610斷路器跳閘。

3 斷路器同時跳閘或合閘原因分析

以交流電源串入直流電源負極回路,引起斷路器跳閘為例,定性分析斷路器跳閘原因。

直流回路對地有分布電容,當交流電源的火線搭接到直流的負極時,通過接地點,與電容、手合繼電器 STJ形成回路。因繼電器采用 +24 V固體繼電器,動作速度快 (一般約 2～5 ms)、動作功率小 (繼電器動作功率≤0.2 W,回路串電阻后≤2 W),在對電容的充放電過程中可能使 STJ動作,在斷路器處于合閘位置時 (其輔助接點 DL閉合),將造成斷路器跳閘。如圖 1所示。

圖 1 交流電源串入直流電源負極回路示例

同樣,當斷路器處于跳閘位置時,由于手合繼電器 SHJ可能動作,將造成斷路器合閘。

4 建 議

交流電源串入直流電源負極回路,將引起小型固態繼電器抖動,造成嚴重后果,如斷路器跳閘、合閘、保護裝置失壓 (電壓切換繼電器抖動)等。必須采取措施杜絕這種嚴重事故的發生。

(1)對經屏外電纜起動的出口或有重要影響的繼電器應采用強電啟動、大功率 (動作功率≥5 W)、慢速 (動作時間≥10 ms)的繼電器。

《國家電網公司十八項電網重大反事故措施》第14.7.5條要求:“對經長電纜跳閘的回路,應采取措施防止長電纜分布電容影響和防止出口繼電器誤動的措施”。國家電網公司新企標 《線路保護及輔助裝置標準化設計規范》4.2.2條要求:“對于可能導致多個斷路器同時跳閘的直跳開入,應采取措施防止直跳開入的保護誤動。例如:在開入回路中裝設大功率重動繼電器,或采取軟件防誤措施 。”。

從以上措施來看,本意都是為防止交流電源經分布電容串入直流回路,使繼電器或光耦開入(其動作功率更小、動作速度更快)誤動而采取的措施。對于變壓器非電量保護,《國家電網公司十八項電網重大反事故措施》第 14.2.5條明確要求:“非電量保護開關場部分的中間繼電器,必須由強電直流起動且應采用起動功率較大的中間繼電器,其動作速度不宜小于 10 ms”,這在實際裝置上已得到了落實和運用。

但操作箱及電壓切換箱中許多繼電器或一些光耦開入,如手合繼電器 SHJ,手跳繼電器 STJ,三跳繼電器 TJR,電壓切換繼電器 YQJ,外部聯跳開入,斷路器非全相接點開入等,其啟動回路來自本屏外 (甚至來自開關場),存在一定的分布電容。如果采用的繼電器或光耦動作功率小、動作速度快,就易受交流電源干擾而動作。因此也應采用大功率 (動作功率 ≥5W)、 慢速 (動作時間 ≥10 ms)的繼電器,從能量和延時 2個方面使繼電器躲開交流電源的干擾。

(2)直流系統應分段運行。為盡量避免交流電源串入直流電源回路導致裝置不正常或發生嚴重事故,應將負荷合理地分配到不同的直流蓄電池組。發電廠集控與網控直流系統要獨立,有 2組直流系統的應分段運行。

(3)在已有設備運行的發電廠或變電站進行安裝和檢修工作,應采取有效的安全措施,嚴禁交流電源串入直流電源回路。

(4)將直流電源電壓 (正極—地和負極—地)送入錄波裝置,在有交流分量時起動錄波,并發出告警,以便及早發現交流電源串入直流電源回路故障,及時進行處理,也便于事故后的分析處理。