浅述交流串入直流的前因后果及应对措施

2022-09-11

直流电源是电力系统的重要组成部分, 由两部分构成。一是由整流装置将交流电源变换为继电保护及自动控制装置需要的直流电源, 二是平时挂在直流母线上浮充的蓄电池组。两者构成了可靠的直流系统, 主要用于控制、保护、自动装置、事故照明、开关分合闸等回路的用电。

直流电源的故障主要有直流接地、短路、交流串入直流回路等。微机继电保护装置是直流系统的重要负荷, 近年来技术发展迅速, 微机保护都是通过光耦实现开关量的开入开出, 额定工作电压一般为24V。然而, 由于实际接线上很多回路电缆比较长, 对地分布电容较大, 一旦直流回路串入交流电压, 将会引起保护误动、开关误跳。

1 交流串入直流的可能情况

正常运行情况下, 直流系统和交流系统是桥归桥路归路, 两个系统决不会发生联系的, 但是有下面几种可能的状况, 会出现交流串入直流的情况。

(1) 交流回路电缆与直流回路电缆放在一起, 由于绝缘的老化损坏, 使得内芯发生接触导致交流串入直流。

(2) 在变电所改造扩建过程中, 由于施工人员对于现场设备的不熟悉, 误将交流搭接到直流回路上去。

(3) 现场设备接地网与直流电缆过近, 当发生设备故障或者倒闸引起的零序电流流过直流电缆附近时, 会经电缆对地分布电容串入直流系统中去。

2 事故案例

(1) 某500kV变电所在一条220kV线路复役操作过程中, 因闸刀闭锁回路与测控单元信号回路绝缘不良造成220V交流电源串入直流回路, 2条500kV线路第一套远方跳闸误发远方跳闸命令 (其中一条线路对侧开关跳闸) , 同时直流系统存在接地信号, 故障录波图开关量存在周期为20ms的干扰波 (短脉冲信号) 。

(2) 某500kV变电所在3号主变扩建期间, 1号母联和正母分段开关发生了无故障跳闸。事后查看故障录波器, 也发现了周期为20ms的干扰波 (短脉冲信号) 。

3 原理浅析

图1中AC为串入直流系统的等效交流电源, C1、C2分别为电缆回路的对地等效分布电容, 虚线代表长电缆, 光耦1、2代表保护的2个开入量。

在正常情况下, 图中不存在交流电源AC。要相应继电保护动作或中间继电器励磁, 回路上的接点才会闭合, 回路导通, 然后光耦才会有开入量, 微机保护才会启动进而发出跳闸、远跳等命令。然而在交流串入直流系统的异常情况下, 由于回路电缆的长度较大, 光耦的动作电压又比较低, 才24V, 远低于交流的220V, 交流电源经电缆对地分布电容C1、C2, 绕过了接点串入直流系统中, 在交流电正半波时候, 有一段脉冲超过了光耦动作电压, 致使光耦动作, 从而造成保护误动、开关误跳, 造成严重的后果。

4 异常处理

据了解, 随着综合自动化变电所的不断增加, 此类事故的比率不断上升。因此运行值班人员在处理直流接地时, 应当充分考虑交流串直流的这种可能性, 谨慎处理以免人为造成事故扩大。一般可以按以下原则处理。

(1) 运行值班人员应重视每一个信号, 在工作和操作中加强信号监视, 及时发现异常。

(2) 发生直流接地 (有接地信号) 时, 应及时停止工作和操作, 查明原因, 未核实原因之前不得擅自行动。

(3) 查找直流接地时, 应首先考虑是否交流串入, 发现有交流串入直流时, 应先切断相应交流电源。

(4) 查找直流接地时, 应尽量避免直流电源开关的试合, 避免事故扩大。因为在交流串入直流回路后, 工频交流电会导致直流小空开发热跳开, 这时贸然合上去, 会使更多的直流回路受到交流电的影响。

运行人员在判断是否有交流串入直流系统时, 可以采用以下方法。

(1) 采用万用表交流电压档, 测量直流正对地和负对地电压, 若测得为60V或100V (考虑到实际电压偏差, 测得值会有所偏差) , 为电压互感器二次回路串入直流系统;若测得220V, 则是普通交流电源串入直流系统。

