金海望，董杰，張金祥，胡尊張，麻震爍，陳習(xí)文，王玉強，盧德均

（冀北電力檢修分公司，北京 102488）

在廠站運行過程中，會發(fā)生由直流系統(tǒng)引起的開關(guān)誤跳事故，有必要在技術(shù)措施及組織措施上作進一步的改進防范。一般情況下，直流系統(tǒng)發(fā)生單點接地時保護并不會誤動，但由于直流系統(tǒng)中的對地電容尤其是長電纜的電容效應(yīng)，存在著發(fā)生保護誤出口，進而引發(fā)開關(guān)誤跳的可能性，應(yīng)充分重視并研究這一安全隱患。

1 直流系統(tǒng)的構(gòu)成

直流系統(tǒng)包含有蓄電池、充電裝置、告警裝置、絕緣監(jiān)測儀、空氣開關(guān)、保險等，其接線簡圖見圖1。

圖1 直流系統(tǒng)接線簡圖Fig.1 Wiring diagram of the DC system

圖2為直流系統(tǒng)的等效電路圖，可以簡單直觀地了解直流系統(tǒng)的供電原理。

圖2 直流系統(tǒng)等效電路Fig.2 Equivalent circuit of the DC system

C+為正極所有設(shè)備對地分布總和，C－為負極所有設(shè)備對地分布電容總和，R+為正極所有設(shè)備對地等效絕緣電阻，R－為負極所有設(shè)備對地等效絕緣電阻，R1、R2是絕緣監(jiān)測裝置內(nèi)部人工接地回路的接地電阻[1]。

繼電保護裝置、自動裝置在廠站中被廣泛應(yīng)用，為直流系統(tǒng)引入的大量的對地分布電容，這些分布電容提高了繼電器誤動作的可能性[2-3]。另外，直流回路中的線路復(fù)雜度不斷增加，線路及電纜的使用引入了大量對地分布電容，構(gòu)成了安全隱患[4]，如長電纜的電容效應(yīng)是導(dǎo)致直流系統(tǒng)單點接地時開關(guān)誤跳主要原因之一。

2 直流系統(tǒng)引起開關(guān)誤跳的原因

2.1 分合直流電源

拉合直流電源的等值回路圖如圖3所示，圖中用集中參數(shù)電容來表示直流系統(tǒng)中的對地分布電容，C1∑為直流系統(tǒng)的正極對地分布電容，C2∑為長電纜分布電容。

圖3 拉合直流回路電源Fig.3 Equivalent circuit of the pull control DC circuit power source

拉合電源開關(guān)DK，正負電源將通過C1∑、C2∑和中間繼電器的串聯(lián)回路形成通路。

在電源開關(guān)DK拉合之前，電容有儲能，故而繼電器兩端的初始電壓值即為直流母線電壓220 V，因C1∑>>C2∑，由電容串聯(lián)公式得：

按一階電路零狀態(tài)響應(yīng)分析來計算繼電器兩端電壓：

式中，時間常速τ=R·C∑，R為跳閘中間繼電器ZJ的電阻。

由仿真結(jié)果圖4可知，繼電器兩端電壓數(shù)型衰減，出口時間10 ms之后電壓仍高于中間繼電器動作電壓80 V，在此故障區(qū)間內(nèi)繼電器將誤動作。

圖4 加在中間繼電器兩端的衰減電壓Fig.4 Attenuation voltage diagram added on the intermediate relay

所以，在直流電源的檢驗時，應(yīng)進行分合試驗，檢查拉合過程中開關(guān)是否跳閘，保護裝置上和監(jiān)控后臺上無保護動作信號。

2.2 直流電源正極接地

直流電源正極接地的等效電路如圖4所示，保護接點在主廠房繼電保護小室保護柜，跳閘中間繼電器ZJ到保護接點之間的電纜分布電容使用集中參數(shù)C表示，R為跳閘中間繼電器ZJ的電阻。

進一步得到等效電路圖6，圖5與圖6中都忽略了電纜電感和電阻的影響。

圖5 直流正極接地等效回路圖Fig.5 Ground loop of the DC positive electrode grounding

圖6 直流正極接地的等效電路圖Fig.6 Equivalent circuit of the DC positive electrode grounding

直流正極接地前后，保護接點始終為打開狀態(tài)。長電纜的分布電容C在直流接地時已儲有充電電壓U0=110 V，等效電路中開關(guān)D閉合表示直流正極發(fā)生了接地故障，繼電器兩端電壓將出現(xiàn)衰減，用三要素法計算加在繼電器J上的電壓：

