交流竄入直流后引起斷路器誤跳閘的原因及對策

蘇江武

（晉控電力河津發電分公司，山西 河津043300）

0 引言

直流系統在電廠運行中具有非常重要的地位，是發電廠及各類變電站和其他直流設備用戶為信號設備、保護、自動裝置、事故照明、應急電源及斷路器分合閘操作提供直流電源而應用的電源設備[1]。保證一個電廠長期安全運行的環節有很多，但保證直流系統的正常運行，保持直流絕緣的良好是其重要環節，一旦交流竄入直流系統引起直流系統接地就會引起斷路器設備誤跳閘，造成機組停機，影響發電廠的正常生產。

1 斷路器設備誤跳閘現象及原因

1.1 斷路器設備誤跳閘現象

某電廠400 V母線進線斷路器型號為施耐德MT08 H1，額定電流為800 A，其跳閘線圈額定電壓為100～130 V（AC/DC）。斷路器正常運行合閘期間，其跳閘方式分兩種，一種為保護跳閘，另一種為遠方跳閘指令驅動跳閘線圈動作跳閘。斷路器安裝位置與遠方跳閘指令發生處相距均大于200 m，使用的跳閘指令接線線徑為2.5 mm2。2020年7月，因運行操作引起交流竄入直流回路，致使多臺400 V進線斷路器在正常運行合閘期間同時無故障跳閘，導致運行母線失電引起機組非正常停機。

1.2 斷路器設備誤跳閘原因分析

1.2.1 原因初步分析

現場斷路器跳閘操作回路電源為直流110 V供電，具體跳閘回路接線如圖1所示。當轉換開關打至遠方位置時1、2接點通，分散控制系統DCS（distribute control system）發出分閘命令后，TQ跳閘線圈動作使開關分閘；當轉換開關打至就地位置時3、4接點通，按動斷路器柜門上的分閘按鈕時，TQ跳閘線圈動作使開關跳閘。

圖1 斷路器開關跳閘回路接線圖

該型號斷路器正常跳閘共有4種方式，均未動作，具體分析如下。

a）斷路器柜門上分閘按鈕手動方式跳閘（切換開關為就地）。由于多臺斷路器同時跳閘，且調取配電室監控視頻，跳閘時相關配電室內無運行操作人員，排除了這種可能（包括人為操作或誤操作）。

b）開關柜上機械按鈕跳閘。同上分析排除。

c）DCS指令跳閘。檢查DCS沒有任何相關操作記錄，故障時系統未發出任何分閘命令，排除了這種可能。

d）各種電氣保護動作跳閘。現場檢查各臺跳閘的開關，面板上無保護動作記錄，調取故障錄波器查看跳閘斷路器母線電壓，檢查跳閘前后無波動，排除了這種可能。

1.2.2 斷路器誤跳閘要因確認

開關在沒有指令、沒有操作的情況下自行跳閘，包括跳閘線圈自行帶電跳閘和機械機構自行跳閘2種情形，具體分析、排查了7種可能，并進行了要因確認，分析結果如下。

a）開關機械機構內部故障，脫扣跳閘。考慮到多個開關不可能同時故障，排除此種可能。

b）配電室區域機械振動，引起開關機械脫扣跳閘。考慮到各開關不在同一配電室內，排除此種可能。

c)強烈的電磁干擾，激發跳閘線圈動作。檢查當天操作、作業及周邊區域，無引起該種條件的工作、設備等。查閱配電室視頻監控系統，確認事發時配電室內無人進入，排除此種可能。

d）檢查所有跳閘開關均處在同一直流母線，若直流系統發生兩點接地，兩個接地點將跳閘接點短接，接通跳閘線圈，引起開關誤跳。檢查直流系統電壓正常，正對地實測為+58.1 V左右，負對地實測為-58.7 V左右，查閱直流母線監測裝置未見報警，用500 V搖表分段搖測直流系統各段母線對地絕緣正常，絕緣阻值均在50 MΩ以上。

e）DCS跳閘指令線接地或者出口繼電器故障，形成跳閘指令電流，引起開關誤跳。逐一搖測各臺開關的熱工遠方跳閘命令至就地控制柜二次接線對地及芯間絕緣，測試結果均合格，絕緣阻值在50 MΩ以上。同時，所有跳閘開關分閘命令卡件分布于不同柜內，排除了此種可能。

f）檢查集控故障錄波器故障時刻的發電機電流、電壓、相應母線電壓、系統電壓均無明顯波動，判斷故障與電氣一次系統無關。

g）交流竄入直流系統導致開關無故障跳閘。如：直流控制系統中的某一點，以接觸或感應方式瞬時竄入交流電壓，外來電流通過系統接線傳播，激發了多個開關的跳閘線圈，導致開關跳閘。