(2) 可以利用接地直流电源支路所对应的故障录波器, 查看其故障录波文件 (若录波器未曾启动, 可以通过手动触发来获取文件) 。若录波图上开关量存在周期为20ms的短脉冲波时, 应为交流串入直流回路, 如图2。

5 运行管理

同时运行人员在平时运行中, 应加强对直流系统和交流系统的管理, 特别是在改造扩建工程时候, 严格掌握好外来部门安装调试所用的直流电交流电, 尽量避免因人为因素出现直流系统故障而导致的电网事故。

改造扩建期间对设备用直流电源的接入管理。

(1) 改造扩建工程相关设备安装调试期间的直流电源应从继保小室内保护试验专用电源屏上接出, 不得使用运行直流电源。

(2) 改造扩建工程相关设备直流电源回路已在直流分屏上与运行直流电源搭接好的, 应切断其直流分屏上的直流电源开关, 并在电源断点处挂或张贴“禁止合闸, 有人工作”标示牌。

(3) 施工单位在完成改造扩建工程相关设备调试工作, 二次接线完成并确认回路正确, 绝缘良好, 具备验收条件需接入运行直流电源时, 应向变电所提出申请, 经变电所所长同意后, 方可由运行人员投入直流分屏上的直流电源开关, 严禁施工人员擅自投退直流分屏上的直流电源开关。

改造扩建期间对设备用交流电源的接入管理。

(1) 改造扩建工程相关设备未安装完毕, 设备用交流电源已与运行设备交流电源搭接的, 在施工单位未确认接入设备回路正确、绝缘良好的前提下, 运行值班人员应督促施工单位切断其与运行设备交流电源搭接处的交流电源开关, 并在电源断点处挂或张贴“禁止合闸, 有人工作”标示牌。

(2) 施工单位在完成改造扩建工程相关设备安装工作, 完成二次接线并确认回路正确, 绝缘良好, 需接入运行设备交流电源时, 应向变电所提出申请, 经变电所所长同意后, 由运行人员负责投入其与运行设备交流电源搭接处的交流电源开关, 严禁施工人员擅自投退该交流电源开关。

6 建议反措

(1) 经上述分析可知, 交流电源串入直流回路引发保护误动、开关跳闸事故的原因是保护回路电缆的长度较大和光耦的动作电压较小。因此可以考虑在长电缆保护回路上加装大功率重动继电器CZJ, 而大功率重动继电器CZJ的常开触点可以设在一条短电缆回路上控制光耦回路的动作。这样一来有效减少了直流回路电缆的对地分布电容, 降低了因交流串入直流而导致保护误动的可能性, 如图3。

(2) 由于500kV变电站占地面积大, 一般从500kV继电保护室到220kV继电保护室的距离都有几百米长, 这么长的电缆的对地分布电容是比较大的, 一旦交流电源串入, 这个电容就是交流电流入其他直流回路的一个通道。这跨继保室有联系的保护跳闸回路主要是主变保护, 因为其三侧开关在不同的继保室。如主变220kV距离保护Ⅰ段跳母联/分段开关, Ⅱ段跳主变三侧开关, 主变220kV失灵保护启动220kV母差保护等。对于有些常时间不投入跳闸的保护, 比如主变220kV距离保护Ⅰ段跳母联/分段开关, 网调整定单上都是整定为不投跳的。所以可以考虑把保护回路的两端用压板进行控制, 保护不投跳闸的时候, 压板取下, 回路断开, 整条电缆就退出了回路, 不能构成通路;保护投入跳闸的时候, 压板才放上。这样一来, 就有效防止了交流串直流时候经这个回路构成通路而造成其他保护误动的可能性。见图4。

7 结语

保护跳闸回路电缆比较长, 对地分布电容较大, 一旦交流电源串入直流回路, 将会引起保护误动、开关误跳。在保护回路中加装大功率继电器, 相当于提高了光耦的动作门槛, 而断开一些平时不投跳的回路电缆, 能够降低直流回路的对地电容, 这样一来可有效防止了交流串直流引发的保护误动、开关误跳;同时运行值班人员一面提高自身专业素质, 一面加强对直流系统和交流系统的管理, 降低交流串入直流的可能, 确保了电网的安全稳定运行。

摘要：介绍了几次500kV变电所交流串入直流的事故情况, 分析了交流电串入直流回路的原因, 并提出了相应的处理及反措方法。

关键词：交流串入直流,保护误动,原因分析,应对措施