直流系统故障造成开关误动的原因分析及解决方法

2011-04-17邵建强

科技传播 2011年8期

邵建强

光大环保能源（宜兴）有限公司，江苏宜兴 214200

0 引言

电力系统中，直流系统故障造成的事故很多，而在《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》、《继电保护实施细则》和《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》（试行）中对直流系统故障的反措也比较少，只规定了出口继电器的动作功率和部分管理手段来减少直流故障的影响，没有其他更有效的技术防范措施。

经过理论分析和试验，针对直流系统中串入交流造成开关或保护误动的问题进行了专题研究，提出了新的技术防范措施，并已在实际生产中进行了实施。

1 出现故障的背景

直流系统故障主要有接地、串入交流和短路等故障，统计发现直流系统串入交流电源，造成保护或开关误动甚至全站停运的事故比较多，影响也比较大。

例如，2008年6月25日，某电厂由于交流电源误接至直流负极，造成3台60万kW机组同时停运和2台主变跳闸的重大事故；某电厂60万kW机组因直流系统中串入交流，造成ABB励磁系统灭磁开关误跳和机组停运事故。由此可见，直流系统中串入交流造成重大事故发生的概率比较大。

为此，我们提出了新的问题：当直流系统中串入交流电源时，对直流二次回路如何防范，才能保证开关和保护不误动？针对此问题进行了原因分析和提出了技术防范措施。

2 交流串入直流系统造成开关误动的原因分析

图1 正常直流的电路原理图

图2 串交流继电器误动的电路原理图

如图1：假设的直流电源支路11和支路12均正常运行，支路11远控接点CKJ11未通，支路11中的继电器线圈ZJ11不动作，支路11出口跳闸接点CKJ11的电缆分布电容等效为C11。

如图2：某时刻支路12的负电源串交流电源E12故障，按如图交流电流所示流向，此交流电源E12必然经过支路12的开关QFK12和直流母线-KM11、支路11开关QFK11到继电器线圈ZJ11的一端（负电源端），线圈ZJ11的另一端（正电源端）经电缆的分布电容C11与地连接，构成交流电源E11的闭环回路。

如果交流故障电源E12在分布电容C11上产生的电流比较大，即流过继电器线圈ZJ11的交流电流大于继电器线圈ZJ11的动作电流时将造成继电器线圈ZJ11的误动作（接点CKJ11未通，继电器线圈ZJ11不该动而误动），造成主设备误跳闸。

3 防止交流串入直流系统造成开关误动的技术防范措施

防范措施一：在易于误动的重要出口继电器线圈的两端并联分流电阻，如图3，在继电器线圈ZJ11的两端并联一个阻值适当的电阻R11。

图3 并联电阻解决串交流继电器误动的原理图

图4 并联电阻等效电路的原理图

等效电路图如图4，继电器线圈ZJ11由于是感性线圈，其交流阻抗Z都比较大，大于并联电阻R11的阻值R约10倍以上，当发生上述串交流电源E12（或接地）故障时，分布电容C11上的电流IC，经过电阻R11的分流(IR) ，使流过继电器线圈ZJ11的电流(IZ)小于动作值，继电器ZJ11不会误动作，消弱了故障源E12的影响，从技术上解决了当直流系统中串入交流电源时也不会造成开关误动问题。

并联分流电阻R11的阻值可以通过实验选取，一般以继电器线圈的直流电阻值参考选取，保证继电器在65%额定操作电源下可以可靠动作，保证直流电源中加入交流220V继电器不误动，保证电阻有足够的功率。

实例：我公司已在励磁系统保护跳闸的出口继电器（-K03、-K04）线圈上并联电阻（R03、R04，10W，1KΩ线饶电阻），如下图，解决了灭磁开关在串入交流时误动问题。

防范措施二：在直流系统中各支路开关串接二极管作为隔离措施，如图5，当发生串入交流故障时，利用二极管的单方向性，隔离并削弱了故障电源对二次回路上出口继电器的影响。

图5 整流二极管隔离措施解决串交流

图6 E12与直流合成的电压波形图

如图5，假如正负直流母线对地正常电压为+55V和-55V，在直流电源支路11和支路12的开关QFK11和QFK12下口各串两个隔离二极管（容量适当）D111、D112、D121、D122，对于支路11和支路12的直流电源不受任何影响。当发生如图5所示支路12直流负极串入交流电源E12（如交流220V电源）时，假设b点电位110V，交流干扰电源E12经过二极管D122时，只有E12的电压（a点）大于直流母线电压-KM11（b点，110V）才能通过，当E12的电压（a点）小于直流母线电压-KM11（b点，110V）时（图6中110V直线下部分，即虚线的部分）由于二极管D122的单方向性被消去，在直流母线-KM11上，只有图6中110V直线上部分的波形，母线电压为直流电压与交流的正脉动合成电压，有比较大的纹波系数。

图7 E12与直流合成的电压波形图

图8 在电容滤波作用下的电压波形图

如图5的d点，直流母线-KM11上的电源再经过二极管D112的同样的作用，二极管D112的负端（d点）正常最高对地电压220V，即当二极管D112的母线端的电压（c点）小于二极管D112的负载端（d点）电压时（图7中220V直线上部分，即虚线的部分）也由于二极管D112的单方向性被消去，在d点也为脉动合成电压，纹波系数相对较小，无交流分量。

d点脉动合成电压在电缆分布电容C11的滤波作用下，形成如图8的直流电压波形，已基本上没有了交流电压的影子，纹波系数也很小，在电缆的分布电容C11上产生很小的交流电流，由于此交流电流很小，不足以使支路11的出口继电器ZJ11误动作。

上述方法理解起来比较难，换另外一种方法理解：对于d点对地电压Ud用叠加原理，可以分解为蓄电池电源在d点对地电位Uz与交流干扰电源E12在d点对地电位Uj之和，即Ud=Uj+Uz。

如下图10可以等效为图9，对于交流E12电源对d点对地电位Uj由于二极管D122和D112的作用下基本等于0V，在继电器ZJ11和分布电容C11上也就不产生交流电流，不会造成出口继电器ZJ11误动作，从技术上解决了当直流系统中串入交流电源时也不会造成开关误动问题。