二次回路交流串扰继电器线圈对继电器动作的影响分析

黄晶晶，徐强超

(南网广州供电局有限公司，广州 510620)

二次回路交流串扰继电器线圈对继电器动作的影响分析

黄晶晶，徐强超

(南网广州供电局有限公司，广州 510620)

交流串扰直流系统可能会引起保护误动，但对该问题尚缺乏完整的理论和仿真分析模型。为解决该问题，建立了交流串入继电器线圈的数学模型与仿真模型。通过对比数学公式计算、MATLAB仿真、实际试验结果，验证了理论分析与仿真模型的正确性。分析和试验均证明，在交流串扰继电器线圈情况下，继电器线圈两端的电压与直流电源、交流串扰电源正相关，与限流电阻、平衡桥电阻负相关，受直流系统电容影响不大，并提出了提高继电器动作功率、选择合适的平衡桥电阻、采用合适限流电阻等防止交流串扰直流引起保护误动的措施。

交直流串扰；平衡桥电阻；限流电阻

变电站的动力和电源系统包括交流系统和直流系统。交流系统主要用于照明、空调、电机等负荷较大且对供电可靠性要求不高的设备。直流系统主要为继电保护、监控系统、计量等二次设备以及断路器操作提供电源。直流系统对变电站的安全稳定运行起着举足轻重的作用。在国内实际电网运行中，曾发生多起因为交流串入直流系统导致的继电保护误动及拒动的事故[1-4]。从目前的文献来看，尚缺乏一种完整的数学和仿真模型可以对交流串扰直流系统的各类情况进行综合分析，因此十分有必要开展交流串入直流系统的理论和仿真模型研究。本文建立了交流串入直流系统的数学模型与仿真模型，并进行了实际电路模拟试验，验证数学模型与仿真模型的准确性，并根据仿真和试验的结论，提出了防范措施与解决方法。

1 二次回路交流串扰继电器线圈原理

二次回路交流串入直流系统根据交流电源串入直流系统位置的不同可分为负极串入、正极串入、线圈串入三种类型，针对线圈串入进行分析。交流串扰源可用等效电源Us表示，UL为直流电源，C1为直流系统电容，R1为直流系统平衡桥电阻，R为限流电阻，LJ、RJ分别为继电器等效电抗和电阻，C为二次电缆等效分布电容。继电器线圈可等效为由续流二极管、电感LJ、电阻RJ组成的电路模型、Ud为继电器线圈两端的电压，Id为流过续流二极管的电流，Iac为流过继电器线圈的电流。

等效的交流电源Us从继电器线圈串入的模型如图1所示。

图1 继电器线圈串入交流的等效电路图

根据电路叠加原理，图1可以分解为仅有交流电源作用与仅有直流电源作用两种等效电路的叠加，分别如图2和图3所示。

图2 仅有交流电源作用时的等效电路图

当只考虑交流电源作用时，其等效电路如图2所示，根据电路分压原理，此时继电器两端的电压可计算为

(1)

A=R1+jωLJ

(2)

(3)

(4)

当只考虑直流电源作用时，其等效电路如图3所示，此时继电器两端的电压可计算为

(5)

P=R1RJ

(6)

(7)

图3 仅有直流电源作用时的等效电路图

根据叠加原理，从继电器线圈串入时，继电器两端电压值可计算为

Ud=UAB+UPQ

(8)

由式(1)～(8)可知，对于特定的电路和继电器，RJ、LJ、w均为常数，当线圈串入交流时，影响继电器两端电压Ud的因素为直流系统平衡桥电阻R1、直流系统电容C1、限流电阻R、串扰交流电源Us和直流电源UL。二次电缆分布电容C对Ud无影响。

根据继电保护反措要求，继电器线圈两端的电压动作范围为55%～70%。因此，可以通过将实际的参数带入式(1)～式(8)，计算求出交流串扰后线圈两端的电压Ud，再跟继电器的动作范围比较，即可判断串扰是否会引起继电器误动。

2 仿真验证

为验证以上原理分析和公式推导的正确性，在MATLAB Simulink中进行了数字模拟仿真，并且搭建了实际的物理电路模型进行了试验模拟。当交流串扰入继电器线圈时，理论计算、MATLAB仿真和实际电路实验的结果见表1。

