交流串入直流系統引起500 k V斷路器跳閘分析

臧 斌，張建勛，王海英，寇凌岳，徐 忱

（冀北電力檢修分公司，北京 102488）

0 引言

在變電站的二次系統中，交流串入直流回路導致的直流系統危害：一是直流系統出現金屬性接地；二是引起保護出口繼電器動作；三是直流段內電壓周期性變化，損壞繼電保護和自動裝置［1－3］。2010 年某500 kV變電站內，發生了一起典型的交流串入直流系統故障，造成500 kV斷路器跳閘的事故。

變電站500 kV一次接線為3／2接線，接線示意圖如圖1所示，圖中虛線部分表示未帶電設備。故障 前 ，2 號 母 線 、5013、5023、5033、5004、5042、5052斷路器停電檢修，3號、4號主變停電檢修，5043、5053斷路器為擴建工程調試，其它為正常運行方式。

圖1 變電站500 kV一次系統接線示意圖

1 故障概況

變電站500 kV 2號母線及相關設備停電檢修期間，運行設備5011斷路器操作箱FCX－22J跳A、跳B、跳C燈亮，故障錄波器顯示5011斷路器三相出口跳閘，檢查5011斷路器三相分位。監控機信息顯示直流電源一段發生直流接地；5022斷路器非全相動作、SF6壓力低閉鎖、隔離開關分合頻繁報警復歸，斷路器保護信號電源消失；5053斷路器相關隔離開關頻繁分合信號；4號主變非電量保護直流電源消失。大量SOE信息上送，報文時間持續約3 s。

初步檢查發現，5011斷路器保護未動作，操作箱三相出口跳閘；5022斷路器未跳閘，隔離開關未動作，保護信號電源空氣開關跳閘；5053斷路器隔離開關未分合；4號主變非電量保護直流電源空氣開關跳閘。

2 故障查找及原因分析

2.1 直流接地

根據監控信號和設備動作情況初步分析：直流電源I段存在接地點；4號主變非電量保護和5022斷路器保護信號電源回路存在短路或設備元件損壞。針對空氣開關跳閘回路進行絕緣檢查發現，5022斷路器SF6壓力低閉鎖信號J905絕緣低，其余回路正常。

2.2 空氣開關跳閘

4號主變非電量保護電源與5022斷路器保護信號電源同屬于直流系統I段，如圖2所示。 5022斷路器保護信號電源負接地，而其空氣開關跳閘，則可推斷直流系統I段正電端也可能存在接地點。由于4號主變非電量保護電源空氣開關跳閘，則重點檢查4號主變非電量保護電源回路。

圖2 空氣開關跳閘回路示意圖

2.3 SOE報文分析

通過分析SOE報文信息，發現各繼電器動作復歸呈周期性，如圖3所示為SF6壓力低閉鎖信號故障波形。綜合繼電器動作情況和監控SOE報文周期性規律，可判斷直流系統I段中混入交流。結合直流空氣開關跳閘結論，則可確定4號主變非電量保護電源正電端發生短時交流串入直流系統。

圖3 SF6壓力低閉鎖信號故障波形

綜上所述，故障原因為：5022斷路器SF6壓力低閉鎖信號回路負接地；4號主變非電量保護回路正電源端發生短時交流混入。

DL／T995－2006《繼電保護和電網安全自動裝置校驗規程》規定，操作箱出口繼電器動作電壓值應在55%～70%額定電壓之間，且交流混入受電纜對地耦合電容值影響。因此，針對5011斷路器操作箱出口繼電器進行了模擬試驗，以驗證其是否滿足設計要求。

3 模擬試驗

3.1 試驗參數

模擬試驗接線如圖4所示。

圖4 模擬試驗接線圖

具體參數如下。

直流電源：DC 220 V

交流電源：0～300 V（有效值）可調

R1／R2：25 kΩ

RLY繼電器：選取1TJR繼電器，內阻6kΩ（DC 220 V）

PR：繼電器的動作接點

K：空氣開關

跳閘電纜型號：ZR.KVVP 4 mm×4 mm

跳閘電纜長度：1000 m

測量其對地耦合電容值為280 μF。

3.2 交流混入直流正極

以交流混入直流系統正電端為例，不考慮直流、交流電源內阻，改變電纜長度，二次交流電壓值大小等變量，以檢測常用繼電器及故障繼電器動作特性。

（1）電纜長度對繼電器動作特性的影響。

表1 試驗結果

通過試驗數據可以看出，電纜越長，其對地耦合電容越大，繼電器承受電壓值越大，反之則越小。

（2）工頻交流電壓值對繼電器動作的影響。

以1000 m電纜長度為例，工頻交流電壓幅值大小對繼電器承受電壓的影響如圖5、圖6所示。通過兩圖對比，可以得出，工頻交流幅值越大，則繼電器承受電壓越大，反之則越小，試驗數據與分析結果一致。

