二次回路交流串擾繼電器線圈對繼電器動作的影響分析

黃晶晶，徐強超

(南網廣州供電局有限公司，廣州 510620)

二次回路交流串擾繼電器線圈對繼電器動作的影響分析

黃晶晶，徐強超

(南網廣州供電局有限公司，廣州 510620)

交流串擾直流系統可能會引起保護誤動，但對該問題尚缺乏完整的理論和仿真分析模型。為解決該問題，建立了交流串入繼電器線圈的數學模型與仿真模型。通過對比數學公式計算、MATLAB仿真、實際試驗結果，驗證了理論分析與仿真模型的正確性。分析和試驗均證明，在交流串擾繼電器線圈情況下，繼電器線圈兩端的電壓與直流電源、交流串擾電源正相關，與限流電阻、平衡橋電阻負相關，受直流系統電容影響不大，并提出了提高繼電器動作功率、選擇合適的平衡橋電阻、采用合適限流電阻等防止交流串擾直流引起保護誤動的措施。

交直流串擾；平衡橋電阻；限流電阻

變電站的動力和電源系統包括交流系統和直流系統。交流系統主要用于照明、空調、電機等負荷較大且對供電可靠性要求不高的設備。直流系統主要為繼電保護、監控系統、計量等二次設備以及斷路器操作提供電源。直流系統對變電站的安全穩定運行起著舉足輕重的作用。在國內實際電網運行中，曾發生多起因為交流串入直流系統導致的繼電保護誤動及拒動的事故[1-4]。從目前的文獻來看，尚缺乏一種完整的數學和仿真模型可以對交流串擾直流系統的各類情況進行綜合分析，因此十分有必要開展交流串入直流系統的理論和仿真模型研究。本文建立了交流串入直流系統的數學模型與仿真模型，并進行了實際電路模擬試驗，驗證數學模型與仿真模型的準確性，并根據仿真和試驗的結論，提出了防范措施與解決方法。

1 二次回路交流串擾繼電器線圈原理

二次回路交流串入直流系統根據交流電源串入直流系統位置的不同可分為負極串入、正極串入、線圈串入三種類型，針對線圈串入進行分析。交流串擾源可用等效電源Us表示，UL為直流電源，C1為直流系統電容，R1為直流系統平衡橋電阻，R為限流電阻，LJ、RJ分別為繼電器等效電抗和電阻，C為二次電纜等效分布電容。繼電器線圈可等效為由續流二極管、電感LJ、電阻RJ組成的電路模型、Ud為繼電器線圈兩端的電壓，Id為流過續流二極管的電流，Iac為流過繼電器線圈的電流。

等效的交流電源Us從繼電器線圈串入的模型如圖1所示。

圖1 繼電器線圈串入交流的等效電路圖

根據電路疊加原理，圖1可以分解為僅有交流電源作用與僅有直流電源作用兩種等效電路的疊加，分別如圖2和圖3所示。

圖2 僅有交流電源作用時的等效電路圖

當只考慮交流電源作用時，其等效電路如圖2所示，根據電路分壓原理，此時繼電器兩端的電壓可計算為

(1)

A=R1+jωLJ

(2)

(3)

(4)

當只考慮直流電源作用時，其等效電路如圖3所示，此時繼電器兩端的電壓可計算為

(5)

P=R1RJ

(6)

(7)

圖3 僅有直流電源作用時的等效電路圖

根據疊加原理，從繼電器線圈串入時，繼電器兩端電壓值可計算為

Ud=UAB+UPQ

(8)

由式(1)～(8)可知，對于特定的電路和繼電器，RJ、LJ、w均為常數，當線圈串入交流時，影響繼電器兩端電壓Ud的因素為直流系統平衡橋電阻R1、直流系統電容C1、限流電阻R、串擾交流電源Us和直流電源UL。二次電纜分布電容C對Ud無影響。

根據繼電保護反措要求，繼電器線圈兩端的電壓動作范圍為55%～70%。因此，可以通過將實際的參數帶入式(1)～式(8)，計算求出交流串擾后線圈兩端的電壓Ud，再跟繼電器的動作范圍比較，即可判斷串擾是否會引起繼電器誤動。

2 仿真驗證

為驗證以上原理分析和公式推導的正確性，在MATLAB Simulink中進行了數字模擬仿真，并且搭建了實際的物理電路模型進行了試驗模擬。當交流串擾入繼電器線圈時，理論計算、MATLAB仿真和實際電路實驗的結果見表1。

表1列出了Us、R1、R、C1和UL分別變化時對Ud的影響。當交流串擾電源Us增大時，Ud隨之增大。當平衡橋電阻R1增大時，Ud隨之減小。當限流電阻R增大時，Ud電壓隨之減小。當直流系統電容C1變化時，Ud基本保持不變。當直流電壓UL增大時，Ud隨之增大。從表中的Ud數值可以看出，理論計算、MATLAB仿真和電路試驗的值基本相同，也驗證了模型理論計算的正確性。

