宋福海，徐　劍，黃　巍，陸　榛，吳晨陽(yáng)

(國(guó)網(wǎng)福建電力調(diào)度控制中心,福建福州350003)

斷路器本體三相不一致保護(hù)系統(tǒng)二次回路優(yōu)化

宋福海，徐劍，黃巍，陸榛，吳晨陽(yáng)

(國(guó)網(wǎng)福建電力調(diào)度控制中心,福建福州350003)

摘要：針對(duì)目前斷路器本體三相不一致二次回路抗干擾能力不足、尤其在直流系統(tǒng)接地故障下不能可靠防止誤動(dòng)作的問題,提出了一種基于電網(wǎng)安全運(yùn)行可靠性的斷路器本體三相不一致二次回路優(yōu)化的新方案。分析了兩起斷路器誤動(dòng)作跳閘事故原因，利用實(shí)測(cè)參數(shù)建立準(zhǔn)確的控制回路系統(tǒng)仿真模型，模擬直流系統(tǒng)接地故障工況引發(fā)斷路器跳閘的情形，理論上闡釋了直流系統(tǒng)接地對(duì)保護(hù)及二次回路的危害因素。試驗(yàn)結(jié)果和設(shè)備運(yùn)行實(shí)踐驗(yàn)證了該技術(shù)方案的先進(jìn)性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：直流接地；斷路器；二次回路；跳閘保持繼電器；三相不一致保護(hù)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM56

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.03.013

收稿日期：2014-11-20。

作者簡(jiǎn)介：宋福海(1975-)，男，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)運(yùn)行管理工作，E-mail:15960029083@163.com。

Abstract：A novel scheme for grid safety-operation based optimization for the secondary loop of breaker three-phase inconsistent protection is proposed, considering the incapability for anti-interference of the current secondary loop of breaker three-phase inconsistent protection, especially the unreliability for preventing misoperation when DC system grounding fault happened.This paper analyzed two accidents for breaker misoperation,established simulation mode accurately for the breaker controlling loop system by using the measured parameters,simulated the circumstance that breaker tripping caused by DC system grounding fault,and theoretically explained the risk factors for the relay protection and the secondary circuit when DC system grounding fault happened.The experimental results and practical equipment-operation proved the advantage and practicability of the scheme.

Keywords：DC grounding; breaker; the secondary circuit; TBIJ; three-phase inconsistent protection system

0引言

目前，社會(huì)對(duì)供電可靠性的要求越來(lái)越高，在電氣一次設(shè)備、二次設(shè)備狀態(tài)檢修策略的新形勢(shì)下，為了盡量減少定期檢修所帶來(lái)的停電時(shí)間，科學(xué)高效地在線監(jiān)測(cè)電氣一次設(shè)備、二次設(shè)備的健康狀態(tài)顯得十分必要[1，2]。直流系統(tǒng)在變電站中具有十分重要的地位，要保證變電站長(zhǎng)期安全運(yùn)行，其因素是多方面的，保證直流系統(tǒng)的正常運(yùn)行狀態(tài)和保持直流控制回路絕緣的良好狀況顯得尤為重要。因此，對(duì)檢修作業(yè)中人為因素引起的直流回路絕緣不良以及直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地時(shí)導(dǎo)致斷路器跳閘事故的情形必須予以高度重視。

