冀北電力有限公司檢修分公司 馬迎新 田建光冀北電力有限公司 徐忱

0 引言

2011年國(guó)務(wù)院頒布了《電力安全事故應(yīng)急處置和調(diào)查處理?xiàng)l例》[1]（以下簡(jiǎn)稱《條例》），《條例》的頒布在法律責(zé)任、事故監(jiān)管和電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)等方面對(duì)電力企業(yè)產(chǎn)生了較大的影響?！稐l例》頒布后，電力企業(yè)著手開展了安全事故風(fēng)險(xiǎn)分析。在歸納出的諸多變電安全事故風(fēng)險(xiǎn)中，“變電站交流串入直流系統(tǒng)”（簡(jiǎn)稱“交直流混電”）因其可能造成變電站多元件跳閘、電網(wǎng)破壞力大、負(fù)荷損失率高、防范難度大等特點(diǎn)，被列為重大風(fēng)險(xiǎn)。

近年來，變電站交流串入直流系統(tǒng)事件時(shí)有發(fā)生，這些案例影響重大、后果嚴(yán)重。某330kV變電站，斷路器機(jī)構(gòu)箱進(jìn)水，機(jī)構(gòu)箱內(nèi)溫控器燒毀，溫控器上交流回路與直流回路導(dǎo)通，交流串入直流系統(tǒng)，導(dǎo)致330kV系統(tǒng)多臺(tái)開關(guān)跳閘，變電站2臺(tái)聯(lián)變?nèi)＃?10kV母線失壓，地區(qū)電網(wǎng)受到嚴(yán)重影響。某重要電廠，接線人員在端子箱連接電焊機(jī)電源線時(shí)，將交流A相和直流負(fù)極接入電焊機(jī)電源輸入端，交流串入直流系統(tǒng)，造成該電廠500kV雙回送出線路跳閘。某500kV變電站，檢修人員在主變非電量保護(hù)傳動(dòng)過程中，誤將主變冷卻器交流電源與直流正極短接，造成該變電站一臺(tái)500kV開關(guān)跳閘，測(cè)控單元開入誤導(dǎo)通，測(cè)控單元個(gè)別開入光隔燒毀。

專業(yè)人員對(duì)變電站交流串入直流系統(tǒng)的機(jī)理進(jìn)行了深入研究，并制定了一系列防范措施[2-4]。國(guó)網(wǎng)公司十八項(xiàng)反措規(guī)定，對(duì)經(jīng)長(zhǎng)電纜跳閘的回路要采取防止長(zhǎng)電纜分布電容影響和防止出口繼電器誤動(dòng)的措施。特別是在變電站主變保護(hù)、母線保護(hù)的直跳回路加裝了大功率（5W）繼電器，對(duì)直跳回路跳閘增設(shè)電流判據(jù)，這些措施的實(shí)施有效降低了交直流混電對(duì)保護(hù)開入回路的影響[5]。

變電站交流串入直流系統(tǒng)對(duì)斷路器操作回路繼電器影響程度如何？尚缺乏試驗(yàn)證明。本文在理論分析的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單、直觀的試驗(yàn)方案，對(duì)這一問題進(jìn)行了研究。

1 控制電纜的分布電容及其測(cè)試方法

變電站中控制電纜大多采用鎧裝屏蔽電纜，其結(jié)構(gòu)從內(nèi)到外由導(dǎo)體、絕緣層、填充層、隔離層、銅帶屏蔽層、引流線、內(nèi)襯層、鋼帶鎧裝層、阻燃外護(hù)層等組成（見圖1）。

參照平行板電容的概念，控制電纜分布電容C的大小與介質(zhì)（介電常數(shù)）有關(guān)，與相對(duì)面積S(2πR1L)成正比，它們的空間距離d（R2-R1）成反比（見圖2）。當(dāng)控制電纜達(dá)到一定長(zhǎng)度（L較大）的時(shí)候，導(dǎo)體線芯對(duì)屏蔽層的分布電容C不可忽略。

