变电站直流系统交流窜入工频交流的影响及分析处理

变电站直流系统交流窜入工频交流的影响及分析处理
发表时间：2016-11-08T10:11:54.180Z 来源：《电力设备》2016年第17期作者：刘鑫
[导读] 直流系统是给信号设备、保护、自动装置、事故照明、应急电源及断路器分合闸操作，直流电机储能的电源设备。

（昆明供电局变电管理一所昆明 650011）
摘要：按照反措规定要求及实际运行经验，需要确保直流系统与低压交流系统进行隔离，确保互不干扰。

同时，除采用现有的技术手段降低故障、误接线等导致的交流窜入直流系统导致的保护误动作外，通过PSACAD仿真试验探讨出一些新的技术防范，为运行单位后续制定控制措施提高理论依据。

关键词：工频交流直流系统缺陷处理依据继电保护智能、数字化。

一、概述
直流系统是给信号设备、保护、自动装置、事故照明、应急电源及断路器分合闸操作，直流电机储能的电源设备。

直流系统是一个独立的电源，它不受发电机、厂用电及系统运行方式的影响，并在外部交流电中断的情况下，保证由后备电源—蓄电池继续提供直流电源的重要设备。

随着现在人们对电力的要求也日益趋向严格，带来的是供电企业对第三方客户满意度的要求不断提升。

同时微机、网络的科技手段逐渐成熟，数字化、智能化变电站如雨后春笋一般不断涌现。

其中《国家电网公司2014～2020年电网智能化滚动规划》中就明确提出2015年将新建智能变电站1400座，而作为智能化变电站中对一、二次设备供电的直流系统就显得极其重要。

如何确保直流接地、直流系统过压、直流系统交流窜入等异常情况能够得到快速的判断、处理，成为确保电力设备正确可靠运行的重要环节。

二、电网对运行设备的安全性要求
根据《2016年7月份云南电网继电保护运行分析及专业管理工作》得到的数据，7月份云南电网调度范围220kV及以上电压等级系统保护动作次数244次，不正确动作次数0次，正确动作率100%，500kV及以上电压等级系统保护动作次数96次，不正确动作次数0次，正确动作率100%。

故障快速切除率100%。

1－7月份云南电网调度范围220kV及以上电压等级系统保护动作次数共2728次，保护不正确动作2次，正确动作率99.93%，500kV及以上电压等级系统保护动作次数744次，保护不正确动作2次，正确动作率99.73%。

故障快速切除率100%。

三、现有的二次回路防止交流窜入直流的规定
根据《南方电网电力系统继电保护反事故措施汇编》4.2.11 “跳闸出口继电器的起动电压在直流额定电压的55%-70%之间。

对于动作功率较大的中间继电器（例如5W 以上），如为快速动作的需要，则允许动作电压略低于额定电压的50%，此时必须保证继电器线圈的接线端子有足够的绝缘强度。

由变压器、电抗器瓦斯保护动作的中间继电器，因连线长，电缆电容大，为避免电源正极接地误动作，应采用较大起动功率的中间继电器（不小于5W），但不要求快速动作” 。

但从实际运行来看，如果发生交流窜入直流系统，以上反措要求根本无法对其进行控制，保护也极易误动作。

目前实际采用的防范控制措施主要如下：
1、加强设计运行管理，避免交直流电缆混用、交直流辅节点混用；
2、加强保护用光耦的管理，避免交流串入后保护误动；
3、规范端子箱和保护屏端子设计制造环节；
4、合理规划二次电缆的路径；
5、加强对一二次设备制造安装环节的技术监督、检查验收和端子箱防水防潮工作；
6、加强直流系统的配置和运行管理；
7、加强继保工程施工安措管理和图纸管理，避免人员三误造成交直流互串事故。

四、直流系统运行现状及动作分析
近些年来，电力系统多次发生因为交流窜入直流系统中导致保护装置误动作。

但此类情况发生前，由于保护装置本身并不能发动作信号，断路器的操作装置此时因为出口继电器误动作本身无法进行监测，也不会发任何动作信号，因此很难找出误动的原因。

例如2010年8月24日，某电厂#1、#2机组跳闸，经检查发现为控制回路中将交、直流电缆混接，最终导致交流电窜入直流回路张，引起直流电缆接地短路，反应到#2机直流配电室侧的直流母线政绩交流分量为224V。

由于直流电源是恒定电源，而交流电源是交变系统，对于直流电源来说是一个干扰源，且该接地电缆较长，形成耦合电容对地构成回路，相当于你出口继电器经过一个电容接于交流220V系统。

