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直流回路对地电容对系统安全的分析

  • 更新时间2013-05-20
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  • 内容摘要直流系统对地电容的产生在变电现场中是特有,并无法回避。其容量的大小是通常随着电站的改造,其电容值也在改变,往往造成了仅有此一点接地也对继电保护造成的误动无法解答。本文论述了对地电容的产生和造成误动的原理,对电力运行中仅一点接地为什么也会造成继电保护误动作进行了分析,以便提示同行在对直流系统安全运行中对地电容也应像对地电阻(绝缘)一样关注,对改造和新造的变电站开展对地电容量的测量和控制列为今后运行的管理之一。
  • 作者李建芳 陈书欣

详细描述

 

 

        一、 引言

        随着电子高频技术(HVC)的发展,相关谐波及对地问题尤为突出,在理想状态下直流回路中的对地电容是不会影响直流的安全运行,所以往往被人们所忽视。由于对地电容过大造成的继电保护误动通常没有得到很好的解释。随着电网电压等级的不断提高,电站容量的不断增大和电站范围面积的扩大,导线对地的分布电容及高频开关对地的抗干扰电容也不断的增大,一般500KV变电站对地电容已达500uF以上。对地电容量的大小实际上是一个直流系统中各负载整合过程中出现的一个新问题,事先无法控制。而直流回路的对地电容有利一面就是:该电容明显地改善直流母线共模干扰,除此之外就没有什么有利因素。下面我们对直流回路的对地电容产生和造成继电保护误动进行分析,以及提出运行中对地电容的测量必要性和测量方法。

        二、 直流回路电容的产生机理及事实

        在变电站中通常有长达几十公里的直流回路,在高压电场的感应下,直流回路会产生一个很大的交流干扰电压,由于电容的存在大大减小其干扰。在变电站现场就有一个明显的例子是人们不慎将交流电单线串接到直流回路中,直流系统也能长时间的正常运行,并不被人们所发现,这就表明直流回路的对地电容的存在大大减少了交流电压的干扰。在电子电路中通常有EMI回路,也就是对地吸收电容回路(继电保护装置回路的工作电源都是采用直流电源供电,各继电保护设备之间为了减少干扰,满足电磁兼备的要求,在其输入回路上都接入了EMI回路加以解决)。其主要原理是系统将干扰源通过EMI中的对地电容加以旁路接地,使各设备之间能够保持兼容和正常运行,各设备对地之间的电容越大效果越好。直流回路的各负载设备从自身考虑EMI加大电容,并联到直流回路系统中,集中反映了直流系统对地电容就较大。

        目前,变电站内继电保护设备普遍使用微机保护、变电站综合自动化及其他一些微机监测设备,其工作电源也取自直流回路。从直流系统电源角度来看微机设备的接入使总的直流负载相比过去在下降,但所有这些微机设备的工作电源无一例外的要使用DC/DC电源模块,通过采用DC/DC开关电源模块来获取微机工作所需电源如±5V、±12V、±24V等电压值,由于DC/DC开关电源模块的电磁兼容(EMC)问题使得在所有的开关电源电路中其输入端都加有EMI抗干扰措施。通过EMI手段来达到保证开关电源及设备本身不受噪声源的影响,同时抑制开关电源本身噪声源向外辐射这个双重目的。EMI技术的电路共有特点就是在正对地和负对地之间接有电容。