針對(duì)變電站運(yùn)維過程中發(fā)生的直流系統(tǒng)接地引起斷路器跳閘問題，國(guó)內(nèi)學(xué)者們圍繞繼電器誤動(dòng)作機(jī)理、工程計(jì)算和反措制定進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[3]研究了繼電器的安全動(dòng)作功率與外接電纜長(zhǎng)度和繼電器本身動(dòng)作時(shí)間特性的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在反措基礎(chǔ)上提出了更換動(dòng)作時(shí)間小于2ms的快速中間繼電器。文獻(xiàn)[4]論證了通過合理布局理論設(shè)計(jì)容量的抗干擾電容將24 V線圈繼電器更換為供CPU工作統(tǒng)一5V電源線圈繼電器的可行性。文獻(xiàn)[5]從控制回路電纜等效分布電容和單繼電器的RC組合電路角度進(jìn)行電容放電對(duì)單繼電器激勵(lì)特性分析，并提出了一定的防止出口繼電器誤動(dòng)作的改進(jìn)措施。文獻(xiàn)[6]綜合考慮了繼電器的電感效應(yīng)對(duì)直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地的情形進(jìn)行理論研究，對(duì)反措制定具有一定借鑒意義。文獻(xiàn)[7]詳細(xì)論證了繼電器線圈回路發(fā)生直流接地故障時(shí)由于受到絕緣監(jiān)測(cè)平衡橋電阻阻值、直流正負(fù)極母線絕緣、分布電容和繼電器物理參數(shù)一系列綜合因素影響導(dǎo)致誤動(dòng)作跳閘。文獻(xiàn)[8,9]分析了直流接地故障原因，總結(jié)出故障點(diǎn)查找的基本方法。文獻(xiàn)[10,11]重點(diǎn)分析直流系統(tǒng)配置絕緣監(jiān)察裝置工作機(jī)理，針對(duì)絕緣監(jiān)察裝置配置不當(dāng)以及自身缺陷提出合理的解決方案。

斷路器三相不一致運(yùn)行將導(dǎo)致電力系統(tǒng)出現(xiàn)零序、負(fù)序分量，作為重合閘失敗和后備保護(hù)功能的最后一道防線，確保其功能回路可靠性顯得尤為重要。本文深入分析了直流系統(tǒng)接地故障工況下導(dǎo)致繼電起誤動(dòng)作機(jī)理，提出了斷路器本體三相不一致二次回路優(yōu)化方案。

1直流系統(tǒng)接地故障解析

1.1　直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地故障原理圖

直流系統(tǒng)短時(shí)一點(diǎn)接地時(shí)，傳統(tǒng)觀念認(rèn)為其危險(xiǎn)性不大，但由于運(yùn)行電纜對(duì)地存在分布電容，當(dāng)二次回路發(fā)生直流接地故障，上述分布電容將形成一系列充放電過程，當(dāng)達(dá)到繼電器動(dòng)作條件時(shí)便會(huì)動(dòng)作。故障時(shí)繼電器動(dòng)作情況與分布電容值和繼電器動(dòng)作值有關(guān)。對(duì)運(yùn)行中的繼電器來(lái)說，其運(yùn)行電纜側(cè)相當(dāng)于并接等效電容元件Csys，當(dāng)空接點(diǎn)驅(qū)動(dòng)側(cè)發(fā)生一點(diǎn)接地故障時(shí)，如圖1所示，電容元件電勢(shì)不能突變會(huì)提供繼電器暫態(tài)勵(lì)磁電勢(shì)Esys，繼電器同時(shí)產(chǎn)生反向磁動(dòng)勢(shì)Um，從而在繼電器勵(lì)磁線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流Im，導(dǎo)致正常運(yùn)行的繼電器正確誤動(dòng)作。

圖1　一點(diǎn)接地故障原理圖

1.2　等效電路圖模型

圖2中給出了一點(diǎn)接地故障時(shí)等效電容器與繼電器等效阻抗組合電路圖，其中繼電器等效為電阻R和電感L串聯(lián)電路，繼電器等效電路與電容Csys并聯(lián)。

根據(jù)KVL對(duì)圖2列寫電壓回路方程如式(1)所示：

圖2　一點(diǎn)接地故障等效電路圖

(1)

等效電路圖中繼電器勵(lì)磁電流、電壓波形如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4故障電流、電壓波形可得出如下結(jié)論：在繼電器空接點(diǎn)側(cè)發(fā)生一點(diǎn)接地故障時(shí)繼電器瞬間流過最大峰值電流，隨后按照指數(shù)函數(shù)衰減至0 A，衰減周期跟等效電路圖中RC值相關(guān)；另外，在繼電器空接點(diǎn)側(cè)發(fā)生一點(diǎn)接地故障時(shí)，等效電容器兩端電壓不能突變，繼電器TJ兩端瞬時(shí)感受與電容器初始電勢(shì)值U[0]同等幅值的電壓值，隨后按照指數(shù)函數(shù)衰減至0 V。因此，故障電流的瞬時(shí)最大幅值與衰減周期決定了繼電器TJ是否會(huì)誤動(dòng)作。