對現場備用MT開關進行解體檢查、試驗，確認開關跳閘線圈內含有驅動電路板，正常時C1、C3為電路板工作電源正常帶電，C2為觸發命令，且觸發命令的功率很小（低于1 W），即當電路板瞬時收到觸發命令后立即驅動跳閘線圈動作使開關跳閘。綜上所述，可判定交流電竄入直流回路是導致多個斷路器同時跳閘的主要原因。

2 斷路器誤跳閘要因的試驗論證

正常運行期間，交直流為2個獨立的系統，其中直流為絕緣系統，交流系統為接地系統，只有當交流系統竄入直流系統時才會導致直流系統接地。運行期間的電纜與地之間可形成一個電容器，電纜相當于電容器的一極，大地相當于電容器的另一極，空氣是絕緣介質，由此可產生電容效應，電纜越長，電容容量越大。交流竄入直流控制回路導致開關誤跳閘的原理如2圖所示，當交流竄入直流系統后，不僅會造成直流負極接地，還會通過跳閘線圈、控制電纜對地電容、大地之間形成回路，當控制電纜足夠長時，電纜對地電容將會足夠大，交流電源會對電容形成充電回路，電容越大充電電流也將越大，當電流大至跳閘線圈動作值后將會使線圈動作跳閘。

圖2 交流竄入直流系統造成的誤跳閘圖

對現場斷路器進行了交流竄入直流模擬試驗，模擬工況盡量還原現場實際，當控制電纜長度大約為200 m時，直流控制電源中單邊竄入交流電源（220 V）開關瞬間跳閘（竄入的交流電壓低限值約為120 V），測量電纜對地電容約為95 nF，容抗Xc=1/2πfC=33.5×103Ω，回路電流I=U/Xc=0.006 5 A，P=1.43 W。

檢查運行人員當天操作設備，發現該設備柜內留有絕緣片脫落痕跡，對該設備進一步檢查發現其二次插頭設計存在交流誤竄入直流回路的隱患，開關同一片插頭上方接入為交流220 V電壓，而下方為直流110 V電源，若二次抽頭絕緣片破損或是插片扭曲時，極容易造成交流竄入直流系統。

同時運維人員回憶當操作此開關時，相鄰一斷路器無故障跳閘，由此可確認交流竄入直流回路是造成此次事故的原因。至于絕緣監測儀無故障記錄的原因，后經檢查發現不僅該絕緣監測裝置無交竄直功能，而且由于檢修質量原因，直流絕緣監測儀接地線一直未恢復，導致此次絕緣檢測儀失去應有功能。

3 預防斷路器誤跳閘的思路和對策

按照《繼電保護和電網安全自動裝置檢驗規程》要求，直流絕緣監測裝置應具有交竄直監測功能，遇到類似故障時便于故障分析。因此，我們首先要求生產廠家研究并優化直流系統負荷分配和接線方案[2]，盡量做到分散，同類負荷接至不同的直流母線，減少電氣系統故障時的影響。其次，應用單位要嚴格按照反故障措施中的要求來操作，交、直流設有明顯的可靠隔離措施，現場不將交、直流混裝，避免交、直流接線出現在同一段或串端子排上，嚴防交流竄入直流的現象出現。具體的對策如下。

a）聯系施奈德廠家更換MT斷路器跳合閘線圈，將原有的帶通信的線圈更換為標準線圈，即跳閘命令來后直接啟動跳閘線圈，無之前的觸發回路，這樣做可提升原跳閘線圈動作功率。

b）在跳閘回路中加入大功率直流繼電器（在就地開關柜中接入），即跳閘命令發出后，先啟動大功率直流繼電器，繼電器的常開接點開入開關柜內的跳閘回路，同理可提高跳閘回路的功率。

c）利用停電機會對所有開關柜二次觸頭接線進行換位，確保交直流接線不進入同一個觸頭，避免因觸頭損壞導致交流竄入直流系統。

d）按照《防止電力生產事故的二十五項重點要求》反故障措施中的相關條文要求[3]，利用檢修機會對直流絕緣監測裝置進行升級改造，以增設直流接地選線、交竄直監測選線及直流母線電壓監視等功能。

4 結束語

發電廠的電氣設備比較多，在各類電氣設備投產運行前，首先應嚴格按照相應的國標、行標等標準進行驗收，確保各類設備的選型、二次回路接線滿足《防止電力生產事故的二十五項重點要求》中的要求。其次，加強對運行操作人員的管理，制定嚴格的操作規程[4]，避免因設備選型、二次回路接線及運行人員的操作派生出新的問題或隱患。