直流系統(tǒng)故障造成開關誤動的原因分析及解決方法

邵建強

光大環(huán)保能源（宜興）有限公司，江蘇 宜興 214200

0 引言

電力系統(tǒng)中，直流系統(tǒng)故障造成的事故很多，而在《防止電力生產重大事故的二十五項重點要求》、《繼電保護實施細則》和《國家電網公司十八項電網重大反事故措施》（試行）中對直流系統(tǒng)故障的反措也比較少，只規(guī)定了出口繼電器的動作功率和部分管理手段來減少直流故障的影響，沒有其他更有效的技術防范措施。

經過理論分析和試驗，針對直流系統(tǒng)中串入交流造成開關或保護誤動的問題進行了專題研究，提出了新的技術防范措施，并已在實際生產中進行了實施。

1 出現(xiàn)故障的背景

直流系統(tǒng)故障主要有接地、串入交流和短路等故障，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)直流系統(tǒng)串入交流電源，造成保護或開關誤動甚至全站停運的事故比較多，影響也比較大。

例如，2008年6月25日，某電廠由于交流電源誤接至直流負極，造成3臺60萬kW機組同時停運和2臺主變跳閘的重大事故；某電廠60萬kW機組因直流系統(tǒng)中串入交流，造成ABB勵磁系統(tǒng)滅磁開關誤跳和機組停運事故。由此可見，直流系統(tǒng)中串入交流造成重大事故發(fā)生的概率比較大。

為此，我們提出了新的問題：當直流系統(tǒng)中串入交流電源時，對直流二次回路如何防范，才能保證開關和保護不誤動？針對此問題進行了原因分析和提出了技術防范措施。

2 交流串入直流系統(tǒng)造成開關誤動的原因分析

圖1 正常直流的電路原理圖

圖2 串交流繼電器誤動的電路原理圖

如圖1：假設的直流電源支路11和支路12均正常運行，支路11遠控接點CKJ11未通，支路11中的繼電器線圈ZJ11不動作，支路11出口跳閘接點CKJ11的電纜分布電容等效為C11。

如圖2：某時刻支路12的負電源串交流電源E12故障，按如圖交流電流所示流向，此交流電源E12必然經過支路12的開關QFK12和直流母線-KM11、支路11開關QFK11到繼電器線圈ZJ11的一端（負電源端），線圈ZJ11的另一端（正電源端）經電纜的分布電容C11與地連接，構成交流電源E11的閉環(huán)回路。

如果交流故障電源E12在分布電容C11上產生的電流比較大，即流過繼電器線圈ZJ11的交流電流大于繼電器線圈ZJ11的動作電流時將造成繼電器線圈ZJ11的誤動作（接點CKJ11未通，繼電器線圈ZJ11不該動而誤動），造成主設備誤跳閘。

3 防止交流串入直流系統(tǒng)造成開關誤動的技術防范措施

防范措施一：在易于誤動的重要出口繼電器線圈的兩端并聯(lián)分流電阻，如圖3，在繼電器線圈ZJ11的兩端并聯(lián)一個阻值適當?shù)碾娮鑂11。

圖3 并聯(lián)電阻解決串交流繼電器誤動的原理圖

圖4 并聯(lián)電阻等效 電路的原理圖

等效電路圖如圖4，繼電器線圈ZJ11由于是感性線圈，其交流阻抗Z都比較大，大于并聯(lián)電阻R11的阻值R約10倍以上，當發(fā)生上述串交流電源E12（或接地）故障時，分布電容C11上的電流IC，經過電阻R11的分流(IR) ，使流過繼電器線圈ZJ11的電流(IZ)小于動作值，繼電器ZJ11不會誤動作，消弱了故障源E12的影響，從技術上解決了當直流系統(tǒng)中串入交流電源時也不會造成開關誤動問題。