在電纜屏蔽層和電纜芯線之間加交流電源，根據(jù)測(cè)量到的交流電壓（U）電流（I）計(jì)算電纜芯線對(duì)屏蔽層的等效電容，公式為：X總=U/I,C總=1/(2πf X總）。筆者對(duì)1000m控制電纜（ZR-KVVP4×4 mm2）進(jìn)行了電容量測(cè)試，電纜的芯線對(duì)屏蔽層的等效電纜約為：0.28uF，每100m電纜分布電容約28nF。測(cè)試記錄見表1。

圖1 控制電纜結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 控制電纜分布電容示意圖

表1 ZR-KVVP4×4 mm2控制電纜分布電容測(cè)試記錄

2 交流串入直流電源系統(tǒng)試驗(yàn)經(jīng)過及數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗(yàn)接線

在變電站交流串入直流電源系統(tǒng)有3種形式，形式1為直流電源正極串入交流電，形式2為直流電源負(fù)極串入交流電，形式3為繼電器啟動(dòng)端串入交流電。

為了驗(yàn)證變電站交流串入直流電源系統(tǒng)繼電器的影響，在北京超高壓公司變電實(shí)訓(xùn)基地進(jìn)行了試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)3種串入形式分別設(shè)計(jì)試驗(yàn)接線見圖3、4、5。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備及元件參數(shù)

圖3 直流電源正極串入交流電

為更好完成本次試驗(yàn)，依據(jù)試驗(yàn)接線圖2、3、4選定相關(guān)試驗(yàn)設(shè)備（見表2），并比照變電站實(shí)際運(yùn)行參數(shù)確定了相關(guān)試驗(yàn)元件參數(shù)（見表3）。

圖4 直流電源負(fù)極串入交流電

圖5 繼電器啟動(dòng)端串入交流電

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

（1）在交流火線（L）與直流電源正極之間加空開，空開閉合后，交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)混接。直流電源選用DC220V，交流電源從AC220V開始以10V步長(zhǎng)上調(diào)。當(dāng)交流電源調(diào)至240V時(shí)，繼電器有蜂鳴，但輸出接點(diǎn)不閉合；當(dāng)交流電源調(diào)至270V時(shí)，繼電器兩端電壓為190V，繼電器輸出接點(diǎn)閉合。測(cè)試數(shù)據(jù)見表4，錄波圖見圖6。

表2 試驗(yàn)設(shè)備明細(xì)表

表3 試驗(yàn)元件參數(shù)明細(xì)表

表4 DC220V直流正電源中串入交流情況試驗(yàn)記錄表

圖6 DC220V直流正電源中串入交流電壓波形記錄圖

（2）在交流火線（L）與直流電源負(fù)極之間加空開，空開閉合后，交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)混接。直流電源選用DC220V，交流電源從AC220V開始以10V步長(zhǎng)上調(diào)。當(dāng)交流電源調(diào)至230V時(shí)，繼電器有蜂鳴，但輸出接點(diǎn)不閉合；當(dāng)交流電源調(diào)至270V時(shí)，繼電器兩端電壓為195V，繼電器輸出接點(diǎn)閉合。測(cè)試數(shù)據(jù)見表5，錄波圖見圖7。

（3）在交流火線（L）與直流電源負(fù)極之間加空開，空開閉合后，交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)混接。直流電源選用DC110V，交流電源從AC220V開始以10V步長(zhǎng)上調(diào)。交流電源一直調(diào)至280V，繼電器兩端電壓僅為76V，繼電器輸出接點(diǎn)不閉合。測(cè)試數(shù)據(jù)見表6，錄波圖見圖8。

表5 DC220V直流負(fù)電源中串入交流情況試驗(yàn)記錄表

圖7 DC220V直流負(fù)電源中串入交流電壓波形記錄圖

表6 DC110V直流負(fù)電源中串入交流情況試驗(yàn)記錄表

圖8 DC110V直流負(fù)電源中串入交流電壓波形記錄圖

（4）在交流火線（L）與繼電器啟動(dòng)端之間加空開，空開閉合后，交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)混接。直流電源選用DC220V時(shí)，交流電源從0開始以10V步長(zhǎng)上調(diào)，當(dāng)交流電源調(diào)至80V時(shí)，繼電器兩端電壓高達(dá)190V，繼電器輸出接點(diǎn)短時(shí)閉合。測(cè)試數(shù)據(jù)見表7，錄波圖見圖9。