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        在直流系统等效电路中我们去掉了与其无关的回路,如图1所示,图中R1、R2为绝缘监测仪内部采样电阻,(通常称之谓电桥)阻值都大于30K,不同厂家的微机绝缘监测其内部采样电阻值在40K~300K之间,且一般电阻R1和R2的阻值相同。R+和R-分别为直流系统对正对地和负对地绝缘电阻,对地电阻其实是由各个直流回路对地绝缘电阻并联而成,新的变电站R+和R-电阻都在1MΩ以上,国家标准规定0.5M以上,老变电站直流母线对地绝缘电阻R+和R-一般也在100K以上,而且这个电阻受天气影响而变化,并与直流系统中所有设备清洁及电气绝缘有关,当设备积灰比较严重时环境湿度变化会引起电阻值的大幅度变化,绝缘损坏也会造成直流接地。图中C+和C-分别为直流系统集中反应起来总的正对地和负对地等效电容值,对地电容值大小还有来自三个方面一是电缆对地的分布电容,但分布电容数值相对较小(每米电缆对地电容值小于10PF),不是构成直流系统对地电容的主要原因。二是来自众多设备回路的对地电容,作为单个电源设计不成问题的对地电容汇集到直流系统中造成直流系统对地电容过大,所以在变电站中就有大于500uF的电容的存在。那C+和C-的电容值为500uF(在一些特殊条件下直流系统中的一点接地就可由直流系统中的对地电容对出口继电器的充放电电流冲击使继电器瞬间误动)。三是现在电站采用的通迅电源常为48V的直流电源,分别是利用直流系统中的电源,以DC/DC变换器输出,直流电源变换器采用了高频技术变换原理在其谐振回路中有对地电容。

        三、 直流系统接地造成继保误动分析

        现有国家标准和电力行业标准中都存在着一个误区,单点接地不会造成保护设备误动,在传统的思维中,仅考虑回路电容具有隔直流通交流的固有特性,人们都忽视了直流回路对地电容的存在。但实际上在大型变电站中由于设备对地电容的增大,一点接地同样会造成继电保护误动,其中原因主要就是直流母线对地电容所造成的

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图2   一点接地造成继电器误动示意图

        当直流系统对地电容增大到一定数值时,直流负母线对地电压高于继电器动作电压时,直流系统的一点接地就有可能致使继电器误动,如图2所示:继电器误动当在A点接地时,C+对继电器充电,C—对继电器放电(等效为C+与C—并联对继电器放电)。这时继电器内部就有电流流过,当电容器上的电压大于继电器动作电压时继电器就有可能误动。

继电保护出口继电器的一端按惯例都接在直流电源负极这一侧,因此直流系统的负对地电压和负对地电容C-大小决定在一点接地时是否有可能造成出口继电器误动。继电器动作电压一般规定大于50%工作电压为最低动作值,当直流系统负对地电压为50%时或小于50%,可以保证不管对地电容多大均不会在一点接地时电容器的充放电使得继电器误动,但实际运行中的对地电压不仅仅取决于在线绝缘继电器(监视仪)内部采样电阻的分压,在线绝缘监视仪采样电桥正负对地电阻阻值一致时,实际的运行中经常发生外部绝缘下降到可与采样电阻值并联值,负对地电压值V-取决于外部绝缘状况。如正对地电阻值R+小于负对地电阻值R-,使负对地电压大于50%是经常发生的事,当对地电压和对地电阻这两个条件都可以使出口继电器产生寄生电流,满足继电器另一端一点接地还是会造成继电器误动。图3显示负对地电压、对地电容、继电器动作电压和继电器动作时间的关系:

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图3 继电器动作时间、电压与负对地电压、电容关系

        图3中有三个不同动作时间分别为30mS、60mS、90 mS三种的继电器,以及两个不同动作电压分别为50V和60V的继电器,使对应于二个不同容量对地电容30uF和50uF的电容对电阻放电形成的四条放电曲线,从图3中可见,动作时间大于90mS的继电器在60V电压下是不会发生动作的,也就是说在一点接地时对地电容放电曲线下可以看出动作电压60V、动作时间90mS的继电器在30uF或50uF及直流电压50V或60V的冲击下是不会动作的,但动作时间快(小于60mS)的继电器和动作电压低(小于60V)的继电器就完全有可能落在电容器放电曲线内而产生动作,如动作电压50V、动作时间30mS的继电器在60V电压放电情况下100%动作。所以当继电器动作时间快、动作电压低、继电器内阻大,负对地电压较高时一点接地会造成误动。如福建省电力公司去年就对所有的出口继电器的对作电流进行增大,也就是提高了动作电压和动作时间的要求,我认为最好的方法还是有必要对直流系统的对地电容值进行准确的测量,比单一对出口继电器动作电流值增加有十分重要的意义。