式中，時間τ=RC。

由仿真結(jié)果圖7可知，繼電器兩端電壓數(shù)型衰減，出口時間10 ms之后電壓仍高于中間繼電器動作電壓80 V，在此故障區(qū)間內(nèi)繼電器將誤動作。在實際中，可減小對地電容來減小時間常速τ，使加在繼電器上電壓值盡快衰減，繼電器就不會動作。

圖7 加在中間繼電器兩端的衰減電壓Fig.7 Attenuation voltage diagram added on the intermediate relay

2.3 直流電源負極接地

同理，直流負極接地回路如圖8所示，等效電路如圖9所示，計算中間繼電器ZJ兩端的電壓。

圖8 直流負極接地等效回路圖Fig.8 Ground loop of the DC negative electrode grounding

圖9 直流負極接地的等效電路圖Fig.9 Equivalent circuit of the DC negative electrode grounding

其中，τ=RC

由仿真結(jié)果圖10可以看出加在繼電器J上兩端的電壓在出口時間10 ms時高于動作電壓80 V，但與保護接點閉合施加于繼電器線圈上的電壓方向相反，若繼電器的出口電壓不具備方向性，可能導(dǎo)致保護拒動，使得斷路器跳閘，也應(yīng)引起重視[5]。

圖10 加在中間繼電器上的衰減電壓圖Fig.10 Attenuation voltage diagram added on the intermediate relay

2.4 繼電器線圈接地

繼電器線圈接地也是引起開關(guān)誤動的原因之一，其原因也與直流系統(tǒng)的對地分布電容有關(guān)（見圖11）。

圖11 繼電器線圈正電源側(cè)接地等效圖Fig.11 Grounding equivalent circuit of the intermediate relay coil on the positive power source side

依然使用三要素法計算繼電器兩端電壓值：

V_（0）為接地瞬間負極對地電壓，V_（∞）為接地后負極對地的穩(wěn)態(tài)電壓，故而電容C-上的電壓初始值和穩(wěn)態(tài)值為：

所以，繼電器線圈上的電壓為：

其中，τ=（C-+C+）·（R1//R2//R-//R+//RJ）

加在繼電器線圈的電壓為反向負極對地電壓，與保護接點閉合施加在繼電器線圈兩端的電壓極性相同。

由仿真結(jié)果可知，繼電器兩端電壓數(shù)型衰減，出口時間10 ms之后電壓仍高于中間繼電器動作電壓80 V，在此故障區(qū)間內(nèi)繼電器將誤動作（見圖12）。

圖12 線圈接地時繼電器上的電壓衰減圖Fig.12 Voltage attenuation diagram of the relay with the coil is grounded

上面所述的4個引起繼電器誤動的原因分析與仿真，都只考慮了靜態(tài)響應(yīng)，在實際中，還存在一些動態(tài)因素，包括電容的分布參數(shù)；直流接地大多是從斷續(xù)接觸到逐步接牢的，電路參數(shù)會交變波動；為簡化運算，忽略了電纜電感、導(dǎo)線電阻與繼電器電感等。在這些動態(tài)因素的綜合作用下，提高繼電器動作的可能性，增大開關(guān)誤動概率，所以在對中間繼電器選擇時，應(yīng)充分考慮動態(tài)因素的影響，留有裕量。

2.5 系統(tǒng)串電

上面所述的直流系統(tǒng)接地都屬于無源接地范疇，另一種為有源接地，分為兩種接地類型，分別為交直流系統(tǒng)串電和直流系統(tǒng)串電。這兩種串電都可能會引起開關(guān)誤跳，并對直流系統(tǒng)構(gòu)成一定危害[7]。

2.5.1 交直流系統(tǒng)串電

圖13為某發(fā)電廠保護柜中一個出口繼電器的一端串入了220 V交流電，另一端接向室外母聯(lián)開關(guān)柜的單芯長電纜，ZJ為出口繼電器，C為電纜對地電容。

可見交流電進入直流系統(tǒng)，通過長電纜的對地電容形成通路，使繼電器帶電誤動作。所以應(yīng)注意，交直流回路要實現(xiàn)有效隔離，不能共用一條電纜，以免交流降低直流回路的絕緣電阻，導(dǎo)致交—直流串電，影響保護。

2.5.2 直流系統(tǒng)串電

直流系統(tǒng)串電主要發(fā)生在直流供電回路較多的變電站與電廠，分為異極性串電與同極性串電，等效電路如圖14、15所示。

圖13 交流對長電纜保護的影響試驗圖Fig.13 Test chart of the effect of AC on the long cable protection