在交流电过零点正半周时，交流电对出口继电器无影响，但在交流电过零点负半周时，电缆耦合电容对出口继电器放电，导致出口继电器误动作。

五、主要研究方向及解决问题
1、研究思路
在实际的系统运行过程中，直流系统是经过绝缘监测装置接地，并通过一个999KΩ平衡桥对地绝缘，而低压交流系统的中性点是接地的，也意味着交流系统可以通过接地构成回路。

因此一旦交流窜入直流后，就会相应的形成直流回路一点接地，而控制电缆因为长度较长，会产生较大分布电容。

所以在交流窜入直流的瞬间，电缆的分布电容将会因为直流母线电压的变化而对出口中间继电器进行放电。

且在正常运行时，由于直流系统的绝缘正常，在出口中间继电器中单一的直流耦合的分压还不足以驱动跳闸，但当直流系统绝缘因交流窜入后产生下降时，在中间继电器一侧的直流耦合分压将升高，由于中间继电器在接线时常并联二极管防止线圈烧毁，此时通过中间继电器的
电流将变成半波整流。

交流窜入直流后如图示：
由上图知，当交流电源在空气开关闭环的瞬间初相角为90°，直流正负极电压变化均为负值的最大区域，电容的电压值无法突变，因此再继电器中流过的电流响应值较大，继电器上的电流最大值达到27mA。

在继电器的动作波形可以清晰看到有一个动作区间，因此证明此时交流电即使窜入后将会导致保护的出口中间继电器误动作。

3.2、设置交流电源在空气开关闭环的瞬间初相角为0°、180°、270°时，3.2.1其中在0°时直流正负极电压变化平稳，继电器中流过的电流变化经过二极管的整流后，最大值约为5mA未达到动作值，未达到继电器的动作值。

同时继电器的动作波形上也为、未发现有动作值出现，因此证明此时交流电即使窜入也不会导致保护的出口中间继电器误动作。

3.2.2其中在180°时直流电压正负极电压变化不大，继电器上的电流值也为超过平稳电流最大值，继电器在全过程达不到动作要求而未动作。

3.2.3在270°时直流正负极电压发生阶跃变化，但由于继电器并接二级管的作用，继电器流过的电流总体不大，查看继电器的动作波形也未跳变动作，因此继电器并不会在此区间误动作。

由于篇幅关系并不在此进行附图。

五、试验小结及整改建议
5.1试验小结通过开展PSCAD的仿真试验，当交流电源与直流电源系统接通后，交流初相角在小雨180°的一个区间都会导致继电器的动作，而在180°至360°时，继电器不动作。

同时在交流电源一个周波滞后，流过继电器的电流都存在有规律的趋于平稳。

从而得出电缆分布电容与交流瞬间的初相角是引起直流系统继电器动作的两个主要原因。

并经过模拟试验，确定了交流窜入直流时初相角在90°时，最为严重。

而交流初相角为事故发生时的发生的角度，为不可控因素，因此降低电缆分布电容的大小或是降低电缆分布电容的影响是可以有效的防范方法。

5.2 整改建议
1、严格执行《关于防止电力生产重大事故的二十五项反事故措施》及南方电网下发的《南方电网电力系统继电保护反事故措施汇编》，确保继电器的动作电压、功率可靠。

2、做好设计、施工、验收关，设计阶段应合理规划电缆走向，减少不必要的长电缆的敷设；施工阶段应严格按图施工，确保不出现交直流混用，电缆绝缘破损的情况出现；严格按照验收标准开展重要电缆的绝缘抽查工作；
3、建议整定部门可以有选择的对某些设备，考虑适当牺牲保护的快速性，延长继电器的动作响应时间，以躲过故障发生时交流的前几个周波。

4、建议逐步推进数字化、智能化变电站的运行，减少控制电缆的使用。

参考文献
[1]戴宪宾《变电站二次回路及其故障处理典型实例》［M］中国电力出版社；2013年1月
[2]王坚敏《直流回路一点接地引起保护装置误动的实例分析》；［J］ 2003年7月
[3]《关于防止电力生产重大事故的二十五项反事故措施》国家电网 2006
[4]《南方电网电力系统继电保护反事故措施汇编》南方电网公司 2015
[5]蒋建东《基于PSCAD的交直流电力系统故障仿真》微计算机信息 2009
[6]刘万顺《电力系统故障分析》［M］中国电力出版社；1998年6月。

[7] M.Groenenboo.j 《Measurement of DC and AC by Transormer,Electonic and Power》［J］，。