并聯(lián)分流電阻R11的阻值可以通過實驗選取，一般以繼電器線圈的直流電阻值參考選取，保證繼電器在65%額定操作電源下可以可靠動作，保證直流電源中加入交流220V繼電器不誤動，保證電阻有足夠的功率。

實例：我公司已在勵磁系統(tǒng)保護跳閘的出口繼電器（-K03、-K04）線圈上并聯(lián)電阻（R03、R04，10W，1KΩ線饒電阻），如下圖，解決了滅磁開關在串入交流時誤動問題。

防范措施二：在直流系統(tǒng)中各支路開關串接二極管作為隔離措施，如圖5，當發(fā)生串入交流故障時，利用二極管的單方向性，隔離并削弱了故障電源對二次回路上出口繼電器的影響。

圖5 整流二極管隔離措施解決串交流

圖6 E12與直流合成 的電壓波形圖

如圖5，假如正負直流母線對地正常電壓為+55V和-55V，在直流電源支路11和支路12的開關QFK11和QFK12下口各串兩個隔離二極管（容量適當）D111、D112、D121、D122，對于支路11和支路12的直流電源不受任何影響。當發(fā)生如圖5所示支路12直流負極串入交流電源E12（如交流220V電源）時，假設b點電位110V，交流干擾電源E12經過二極管D122時，只有E12的電壓（a點）大于直流母線電壓-KM11（b點，110V）才能通過，當E12的電壓（a點）小于直流母線電壓-KM11（b點，110V）時（圖6中110V直線下部分，即虛線的部分）由于二極管D122的單方向性被消去，在直流母線-KM11上，只有圖6中110V直線上部分的波形，母線電壓為直流電壓與交流的正脈動合成電壓，有比較大的紋波系數(shù)。

圖7 E12與直流合成的電壓波形圖

圖8 在電容濾波作用下 的電壓波形圖

如圖5的d點，直流母線-KM11上的電源再經過二極管D112的同樣的作用，二極管D112的負端（d點）正常最高對地電壓220V，即當二極管D112的母線端的電壓（c點）小于二極管D112的負載端（d點）電壓時（圖7中220V直線上部分，即虛線的部分）也由于二極管D112的單方向性被消去，在d點也為脈動合成電壓，紋波系數(shù)相對較小，無交流分量。

d點脈動合成電壓在電纜分布電容C11的濾波作用下，形成如圖8的直流電壓波形，已基本上沒有了交流電壓的影子，紋波系數(shù)也很小，在電纜的分布電容C11上產生很小的交流電流，由于此交流電流很小，不足以使支路11的出口繼電器ZJ11誤動作。

上述方法理解起來比較難，換另外一種方法理解：對于d點對地電壓Ud用疊加原理，可以分解為蓄電池電源在d點對地電位Uz與交流干擾電源E12在d點對地電位Uj之和，即Ud=Uj+Uz。

如下圖10可以等效為圖9，對于交流E12電源對d點對地電位Uj由于二極管D122和D112的作用下基本等于0V，在繼電器ZJ11和分布電容C11上也就不產生交流電流，不會造成出口繼電器ZJ11誤動作，從技術上解決了當直流系統(tǒng)中串入交流電源時也不會造成開關誤動問題。

圖10 整流二級管隔離措施解決串交流

圖9 電路的疊加原理等效為Ud=Uj+Uz

實例：光大環(huán)保能源（宜興）有限公司外圍直流系統(tǒng)改造，已按此方案配置直流系統(tǒng)，并且應用效果很好，我宮司發(fā)變組保護出口繼電器也采取了同樣的技術措施。

4 結論

針對串入交流的直流系統(tǒng)故障造成電廠跳機或設備損壞等事故的難題，提出了在二次回路上采取技術防范措施，解決了因串入交流的直流系統(tǒng)故障造成設備事故擴大的技術難題，將大大降低直流系統(tǒng)故障造成重大設備事故和經濟損失的概率，提高機組的安全穩(wěn)定性。

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