圖14 異極性串電Fig.14 Heteropolarity mixed connection

圖15 同極性串電Fig.15 Likepolarity mixed connection

當直流系統(tǒng)發(fā)生異極性串電時，兩套直流系統(tǒng)將同時告接地故障，并有很大的接地電流，直接影響到蓄電池的壽命[8]；當直流系統(tǒng)發(fā)生同極性串電時，針對不同電壓等級時，也會產(chǎn)生較大的對地電流，引起直流系統(tǒng)告警，針對同電壓等級時，也許不會告警接地故障，但如果任何一套直流系統(tǒng)發(fā)生接地故障，兩套直流系統(tǒng)對地電壓同步變化，將增加保護誤動和拒動的可能性[9]。

3 直流系統(tǒng)的改進措施

3.1 中間繼電器

通過改變參數(shù)t、R、τ的數(shù)值，達到防止保護誤動的目的，有以下幾種方案：

1）加裝大功率啟動繼電器，保證跳閘中間繼電器的出口電壓滿足55%VN≤VJ≤70%VN，即留有裕量保證了直流系統(tǒng)在電壓降低時能可靠動作，又保證在直流系統(tǒng)發(fā)生單點接地時不會發(fā)生保護誤動；

2）采用并聯(lián)電阻或者繼電器的方法，增加跳閘回路的驅(qū)動功率，提高可靠性[10]。并聯(lián)電阻或繼電器可降低暫態(tài)分量與時間常數(shù)，有效防止單點接地誤動，而且改造成本較小。

3）增加繼電器的出口動作時間，可明顯降低在出口時間上線圈兩端的電壓[11]。這種措施保證了動作可靠性，但犧牲了快速性，所以動作時間必須設(shè)置在保護的允許范圍內(nèi)。

3.2 裝設(shè)多套獨立直流系統(tǒng)

電廠、變電站繼電保護小室的直流系統(tǒng)中接有大量直流負載，它們之間的互相聯(lián)結(jié)需要大量線路，這些直流設(shè)備與線路出現(xiàn)接地故障的可能性很高。

由于升壓站內(nèi)直流系統(tǒng)負載較少，使用的線路也減少，在升壓站裝設(shè)獨立的直流系統(tǒng)，可較大程度降低直流系統(tǒng)的接地故障概率。

3.3 改變電纜敷設(shè)方式及接線方式

改變交、直流電纜敷設(shè)方式，采取交、直流電纜分開敷設(shè)的辦法，可有效實現(xiàn)交直流回路的隔離，實現(xiàn)交直流回路的獨立，以免交流電竄入直流事故。

另外，將多根電纜并聯(lián)接入跳閘中間繼電器，分布電容很大，若采用采用分根電纜啟動出口繼電器，將大大減少分布電容C值。

如圖16所示，大功率中間繼電器接點通過長電纜與跳閘中間繼電器相連，采用分根電纜接線方式，接點通過獨立電纜啟動跳閘繼電器，此方案效果明顯。圖中，大功率中間繼電器、大功率中間繼電器接點都在發(fā)變組保護柜、起備變保護柜內(nèi)，跳閘中間繼電器在斷路器操作箱內(nèi)。

圖16 分根電纜啟動出口繼電器Fig.16 Starting exit relay of the separate cable

3.4 其他

1）在直流系統(tǒng)設(shè)計時，在滿足可靠供電的前提下，直流系統(tǒng)接線應(yīng)盡可能簡單，設(shè)備盡可能簡化，減少線纜、設(shè)備發(fā)生接地的機會，重視由于大量使用線纜所帶來分布電容效應(yīng)構(gòu)成的安全隱患。

2）在調(diào)試、施工、檢修中應(yīng)注意直流回路的安全措施，從組織措施方面防范直流單點接地、交流竄入直流引起開關(guān)誤跳的安全隱患。

3）對直流系統(tǒng)的設(shè)計、電纜長度、二次設(shè)備配置、跳閘繼功率選擇等技術(shù)措施安排到位后，直流系統(tǒng)發(fā)生一點接地時，保護并不會誤動，而且由于沒有短路電流流過，熔斷器不會熔斷，直流系統(tǒng)仍能繼續(xù)運行。但當有另一點接地時，跳閘回路仍有可能發(fā)生不正確動作，所以，必須實時監(jiān)測直流系統(tǒng)，及早得發(fā)現(xiàn)單點接地故障。

4 結(jié)語

在直流系統(tǒng)分合電源、單點接地故障及串電時，會引起繼電器出口，開關(guān)誤跳。本文詳細分析了由直流系統(tǒng)引起開關(guān)誤跳的原因，進行了仿真研究，并提出了幾項改進措施，優(yōu)化直流系統(tǒng)，為直流系統(tǒng)的設(shè)計、管理，及解決由直流系統(tǒng)引起開關(guān)誤跳的問題提供了方案與借鑒。

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