圖5 繼電器承受電壓（220 V交流）

圖6 繼電器承受電壓（270 V交流）

（3）數學計算模型。

根據圖4可得等值電路圖，如圖7所示。經推導，得出繼電器的交流分壓有效值為

圖7 等值電路圖

綜上所述，工頻交流混入直流系統中，影響繼電器動作的主要因素有電纜長度、工頻交流幅值、繼電器內阻。本文所提故障中，操作箱繼電器內阻元件損壞，致使繼電器動作功率減小。

4 防范措施

目前，防止工頻交流混入直流系統造成誤動作的主要措施是提高出口繼電器等動作功率、削減工頻交流幅值大小。

4.1 比較分析

提高繼電器動作功率［4］。優點是提高了繼電器的抗干擾能力，缺點是降低了繼電器的靈敏性，而且應用面較窄。

降低工頻交流幅值。目前，降低工頻交流幅值的方法主要有在直流母線正負與地之間串入濾波電容［5］。經試驗證明，串入電容越大，直流母線感應電壓越小，這種方法可大大降低直流系統中的交流分量。缺點是增大了直流系統的分布電容。

通過對比分析可以看出，兩種方法均存在局限。針對擴建和檢修預試間隔直流支路，提出了防止交流混入直流系統的方法，具體操作方法是在擴建或保護校驗直流回路正負極串入濾波電容，基本原理是在直流系統中人為制造最薄弱環節，從而阻止了交流串入直流系統影響運行設備。

4.2 解決方案

利用電容元件特性和直流系統絕緣監測的基本原理，在檢修間隔的直流支路正負與地之間串入濾波電容，安裝靈敏繼電器于電容與地之間，并將靈敏繼電器動作接點串入直流回路，具體接線如圖8所示。

圖8 快速隔離交流串入直流系統接線圖

該方法的優點是，將直流系統中運行設備與檢修設備快速隔離，防止由于人為操作不當使工頻交流串入直流母線影響運行設備。由于在直流系統正負對地之間加入濾波電容，為減小分布電容的影響，電容大小應與電纜最長支路進行校核，使本支路成為交流串入最易干擾支路。

5 結語

交流串入直流系統時，二次設備承受直流分量與交流分量的電壓疊加值，容易引起二次設備誤動作或損壞。分析了影響繼電器動作承受交流電壓分量的主要因素有電纜長度、繼電器內阻值和交流電壓幅值，從技術角度出發，對比了提高繼電器動作功率和降低直流母線的交流幅值等防范措施的優勢和缺點。針對運行變電站擴建或檢修預試間隔直流支路，提出了防范交流分量由此回路串入直流母線的措施，設計了快速隔離交流與直流運行回路的裝置。

變電站直流系統與交流系統應從設計、施工、作業等各環節進行隔離，文中由運行變電站擴建或檢修預試角度出發，設計了快速隔離交流串入直流系統裝置，完善了防止交流串入直流系統的防范措施，具有一定的實際應用價值，如何將此裝置擴展應用還需進一步研究。

［1］GB／T14285－2006 繼電保護和安全自動裝置技術規程［S］.北京：中國標準出版社，2006.

［2］國家電網公司.國家電網公司十八項電網重大反事故措施［M］.北京：中國電力出版社，2005.

［3］王梅義.高電壓電網繼電保護技術［M］.北京：中國電力出版社，1988.

［4］孟凡超，高志強，楊東.交流串入直流回路引起開關跳閘的原因分析［J］.繼電器，2007，35（14）：77－78.

［5］丁曉兵等.防止交流串入直流導致母線保護誤動的措施［J］.電力系統保護與控制，2008，36（22）：97－99.