3 二次回路交流串入直流防止保護誤動措施

由式(1)～式(8)可知，對于特定的電路和繼電器，RJ、LJ、w均為常數，當線圈串入交流時，影響繼電器兩端電壓Ud的因素為直流系統平衡橋電阻R1、直流系統電容C1、限流電阻R和串擾交流電源Us和直流電源UL。

從表1可以看出，繼電器線圈兩端的電壓Ud與直流電源UL、交流串擾電源Us正相關，與限流電阻R、平衡橋電阻R1負相關。受直流系統電容C1影響不大，可以忽略。

由于直流電源電壓等級是確定的，交流串擾電源的大小是不確定因素，因此適當選擇平衡橋電阻R1和增大限流電阻R均可提高交流串擾時繼電器的抗誤動能力。

根據分析，在實際工程中可以采取下列相應的措施消除或減少交流串入直流導致保護或斷路器誤動的事故。

(1)提高繼電器動作功率。在跳閘回路中加裝大功率繼電器，提高繼電器交流電壓動作門檻。對于非電量及會引起多個斷路器直接跳閘的中間繼電器設計滿足文獻[6]的要求即可。但對于特別重要開關，可以考慮針對單個斷路器的跳閘繼電器也按照該設計，但要考慮繼電保護裝置是否滿足動作功率提高而引起的動作電流增大的要求。

表1 線圈串擾計算、仿真及實驗結果

(2)選擇合適的平衡橋電阻值。直流系統的平衡橋電阻主要作用是確保直流系統正常運行時負極對地電壓保持在50%的母線電壓。當發生單極接地時，接地極對地電壓降低，非接地極電壓升高。平衡電阻越大，對地偏移越大，接地電阻監測靈敏度越高。如表1可知，適當提高平衡橋電阻雖然能夠提高交流串擾時繼電器的防誤動能力，但平衡橋電阻過大時，當發生直流母線接地時，直流電壓偏移較大，可能引起保護誤動。因此平衡橋電阻的取值必須在一個合理的區間，規程[6]規定220 V直流系統平衡橋電阻值取值為(30±5)kΩ，110 V直流系統平衡橋電阻值取值為(15±2.5)kΩ。

(3)采用合適的限流電阻。在確定直流系統電源、串擾交流電源、直流系統平衡橋電阻、直流系統平衡橋電容的情況下，通過公式(1)～式(8)可求得存在交流串擾，防止繼電器誤動的限流電阻值范圍，從而可以選擇合適的電阻值防止繼電器誤動。

4 結語

本文建立了二次回路交流串入繼電器線圈的數學模型與仿真模型，通過對比數學公式計算、MATLAB仿真、實際試驗結果，分析提出了影響繼電器線圈兩端電壓的5種因素，并針對性地提出了實際工程中防止交流串擾直流引起保護誤動的措施建議。

[1] 王寶琳. 防止交流串入直流導致母線保護誤動的措施[J].中國科技投資,2014:172.

[2]曹景玉,鄭文敬,田峰.交流混入直流引起開關跳閘的原因分析及防范[J].電力安全技術,2010,12(11):31-32.

[3]孟凡超,高志強,楊書東.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.

MENG Fanchao, GAO Zhiqiang, YANG Shudong. Analysis of the tripping of the circuit breaker by the ac in the dc[J].Relay, 2007, 35(14): 77-78.

[4]吳劍鳴, 嚴正. 控制電纜的分布電容對繼電保護的影響及防范措施[J].電力自動化設備,2007,27(11): 115-118,121.

WU Jianming, YAN Zheng. Influence of control cable distributing capacitance on protection and its countermeasures[J].Electric Power Automation Equipment, 2007, 27(11): 115-118,121.

[5]中國南方電網電力調度通信中心, 廣東省電力調度中心.地區電網繼電保護整定計算[M].北京:中國電力出版社,2010.

[6]變電站直流電源系統技術規范：Q/CSG1203003—2013[S].

InfluenceofSecondaryCircuitACInterferenceonRelayAction

HUANG Jingjing, XU Qiangchao

(Southern Power Grid Guangzhou Power Supply Bureau Co., Ltd., Guangzhou 510620, China)

AC interference in DC system may cause protection error, but there is no complete theoretical and simulation model for this problem. Therefore, the mathematical model and simulation model for AC series with the relay coil are established. The correctness of theoretical analysis and simulation model is verified by comparison of mathematical formula, MATLAB simulation and actual test results. As the analysis and test results show, under the condition of AC interference in relay coil, relay coil ends′ voltage is positively correlated to DC power and AC interference power; negatively correlated to the current limiting resistance and the balance bridge resistance; slightly affected by the DC system capacitance. Then it puts forward measures to prevent protection maloperation caused by AC-DC interference, including improving relay action power, choosing the appropriate balance bridge resistance, adopting appropriate current limiting resistance, etc.

AC-DC interference; balancing bridge resistance; current limiting resistance

10.11973/dlyny201705035

南方電網公司科技項目資助(K-GZM2013-88)

TM561

A

2095-1256(2017)05-0638-04

2017-06-13

(本文編輯：趙艷粉)