圖3　勵(lì)磁電流波形

圖4　電容電壓波形

2跳閘事故分析與建模仿真計(jì)算

2.1　直流系統(tǒng)負(fù)端一點(diǎn)接地引起斷路器跳閘

某220 kV變電站線路間隔在送電時(shí)發(fā)生A相跳閘后，再由斷路器本體三相不一致保護(hù)動(dòng)作跳閘事件。跳閘后經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢查，現(xiàn)場(chǎng)檢查試驗(yàn)結(jié)果如下：

(1)該間隔保護(hù)操作箱4號(hào)插件存在虛焊點(diǎn)，虛焊點(diǎn)如圖5所示“1”處。經(jīng)試驗(yàn)，存在虛焊點(diǎn)時(shí)跳閘保持繼電器動(dòng)作電流為172 mA(正常值應(yīng)為0.34A)，動(dòng)作時(shí)間約4 ms。

(2)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)通過TBIJ繼電器的電纜電容放電電流瞬時(shí)峰值約為400 mA，并以指數(shù)曲線下降，電容電流高于172 mA的持續(xù)試驗(yàn)大于繼電器的動(dòng)作時(shí)間(4 ms)，TBIJ繼電器動(dòng)作。

(3)現(xiàn)場(chǎng)模擬A相直流瞬時(shí)20 ms單點(diǎn)接地10余次(圖5中標(biāo)示“2”處)，均出現(xiàn)斷路器A相跳閘后再由本體三相不一致保護(hù)動(dòng)作跳閘，情況與故障現(xiàn)象基本相同。

經(jīng)上述檢查及試驗(yàn)判斷：由于操作箱中跳閘保持繼電器TBIJ的并聯(lián)電阻虛焊，造成TBIJ繼電器動(dòng)作電流比正常值小一半。在直流系統(tǒng)發(fā)生負(fù)極接地的情況下，TBIJ繼電器動(dòng)作時(shí)間很短，躲不過長(zhǎng)電纜電容放電電流的暫態(tài)過程而動(dòng)作。TBIJ繼電器動(dòng)作后，TBIJ1接點(diǎn)閉合形成自保持，造成斷路器跳閘。

圖5　一點(diǎn)接地造成跳閘示意圖

利用實(shí)測(cè)參數(shù)建立準(zhǔn)確的控制回路系統(tǒng)一點(diǎn)接地故障仿真模型，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。模擬斷開圖5中接點(diǎn)“3”處焊點(diǎn)孤立自保持接點(diǎn)，在發(fā)生一點(diǎn)接地故障后TBIJ繼電器勵(lì)磁電流波形如圖6所示。

表1　一點(diǎn)接地故障仿真模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

模擬跳閘控制系統(tǒng)在絕對(duì)時(shí)刻1s時(shí)發(fā)生了經(jīng)10 Ω過渡電阻接地故障，在圖6中繪制勵(lì)磁電流幅值高于172 mA的持續(xù)時(shí)間tc，得出tc≥4.5 ms，超出繼電器的額定動(dòng)作時(shí)間試驗(yàn)值。因此，跳閘控制系統(tǒng)發(fā)生一點(diǎn)接地故障時(shí)，受故障電流瞬時(shí)最大幅值和衰減周期影響，電流保持繼電器TBIJ會(huì)誤動(dòng)作。

圖6　TBIJ勵(lì)磁電流波形

2.2　直流系統(tǒng)兩點(diǎn)接地引起斷路器跳閘

某一220 kV變電站發(fā)生233斷路器本體三相不一致保護(hù)誤動(dòng)跳閘事件。跳閘后經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢查,查明原因如下：

(1)該變電站的備用間隔斷路器整體搬遷，現(xiàn)場(chǎng)未進(jìn)行與運(yùn)行設(shè)備的二次回路進(jìn)行有效隔離(直流電源未斷開)，僅對(duì)斷路器二次航空插頭采取臨時(shí)保護(hù)措施，直接導(dǎo)致備用間隔斷路器二次航空插頭充水，造成站內(nèi)直流系統(tǒng)正負(fù)極兩端均出現(xiàn)接地現(xiàn)象。