（5）在交流火線（L）與繼電器啟動(dòng)端之間加空開，空開閉合后，交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)混接。直流電源選用DC110V時(shí)，交流電源從0開始以10V步長(zhǎng)上調(diào)，當(dāng)交流電源調(diào)至60V時(shí)，繼電器兩端電壓高達(dá)105V，繼電器輸出接點(diǎn)短時(shí)閉合。測(cè)試數(shù)據(jù)見表8，錄波圖見圖10。

3 結(jié)論

表7 DC220V直流繼電器啟動(dòng)端串入交流情況試驗(yàn)記錄表

圖9 DC220V直流繼電器啟動(dòng)端串入交流電壓波形記錄圖

表8 DC110V直流繼電器啟動(dòng)端串入交流情況試驗(yàn)記錄表

圖10 DC110V直流繼電器啟動(dòng)端串入交流電壓波形記錄圖

（1）試驗(yàn)驗(yàn)證了ZR.KVVP4×4mm2控制電纜每100m的分布電容約28nF；

（2）試驗(yàn)中模擬的是單根、1000m長(zhǎng)度跳閘電纜，而在變電站實(shí)際應(yīng)用中存在多根跳閘電纜并聯(lián)的情況，此時(shí)可近似根據(jù)并聯(lián)的跳閘電纜的總長(zhǎng)度考慮分布電容值；

（3）本文中數(shù)據(jù)均為使用為CZX-12R2型操作繼電器箱的測(cè)試結(jié)果。將被測(cè)操作箱更換為CZX-22R2型操作箱（跳閘繼電器參數(shù)與CZX-12R2一致），試驗(yàn)結(jié)果一致；

（4）試驗(yàn)表明直流負(fù)極串入交流電源比直流正極串入交流電源對(duì)跳閘繼電器的影響略嚴(yán)重；

（5）試驗(yàn)表明當(dāng)直流系統(tǒng)正、負(fù)極串入交流電源時(shí)，直流DC110V系統(tǒng)較DC220V系統(tǒng)具有更好的抗誤動(dòng)能力；

（6）在試驗(yàn)設(shè)定條件下，直流電源正、負(fù)極中串入AC220V交流電壓，繼電器均不動(dòng)作。也即說明在工頻AC220V交流電源從直流系統(tǒng)正、負(fù)極串入時(shí)，斷路器操作箱跳閘繼電器不會(huì)誤動(dòng)作。針對(duì)變電站直流系統(tǒng)正、負(fù)極串入AC220V交流電源的情況下，無需考慮斷路器操作箱跳閘繼電器的防誤動(dòng)措施；

（7）在跳閘繼電器啟動(dòng)端串入AC220V交流電壓的情況下，斷路器操作箱跳閘繼電器必定動(dòng)作。因此在變電站運(yùn)行、維護(hù)中，需要針對(duì)跳閘繼電器啟動(dòng)端做好防誤碰措施（如加裝防誤碰罩等），防止跳閘繼電器啟動(dòng)端接地或串入交流電源情況發(fā)生。

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院令.電力安全事故應(yīng)急處置和調(diào)查處理?xiàng)l例.2011-07-07.

[2]唐文秀,直流回路一點(diǎn)接地和交直流串?dāng)_引起保護(hù)誤動(dòng)及其對(duì)策[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2007,(09).

[3]韋恒,汪軍衡,郭懷東.直流系統(tǒng)交流混入及接地引起保護(hù)裝置誤動(dòng)分析及解決方案[J].電力科學(xué)與工程,2010,(07).

[4]馮辰虎,張志華,秦俊杰,劉海東.托電220kV升壓站聯(lián)變斷路器誤跳事故分析[J].華北電力技術(shù),2006,(08).

[5]國(guó)家電網(wǎng)公司.國(guó)家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施[M].北京:國(guó)家電網(wǎng)公司,2011.