表1列出了Us、R1、R、C1和UL分别变化时对Ud的影响。当交流串扰电源Us增大时，Ud随之增大。当平衡桥电阻R1增大时，Ud随之减小。当限流电阻R增大时，Ud电压随之减小。当直流系统电容C1变化时，Ud基本保持不变。当直流电压UL增大时，Ud随之增大。从表中的Ud数值可以看出，理论计算、MATLAB仿真和电路试验的值基本相同，也验证了模型理论计算的正确性。

3 二次回路交流串入直流防止保护误动措施

由式(1)～式(8)可知，对于特定的电路和继电器，RJ、LJ、w均为常数，当线圈串入交流时，影响继电器两端电压Ud的因素为直流系统平衡桥电阻R1、直流系统电容C1、限流电阻R和串扰交流电源Us和直流电源UL。

从表1可以看出，继电器线圈两端的电压Ud与直流电源UL、交流串扰电源Us正相关，与限流电阻R、平衡桥电阻R1负相关。受直流系统电容C1影响不大，可以忽略。

由于直流电源电压等级是确定的，交流串扰电源的大小是不确定因素，因此适当选择平衡桥电阻R1和增大限流电阻R均可提高交流串扰时继电器的抗误动能力。

根据分析，在实际工程中可以采取下列相应的措施消除或减少交流串入直流导致保护或断路器误动的事故。

(1)提高继电器动作功率。在跳闸回路中加装大功率继电器，提高继电器交流电压动作门槛。对于非电量及会引起多个断路器直接跳闸的中间继电器设计满足文献[6]的要求即可。但对于特别重要开关，可以考虑针对单个断路器的跳闸继电器也按照该设计，但要考虑继电保护装置是否满足动作功率提高而引起的动作电流增大的要求。

表1 线圈串扰计算、仿真及实验结果

(2)选择合适的平衡桥电阻值。直流系统的平衡桥电阻主要作用是确保直流系统正常运行时负极对地电压保持在50%的母线电压。当发生单极接地时，接地极对地电压降低，非接地极电压升高。平衡电阻越大，对地偏移越大，接地电阻监测灵敏度越高。如表1可知，适当提高平衡桥电阻虽然能够提高交流串扰时继电器的防误动能力，但平衡桥电阻过大时，当发生直流母线接地时，直流电压偏移较大，可能引起保护误动。因此平衡桥电阻的取值必须在一个合理的区间，规程[6]规定220 V直流系统平衡桥电阻值取值为(30±5)kΩ，110 V直流系统平衡桥电阻值取值为(15±2.5)kΩ。

(3)采用合适的限流电阻。在确定直流系统电源、串扰交流电源、直流系统平衡桥电阻、直流系统平衡桥电容的情况下，通过公式(1)～式(8)可求得存在交流串扰，防止继电器误动的限流电阻值范围，从而可以选择合适的电阻值防止继电器误动。

4 结语

本文建立了二次回路交流串入继电器线圈的数学模型与仿真模型，通过对比数学公式计算、MATLAB仿真、实际试验结果，分析提出了影响继电器线圈两端电压的5种因素，并针对性地提出了实际工程中防止交流串扰直流引起保护误动的措施建议。

[1] 王宝琳. 防止交流串入直流导致母线保护误动的措施[J].中国科技投资,2014:172.

[2]曹景玉,郑文敬,田峰.交流混入直流引起开关跳闸的原因分析及防范[J].电力安全技术,2010,12(11):31-32.

[3]孟凡超,高志强,杨书东.交流串入直流回路引起开关跳闸的原因分析[J].继电器, 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]吴剑鸣, 严正. 控制电缆的分布电容对继电保护的影响及防范措施[J].电力自动化设备,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]中国南方电网电力调度通信中心, 广东省电力调度中心.地区电网继电保护整定计算[M].北京:中国电力出版社,2010.

[6]变电站直流电源系统技术规范：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

南方电网公司科技项目资助(K-GZM2013-88)

TM561

A

2095-1256(2017)05-0638-04

2017-06-13

(本文编辑：赵艳粉)