(2)北京ABB公司斷路器(型號(hào):LTB245E1)本體端子箱內(nèi)的三相不一致二次回路存在接線錯(cuò)誤。正確接線是在第一組繼電器K38并聯(lián)電阻R9，在第二組繼電器K37并聯(lián)電阻R11，如圖7所示。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際二次回路檢查結(jié)果為，電阻R9正端錯(cuò)接至第二組繼電器K37的A1，電阻R11的正端錯(cuò)接至第一組繼電器K38的A1，該錯(cuò)接線導(dǎo)致三相不一致出口繼電器K37與R9串接于兩段直流負(fù)母線之間、K38與R11串接于兩段直流負(fù)母線之間。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。模擬在直流1段母線正極接地工況下，短接圖7中直流2段母線負(fù)極接地開關(guān)K，接地前后時(shí)K38、K37三相不一致出口繼電器端電壓波形如圖8所示。

表2　兩點(diǎn)接地故障仿真模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖7　三相不一致回路兩點(diǎn)接地故障仿真圖

圖8　三相不一致繼電器端電壓波形圖

模擬直流2段母線負(fù)極在絕對(duì)時(shí)刻1s時(shí)發(fā)生了經(jīng)2 500 Ω過渡電阻接地故障，從圖8可知，故障時(shí)UK38由40.946 V突變到144.41V；UK37由-41.268 V突變到-145.5 4V；而且還推導(dǎo)出故障后三相不一致出口繼電器感受端電壓幅值與直流2段母線負(fù)極接地電阻阻值成反比例關(guān)系的結(jié)論。因此，在直流1段正極母線接地故障工況時(shí)，受直流2段負(fù)極母線絕緣狀態(tài)影響，三相不一致出口繼電器會(huì)誤動(dòng)作。

3斷路器本體三相不一致二次回路優(yōu)化

改善繼電器動(dòng)作電壓和動(dòng)作功率對(duì)于防止繼電器在直流系統(tǒng)發(fā)生一點(diǎn)接地故障時(shí)誤動(dòng)作十分有效，但該方法對(duì)于防止繼電器在直流系統(tǒng)發(fā)生兩點(diǎn)接地故障時(shí)誤動(dòng)作顯得無(wú)能為力，因此，在不影響斷路器控制功能和繼電器動(dòng)作特性的前提下，對(duì)三相不一致二次回路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在斷路器本體三相不一致保護(hù)跳閘出口接點(diǎn)與正電源回路之間串接斷路器常閉輔助接點(diǎn)，如圖9所示。即將原先接點(diǎn)1解除改接至接點(diǎn)2，保證在斷路器至少一相斷開時(shí)三相不一致保護(hù)才能出口跳閘，從而有效防止繼電器在直流系統(tǒng)發(fā)生兩點(diǎn)接地故障時(shí)誤動(dòng)作。

圖9　三相不一致二次回路優(yōu)化示意圖

4結(jié)論

本文分析了兩起直流接地故障導(dǎo)致斷路誤動(dòng)作跳閘事故原因，利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)參數(shù)建立了精確仿真模型，仿真結(jié)果準(zhǔn)確還原了事故過程，從理論上闡述了直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地、兩點(diǎn)接地故障引發(fā)繼電器誤動(dòng)作跳閘機(jī)理和兩種故障過程本質(zhì)區(qū)別，改進(jìn)了通過改善繼電器動(dòng)作特性的傳統(tǒng)觀念，另辟蹊徑設(shè)計(jì)出了一種斷路器本體三相不一致二次回路優(yōu)化的新方案。該方案無(wú)需改變現(xiàn)有控制回路原理，僅需在三相不一致出口繼電器正極性端串接斷路器位置常閉輔助接點(diǎn)，能夠可靠保證在三相不一致時(shí)間繼電器或出口繼電器誤動(dòng)作時(shí)斷路器不至于發(fā)生連鎖誤動(dòng)跳閘事故。本優(yōu)化方案措施易于在斷路器本體三相不一致保護(hù)回路中實(shí)施，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

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The Optimization for the Secondary Loop of BreakerThree-phase Inconsistent Protection System

Song Fuhai, Xu Jian,Huang wei,Lu Zhen,Wu Chenyang(State Grid Fujian Electric Power Dispatch & Control Center, Fuzhou 350003,China)