        四、 直流系统突波造成空气开关误动的分析

        如果在单路负载接有较大的电容时,直流系统运行中遭到突波时由于对地电容较大而形成的瞬间突变冲击电容电流还会通过保护开关,当保护空气开关过流定值选得过低时,此脉冲电容大电流足以使空气开关的过流元件动作,造成保护设备直流消失的严重后果。如图4所示,当直流母线有一冲击突波叠加时,电流将通过EMI接地电容接地。

 

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图4 高压反击时电容电流冲击过流元件

 

        图4中C+与C-为EMI滤波器内对地电容,空气开关的工作原理是采用双金属片和瞬动线圈做为过载和过流动作元件,瞬动过流元件结构相当于一个电流继电器,双金属片是以热动作完成,假定直流母线正极受到冲击突波,其突波电流如图所示为Ic+和Ic-之和,突波电流将通过空气开关正极动作线圈,由于突波的前沿很陡,频率分量高,因此突波电压在瞬间几乎都加载到瞬时动作线圈上,当接地电容较大时通过的电容电流与其上的压降使得瞬间作用在动作线圈上,其突波电压较高及对地电容放电下,而可能导致空气开关动作。所以保护设备电源对地电容接入应考虑这种情况,合理设计EMI滤波电路,在兼顾电磁兼容技术指标的同时,降低对地电容的数值。这也说明了测量对地电容值对对继电保护的安全运行也是具有十分重要的意义。

        五、直流系统对地电容的测量

        由于直流系统一旦投入运行是终身服役,无法退出运行测量对地电容值。但是由于现行的直流绝缘监视仪采用电桥原理可以能准确地测出整个直流系统的正对地电阻和负对地电阻。电桥原理是无法对接地电容进行测量的,所以人们也就没有对直流回路对地电容的测

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图5 测量直流系统电容方法接线图

量原因,现在我们采用注入交流法对直流回路的电容进行测量。接线方法如图5所示。低频信号发生器是产生一个正弦波信号通过无极性电容耦合到直流系统的正极或负极上。图中R、C为直流系统正对地电阻、电容与负对地电阻、电容的并联值,低频信号发生器输出电压为10V、频率为20HZ的低频交流信号,交流电流表使用数字式万用表的交流电流档。

从图5中可以看出交流电流的大小与R C阻抗有关。直流系统绝缘检测仪通过一定的电阻网络测量正对地电压和负对地电压经过计算可以得出相当精确的正对地电阻和负对地电阻。这样我们就可以准确的建立等效的模拟直流系统比对真实的直流系统,在模拟直流系统中设置和运行中直流系统一样的正对地电阻、负对地电阻。通过设定不同电容以求得等同于运行中直流系统的对地电阻和电容,使二者有相同复合阻抗。再通过二者电压、电流法验证他们复合阻抗相当就可确定设定的电容就是系统的总电容。当然所测出的电容是正对地电容和负对地电容之和,无法区分正对地电容值多少、负对地电容值多少。但直流系统对地电容的形成有一定规律,正对地电容与负对地电容值相同。因此测量得出的电容的二分之一就是正对地电容或负对地电容。

       六、 结论

       为了满足变电站对地电容在安全范围运行,建议电力系统在对变电站的各回路中都应进行电容容量的测量。尽量控制在满足电磁兼容的条件下,减少接入直流系统中的EMI回路,对地的各保护设备对地电容进行管理和量化,减少事故的发生。

参考文献

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    〔3〕唐文秀,直流回路一点接地和交直流串扰引起保护误动及其对策,电力自动化设备,2007年9月。

    〔4〕聂凯生,周剑,交流量串入直流控制回路造成保护误动的分析和对策,电力自动化设备,2001年12月。

    〔5〕王坚敏,直流回路一点接地引起保护误动的实例分析,继电器2003年Z1期-Analysis of incorrect-operation of protection caused by one-point earth-fault on direct current circuit.

    〔6〕刘勇,一起相继误动的继电保护事故分析,四川电力技术,2001年6月。

 

 

        作者简介

        李建芳(1972年出生),男,浙江永嘉县人,助理工程师;主要从事于变电运行、检修的管理。

        陈书欣(1973年出生),男,浙江苍南县人,工程师;主要从事于电力系统直流设备的测量设计、优化和维护;长期从事于直流系统接地查找、充电机特性测试仪、蓄电池检测等直流测量新装备和新技术的研究工作。

 

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